移動通信基站周圍電磁環境分析

郭 雙，陳嘉慶

（國家無線電監測中心檢測中心，北京 100041）

1 引言

隨著我國社會和科技的進步，通信技術蓬勃發展，尤其是公眾移動通信業務，由二十多年前的第一代模擬制式手機起步到2G時代的GSM、CDMA、3G時代的群雄并起再到如今4G（LTE）技術智能手機的基本普及，而5G技術的應用也指日可待了。為了保證多種移動通訊業務的服務質量，城市移動通訊基站越來越密集，不少通訊基站建設在人口密集的城市中心區域。這些不斷更新發展的無線通信技術給人們的日常生活提供了很大便利，但同時也增加了人們對于電磁環境輻射安全的擔憂。因此，許多居民對基站周圍的電磁環境安全產生了恐懼感，擔心電磁輻射會影響人體健康。電磁輻射環境安全日益受到重視，部分群眾對建設在附近的基站持有強烈的抵觸態度，關于通信基站電磁輻射的投訴時有發生。通信需求和對電磁環境的擔憂存在著矛盾，因此科學公正地分析基站對周圍電磁環境產生的影響，不僅有助于緩解群眾擔憂，而且也有利于移動通信網絡的建設和健康發展。

2 基站輻射的原理

電磁輻射是指能量以電磁波的形式在自由空間傳播的現象。基站電磁輻射一般是指室外部分的電磁輻射，室外基站主要由天線和饋線組成。基站運行時，其發射天線將饋線中的高頻電磁能轉換為自由空間的電磁波，電磁波承載著能量向周圍空間傳播，形成電磁輻射。圖1是天線的基本輻射原理圖，天線的輻射基礎是瞬變的電荷，載有交變電流的導線就會輻射電磁波，其輻射能力與導線的長短和形狀有關。距離很近的兩條導線，因電動勢相互抵消輻射較微弱，雙絞線就是利用這一原理減少傳輸能量的損失。將兩導線逐漸張開，導線所產生的感應電動勢疊加，輻射隨之逐漸增強，直至兩導線電流方向一致時達到最強。當導線的長度遠小于波長時，輻射很微弱；當導線的長度可與輻射的電磁波波長相比擬時，導線上的電流就大大增加，形成較強的輻射，長度等于1/4波長時，輻射最強，成為半波對稱振子。半波振子就是一個簡單的天線，實際天線通常是由振子疊加而成的。

圖1 天線輻射原理圖

移動通信基站天線按照方向性可以分為全向天線和定向天線，定向天線的主波束輻射較強，旁瓣輻射較弱，能夠抑制后向信號且具有較高增益。為提高有效距離避免相互干擾，城區小區型移動基站一般采用3個板狀的定向天線，每個板狀天線負責120度區域，實現“三葉草狀”全方位覆蓋。作為基站的主要組成部分，天線將導行波轉換到自由波的同時，也引起了群眾對基站產生輻射的擔憂。

3 測試方案

為分析基站對其周圍電磁環境產生的影響，在距離基站較近地點選取一些具有代表性的測試點尤為重要。這次測試地點選取在被測樓房的樓頂及西北方位較近距離均有基站的某辦公樓，并在樓內重要的辦公場所（多個辦公室、值班室等）、主要的公共活動區域（會議室、走廊等）和一些接收輻射明顯的暴露點（窗邊）作為測試點。每個點的測試依據標準《輻射環境保護管理導則電磁輻射監測儀器和方法》（HJ/T10.2-1996）中的要求展開，并將所有的測試結果與《電磁輻射防護規定》（GB8702-88）中規定電磁環境的限值進行分析和比對，根據最終結果得到相應結論。

3.1 測試地點情況

選擇某六層辦公樓A作為測試地點，圖2為辦公樓A及周圍基站的布局圖。A樓頂架設有移動通訊基站（三個定向天線），B是樓頂架設有與A類似基站的六層辦公樓，B在A的西北方向，相距約50m。辦公樓A屬布局較為規整的建筑，其內部各個樓層的結構布局相同。為簡明地示意測試點，以辦公樓A的6層結構布局為例進行說明，具體的結構布局及測試點分布如圖3所示。辦公樓A樓頂基站360度覆蓋，其辦公樓內南北兩側電磁環境應對稱，測量只選擇辦公樓南側做代表。為分析B樓基站的影響，增加了靠近B側樓梯拐角的電磁環境測試。以均勻分布為原則，分別對辦公樓A內6層會議室中心（測試點1）、6層樓梯拐角（測試點2）、601（測試點3）、5層會議室中心（測試點4）、5層樓梯拐角（測試點5）、501（測試點6）、503（測試點7）、304（測試點8）、302（測試點9）共計9個典型位置作為采樣點進行測試。

通過調查得知，此移動基站包含870-880MHz、954-960MHz、1830-1860MHz、2125-2155MHz、2300-2320MHz、2555-2575MHz六個頻段，在每個典型位置分別測試六個頻段。

