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无线网络电磁辐射环境的定量分析和测试

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来源: 作者: 2018-12-27 18:32:11

作者:陆绮荣 董茂春 顾炳根

随着现代科技的高速发展,人们对通信的需求日益增强,无线通信络无疑是通信事业中发展最快的,但是也引来一个有争议的问题,无线络的电磁辐射有多大,是否对人有伤害?本文旨在从专业角度客观地对无线络的电磁辐射进行分析和研究。

无线通信络辐射源及特点

一般来说,在无线通信络中,基站发射系统、卫星地球通信站、移动台(,小灵通等)、无线路由器、无线AP,都是可以产生各种形式、不同频率、不同强度的电磁辐射源。

电磁辐射场区可分为近区场和远区场。通常,对于电压高电流小的场源(如发射天线、馈线等),电场要比磁场强得多;对于电压低电流大的场源(如某些感应加热设备的模具),磁场要比电场大得多。远区场为弱场,其电磁场强度均较小。所以,对于一个固定的可以产生一定强度的电磁辐射源来说,应注意电磁辐射近区场的防护,包括对作业人员及处在近区场环境内人员的防护,和对位于近区场内的各种电子、电气设备的防护。而在远区场,通常对人的危害较小,这时应该考虑的主要因素就是对信号的保护。

无线通信络电磁辐射伤害定量分析

辐射伤害分为游离辐射伤害和非游离辐射伤害。当高能量电磁波把能量传给其他物质时,有可能撞出该物质内原子、分子的电子,使物质内充满带电离子,这种效应称为“游离化”,游离化电磁波产生的伤害就称为游离辐射伤害,游离辐射伤害会与身体内的物质抢夺电荷,产生离子破坏生理组织。非游离辐射伤害分为热效应的非游离辐射伤害和无热效应的非游离辐射伤害,非游离伤害为一中低能辐射,产生的能量不打断分子键或使原子游离。其特点如表1所示。

辐射伤害分为游离辐射伤害和非游离辐射伤害。当高能量电磁波把能量传给其他物质时,有可能撞出该物质内原子、分子的电子,使物质内充满带电离子,这种效应称为“游离化”,游离化电磁波产生的伤害就称为游离辐射伤害,游离辐射伤害会与身体内的物质抢夺电荷,产生离子破坏生理组织。非游离辐射伤害分为热效应的非游离辐射伤害和无热效应的非游离辐射伤害,非游离伤害为一中低能辐射,产生的能量不打断分子键或使原子游离。其特点如表1所示。

表1 游离辐射和非游离辐射伤害特性

由表1看出,产生游离辐射伤害的电磁波频段是1012~1024Hz,而无线通信络中使用的频段为150MHz、450MHz、800MHz、1.9GHz、2.4GHz、3.5GHz及5GHz或更高频段,所使用的频段全落在了非游离伤害所属的频率范围内,远低于1012Hz,所以无线通信络中的电磁辐射不会对人体产生游离辐射伤害,仅对人体产生非游离辐射伤害。

热效应定量分析

人体是一个有机的生物体,时刻都在进行着新陈代谢,新陈代谢产生热量可以使人体体温维持在正常的温度范围内,以保证人体生理系统的正常生理机能。生理学研究表明,人体新陈代谢产生热量约为100W,人身体表面积约为2m2,若人体要保持温度平衡,则人体要向外辐射能量的功率大小也应该为100W,即人体平均散热功率为:

而人体对微波的吸收约为50%,所以,当辐射场强功率大于10mW/cm2时,人体吸收辐射平均功率也大于5mW/cm2,这时人体平均散热功率小于人体吸收辐射平均功率,多余的能量回存在体内,造成对人体的伤害。故辐射功率密度伤害规格为8~10mW/cm2。

单一辐射场强密度与安全滞留时间

由于无线通信络的射频辐射伤害具有累积效应,所以当处于射频辐射下时,人体是不会立即受到伤害的,只有随时间推移,累积到一定程度时才会对人体造成伤害。这个累积过程为安全滞留时间。按ANSI(American National Security Institute)规定,辐射场强密度(mW/cm2)与安全滞留时间T的关系为 :

其中,K1为频段内场强密度规格值,与频率关系如图1所示,对某频率是一定值。K2为该频段场强密度现场测量值,场强密度的现场测量值越大,安全滞留时间T越短;反之测量值越小,安全滞留时间T越长。

图1 场强密度规格值与频率曲线图

多个不同频段辐射源安全滞留时间

多个频段辐射源下,安全滞留时间为单一辐射源安全滞留时间和。测量场强密度及测量频率如表2所示。

表2 多个频段的测量场强密度及测量频率

则安全滞留时间如下式。

射频辐射的定量分析

在无线通信络中,、小灵通、笔记本电脑移动台是离使用者最近的辐射体,本文以为例定量分析对人体的辐射。

辐射伤害的电性参数

设辐射场强密度为E(V/m),辐射功率为P(W),辐射天线增益比值为G,距头部的距离为R(m)。则E可表示为:

