復(fù)雜環(huán)境下的基站電波輻射測量與研究

范 瑜，潘啟勇，馮靜靜

（常熟理工學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

從麥克斯韋建立完整的電磁場理論并預(yù)言電磁波的存在，到赫茲證實(shí)電磁波的存在，迄今不過100多年的時(shí)間，電磁波的應(yīng)用已經(jīng)滲透到日常生活的各個(gè)方面.日常使用的許多家用電器都是工頻電磁場發(fā)射源；而廣播及電視發(fā)射塔、雷達(dá)、移動(dòng)電話及基站、微波爐、電子防盜系統(tǒng)等則是環(huán)境中常見的射頻電磁場發(fā)射源［1,2］.

由于實(shí)際環(huán)境中存在復(fù)雜的影響電波傳播的因素，增大了對(duì)電波傳播研究的難度，所以實(shí)地測試顯得尤為重要.使用場強(qiáng)儀可以方便地對(duì)電磁波進(jìn)行現(xiàn)場測量研究，分析電磁波傳播的規(guī)律特性，從而解決實(shí)際應(yīng)用中的問題.

本文基于便攜式高頻場強(qiáng)儀對(duì)手機(jī)基站信號(hào)進(jìn)行了實(shí)地測量與研究分析，給出了大型建筑物基站輻射強(qiáng)度分布與室內(nèi)外輻射對(duì)比等實(shí)測數(shù)據(jù)，分析了電波輻射對(duì)人體的影響.

1 便攜式場強(qiáng)儀的使用

場強(qiáng)儀是測量場強(qiáng)的儀器，以μ V/m為單位.從原理上來說，場強(qiáng)儀所量度的電壓（或叫電勢）是天線在空中某一點(diǎn)感應(yīng)的電壓.嚴(yán)格來說，場強(qiáng)儀由電平表和天線組成.

就場強(qiáng)儀來說，它與天線關(guān)系非常密切，它直接與天線增益Ga有關(guān)，也與天線的工作頻率范圍有關(guān)，這種天線稱之為測試天線，具體形式有鞭狀天線，半波振子天線，對(duì)數(shù)周期天線，環(huán)行天線等.當(dāng)天線在空中與被測信號(hào)極化方向相同時(shí)，取得最大感應(yīng)信號(hào)，一般可用射頻(RF)的有效值型電平表(電壓表)來測量.電平表一般以分貝(dB)作單位，如dBmV，場強(qiáng)儀上一般簡寫為dBm［3-5］.

Protek 3200系列的場強(qiáng)儀是功能強(qiáng)大的手持式射頻場強(qiáng)分析儀，常用于測量分析與優(yōu)化無線電設(shè)備.場強(qiáng)儀采用合成方法，其寬帶接收范圍為100kHz到2.9GHz，可解調(diào)窄帶調(diào)頻（NFM），寬帶調(diào)頻（WFM），AM和單邊帶（SSB）調(diào)制信號(hào).

Protek 3200系列提供了強(qiáng)大的場強(qiáng)功能和友好的人機(jī)操作界面，支持RS 232C串行通訊和GUI圖形用戶界面（見圖1）.這樣，連接電腦后用戶可以基于PC機(jī)控制場強(qiáng)儀進(jìn)行測量，轉(zhuǎn)換或保存數(shù)值或圖形，導(dǎo)出原始測量數(shù)據(jù)供專業(yè)數(shù)學(xué)軟件進(jìn)行分析與研究.

2 基站電波輻射測量與研究

圖1 Protek 3200系列射頻場強(qiáng)分析儀GUI運(yùn)行界面

本文使用Protek 3200系列場強(qiáng)儀，對(duì)常熟理工學(xué)院東湖校區(qū)逸夫圖書館進(jìn)行相關(guān)測量，選取頻段800MHz～900MHz.圖書館外部與內(nèi)部每一面各取5個(gè)點(diǎn)、共20個(gè)測試點(diǎn).在實(shí)地測量的基礎(chǔ)上，分析圖書館內(nèi)、外與圖書館四周電磁輻射場強(qiáng)分布的特點(diǎn)，初步研究建筑物對(duì)電磁輻射的影響，包括衰減量、影響的范圍以及圖書館內(nèi)外部通信質(zhì)量問題，初步分析了電磁輻射強(qiáng)度與人體健康的關(guān)系.圖2是圖書館的環(huán)境平面圖，該建筑物高約20m，距發(fā)射天線約300m，基站高約30m.考慮到實(shí)際環(huán)境中電波傳播的復(fù)雜性，我們選取813.75MHz和814.375MHz兩個(gè)頻率點(diǎn)進(jìn)行測量.

把圖書館樓頂?shù)膱鰪?qiáng)近似看作是周圍無建筑物遮擋時(shí)的場強(qiáng)值，對(duì)比圖書館樓底西側(cè)、樓底東側(cè)與樓頂場強(qiáng)數(shù)據(jù)如表1所示：

從表1中可以看出，圖書館樓底西側(cè)場強(qiáng)相對(duì)于樓頂場強(qiáng)衰減量大約為15dB左右.可見由于北食堂的阻擋輻射場有衰減，經(jīng)過圖書館幾道墻壁的阻擋，圖書館東側(cè)的輻射場衰減很大，樓頂比較電磁波的衰減大約為25dB左右.同時(shí)也可以看出，在個(gè)別位置，由于周邊建筑物的反射和散射等因素，信號(hào)強(qiáng)度會(huì)有明顯的變化.