圖2 辦公樓A及周圍基站的布局圖

圖3 辦公樓A的內部結構及測試點分布示意圖

3.2 測試依據

GB8702-88標準中規定了電磁環境中控制公眾曝露的電場、磁場、電磁場（1Hz-3GHz）的場量限值和評價方法。根據GB8702-88中規定，對于100kHz以上頻率，在遠場區只限制電場強度或者磁場強度，或等效平面波功率密度，在近場區需同時限制電場強度和磁場強度。由于基站的主要輻射區屬于遠場區，本文對某辦公樓的電場強度和等效功率密度進行測試分析。GB8702-88中規定的基站工作頻段限值如表1所示。

表1 基站工作頻段部分限值表

對于電場強度，標準GB8702-88的評價方法中規定，當公眾曝露在多個頻率的電場磁場、電磁場中時，應綜合考慮多個頻率的電場、磁場、電磁場所致曝露，在0.1MHz-300GHz之間應滿足以下關系式：

式中，Ej為頻率j的電場強度；EL，j為表1中頻率j的電場強度限值。

對于等效平面波功率密度，在自由空間中，可以依據式（1）將測試數據中電場強度轉換為功率譜密度。在實際應用中通常要求功率譜密度低于限值的1/5，即0.08W/m2。

3.3 測試儀表的選擇

GB8702-88中標明，電磁環境監測工作應該按照《環境監測管理辦法》和HJ/T 10.2、HJ681等國務院環保主管部門制定的國家環境監測規范進行。《輻射環境保護管理導則電磁輻射監測儀器和方法》（HJ/T 10.2）中規定：對電磁環境輻射進行測試時可以選擇各向同性的響應或具有方向性電場探頭或者磁場探頭的寬帶輻射測量儀。采用方向性探頭時應在測量點調整探頭測試方向以測出測量點的最大輻射電平。

本次測試使用德國NARDA公司生產的電磁選頻輻射分析儀（型號SRM-3006），使用三軸全向天線（型號3501）對待測的多個頻段的電磁環境場強進行測試，設備照片如圖4所示。

圖4 設備照片圖

3.4 測試方法及結果分析

選擇10：00-12：00移動基站高峰工作時間段，為了模擬人體在電磁環境中所受的輻射，將三軸全向天線升高至1.7米高度并架設在每個測試點的中心位置，測試布置如圖5所示。測試系統布置完成后，利用SMR3006的積分功能測試出被測試頻段的電場強度。由于移動基站包含6個工作頻段，需在每個測試點就6個頻段電場強度進行測試，每次連續測量5次，測試時間大于15秒。按照圖3中標記的順序依次進行測試。

圖5 測試布置圖

對于電場強度，由于被測環境中基站包含6個頻段且每個頻段包含多個頻率。根據GB8702-884.2評價方法的要求，利用SRM3006儀器的積分功能測量出單獨每個頻段的積分場強值。再將每個測試點六個頻段電場強度數據利用式（2）將六個頻段電場強度對限值歸一化并求和，所得的電場強度的測試結果如圖6（a）所示，九個典型位置所得的結果遠遠小于限值1，滿足標準的要求。

圖6 （a）電磁強度與限值的比值

圖6 （b）功率譜密度

利用式（1），將電場強度轉換為功率譜密度，結果如圖6（b）所示，功率譜密度遠低于限值的1/5。根據Frris傳輸方程，可知輻射功率P∝1/d2隨著距離的增加輻射減弱。為進一步明確移動基站電磁輻射特性，本文從橫向和縱向兩個方面對測試數據進行分析。

橫向分析：選取相同樓層不同位置的測試點分析。測試點2（6層樓梯拐角）、3（601）、1（6層會議室）三個測試點逐漸靠近A移動基站，輻射功率增強，其中測試點2輻射較強是因同時包含了B辦公樓基站的影響。測試點5（5層樓梯拐角）、測試點6（501）、測試點4（5層會議室）為辦公樓五層逐漸靠近基站的三個測試位置，輻射強度變化規律與6層相同。測試點9（302）、7（303）、8（304）是三層逐漸靠近A基站天線的三個測試位置，由于低樓層存在反射和建筑物遮擋等原因，輻射強度不完全符合Frris公式。

縱向分析：選取位置相同而樓層不同的測試點分析。測試點2（6層樓梯拐角）與5（5層樓梯拐角）、測試點3（601）與6（501）、測試點1（6層會議室）與4（5層會議室），對比三組數據，可知均隨著樓層的降低，距離變遠而輻射呈減弱趨勢。

4 結束語

本文通過選取典型的測試地點，分析了移動基站對周圍電磁環境的影響和輻射傳播特性。此辦公樓附近基站對電磁環境的影響很小，遠低于GB8702-88中電磁環境安全限值。由于實際環境中存在遮擋、多徑效應等原因，輻射并不完全遵循Frris公式。