天线为单棒状无方向性天线,故其增益为0dB,增益比值为1;R一般为3cm。

辐射伤害大小是通过辐射功率密度K大小来度量的:,Z=377 Ω,为空间阻抗欧姆,故P越大,E也越大,伤害也越大。

同时,在定量分析辐射伤害情况要判定辐射伤害是属于远场辐射还是近场辐射伤害,判断的临界标准为。

当时,为远场辐射伤害;当时,为近场辐射伤害。计算近场辐射伤害时,辐射场强密度要考虑静电场和感应场。

1800 MHz/900MHz的辐射情况分析

使用1 800MHz,若发射功率为0.55W,增益比值为1,距头部的距离为3cm,

为远场辐射,在定量分析辐射伤害情况时不需要考虑静电场和感应场,则辐射场强密度为

,辐射功率密度,

从图1查出对应的单一辐射场强密度规格值为10mW/cm2,安全滞留时间如下式。

使用900 MHz,与1 800 MHz同样条件下,

为近场辐射,在定量分析时要考虑静电场和感应场,实际的辐射场强密度E2>E1,相应的辐射功率密度K2也大,从图1查出对应的单一辐射场强密度规格值为3mW/cm2,安全滞留时间如下式。

如果在邻近墙角或有反射体的环境中使用,因反射增强,辐射强度也增强一倍,安全时间还会减少一半。

基站辐射的定量分析

与一样,基站的辐射强度也与发射机器输出平均功率PAV、基站天线增益比值和人与基站的距离R相关,表示为:。在分析基站辐射伤害特性时,用安全滞留距离R来衡量。

若GSM900发射机输出平均功率200W,基站天线增益比值为13.7,安全辐射密度为4.5 W/m2,基站的辐射强度如下式。

已知GSM1 800发射机器输出的平均功率为200W,基站天线增益比值为13.7,安全辐射密度为9W/m2,则基站的辐射强度如下式。

从上面分析结果看,无论是还是基站,GSM900系统的伤害都大于GSM1 800系统的伤害。

无线通信络电磁辐射的测试

以广西壮族自治区辐射环境监督管理站对某通信有限公司基站测试过程和数据为例,测试方法如下。

测试点选择

沿天线的主向按一定的间距由里向外布设,其余的则以天线为中心呈放射状向外布设。在人群出现较多的地方适当增加监测点数。监测项目及监测方法

根据HJ/T10.辐射环境保护管理导则—电磁辐射,对环境电磁辐射功率密度监测。

监测条件和监测仪器

在无雨的天气条件下,选择移动通信高峰时段,移动通信基站正常运行状态下监测。测量仪器采用意大利PMM公司生产的电磁辐射分析仪。

评价标准

(1)《电磁辐射防护规定》(GB):在一天24h内,环境电磁辐射场的场量参数在人员连续6min内的平均值应满足表3的要求。

表3 公众照射导出限值

(2)《电磁辐射环境影响评价方法和标准》(HJ/T10.):公众总的受照射剂量包括各种电磁辐射对其影响的总和,即包括拟建设施可能或已造成的影响,还包括已有背景电磁辐射的影响。总的受照射剂量限值不应大于国家标准《电磁辐射防护规定》(GB)的要求。

监测结果及分析

移动通信机站及其周围环境电磁辐射监测结果如表4所示。

表4 环境电磁辐射监测结果统计表(节选)

可以看出,各监测点的环境电磁辐射功率密度均低于国家规定的标准限量。

应对无线通信络电磁辐射的措施

监测报告表明,无线通信络中的电磁辐射比国家规定的标准限量低很多,大可放心使用,从防护角度出发,可以通过一些方法有效地减少无线通信络辐射的伤害。

严格频率管理,规范电磁辐射设备设置

各类无线电发射设备和电磁辐射装置必须符合国家相关技术指标要求,还必须符合电磁辐射防护规定的国家标准,达到公众和职业照射标准的要求,使电磁辐射对人体的影响减到最小。

严格大功率短波长无线电台站审批

电磁辐射的波长越短、人体吸收的电磁波功率越大和被电磁波照射的时间越长,电磁波对人体的影响就越大。所以应从根本上关注大功率、短波长电磁波辐射设备和被电磁波照射的时间问题。

移动用户注意问题

(1)使用时,不要紧贴耳部,尽量保持天线距离耳部3cm以上的距离。(2)在弱信号区因会自动调高天线发射功率而增加辐射伤害机率,因此尽量避免在弱信号区通话。(3)由于人体处于电磁辐射下,存在安全时间滞留时间,所以要尽量减少通话时间,长话短说,既安全又省钱。(尹阜琪)

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