建筑物后影響的范圍顯然與建筑物的線度、建筑物至發(fā)射天線的距離及發(fā)射天線的高度等因素有關(guān).圖書館東側(cè)場強(qiáng)的衰減主要是繞射波和反射波，離建筑物越遠(yuǎn)繞射越強(qiáng).由于高頻電磁波的波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于建筑物的線度，傳播中遇到建筑物時(shí)繞射的能力很差，經(jīng)過建筑物幾道墻壁的反射和衰減，建筑物后的輻射場衰減很大.把圖書館樓頂?shù)膱鰪?qiáng)近似看作是周圍無建筑物遮擋時(shí)的場強(qiáng)值，電磁波從出發(fā)經(jīng)過北食堂的阻擋衰減10dB左右，再經(jīng)過圖書館的阻擋衰減15～20dB左右，到達(dá)圖書館東側(cè)的電磁波衰減20～35dB，信號(hào)在空間會(huì)有至少10dB的幅度波動(dòng).

圖書館四周外側(cè)與內(nèi)測場強(qiáng)如表2和表3所示.

由以上看出圖書館室內(nèi)比室外信號(hào)弱很多.圖書館某些角落信號(hào)比外部信號(hào)衰減了40dB.從測量數(shù)據(jù)可見由于圖書館自身原因（如墻體較厚、面積較大、樓層較高等），存在某些網(wǎng)絡(luò)覆蓋的盲區(qū)或信號(hào)比較差的區(qū)域.移動(dòng)通信技術(shù)正在迅猛發(fā)展，對(duì)通信質(zhì)量的要求也不斷提高，若經(jīng)常發(fā)生手機(jī)通話中掉線或者無法接通，就必須考慮利用室內(nèi)覆蓋技術(shù)增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度.室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)根據(jù)覆蓋區(qū)域的具體情況，可以綜合考慮使用組合無源、有源、光纖、泄漏等方式.在實(shí)際使用中室內(nèi)分布系統(tǒng)可使微蜂窩覆蓋范圍增至幾十層樓左右，如果加裝干線放大器，覆蓋范圍還可大幅度增加.

圖2 圖書館及周邊建筑分布圖

表1 圖書館附近場強(qiáng)數(shù)據(jù)

表2 圖書館東墻及南墻內(nèi)外場強(qiáng)對(duì)比表

根據(jù)《中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境電磁波衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB9175-88），對(duì)微波電磁輻射，以功率密度微瓦/平方厘米（μW/cm2）作為計(jì)量單位，國家一級(jí)（安全區(qū)）10μ W/cm2的限值，適用于一切人群經(jīng)常居住和活動(dòng)場所的環(huán)境電磁輻射，不包括職業(yè)輻射和射頻、微波治療需要的輻射.

通過實(shí)測數(shù)據(jù)可見，圖書館周圍頻率為800MHz～900MHz間的電磁場強(qiáng)很低，由于電磁輻射強(qiáng)度與發(fā)射功率成正比，而與距離的平方成反比，因此圖書館周圍的功率密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于10μW/cm2，是絕對(duì)安全的.電磁波在空中傳播衰減很快，而且當(dāng)電磁波穿過墻壁時(shí)一般要衰減10～30dB左右.因此，將基站天線建在一般住宅樓頂，對(duì)宅內(nèi)居民也是安全的.

從國外測量結(jié)果看，在最壞的情況下，即樓頂天線以最大功率輻射，而屋頂頂層的衰減系數(shù)極小時(shí)，在頂層樓內(nèi)的功率密度低于0.1μW/cm2.一般正常情況下，頂層樓內(nèi)的功率密度低于1μW/cm2.因此，基站輻射是低強(qiáng)度的，是安全和可以接受的［6-9］.

各種電子設(shè)備和產(chǎn)品在使用過程中，都會(huì)釋放出電磁波，當(dāng)電磁輻射達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)會(huì)對(duì)人體的健康產(chǎn)生影響.電磁輻射對(duì)人體健康的影響主要有兩方面：軀體熱效應(yīng)和神經(jīng)效應(yīng).由于頻率的不同，電磁輻射對(duì)人體的影響也有所不同，低頻電磁輻射對(duì)人體的影響以神經(jīng)效應(yīng)為主，高頻電磁輻射對(duì)人體的影響以熱效應(yīng)為主.人類長期生活在電磁環(huán)境中，任何電器只要通上電流就有電磁輻射，但并非所有的電磁輻射都會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害，關(guān)鍵是要把電磁輻射控制在安全范圍內(nèi).

表3 圖書館西墻與北墻內(nèi)外場強(qiáng)對(duì)比表

3 結(jié)束語

本文介紹了基于Protek 3200系列場強(qiáng)儀測量學(xué)校圖書館周圍電磁場的強(qiáng)度，并通過分析圖書館各個(gè)方位的場強(qiáng)差異及圖書館外部與內(nèi)部的場強(qiáng)差異，研究建筑物對(duì)電磁波傳播的影響，以及建筑物內(nèi)外信號(hào)通暢問題的解決方法.

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