大功率中短波廣播天線電磁輻射的預(yù)測(cè)與防護(hù)

唐章宏，王群，冀志江，施楣梧

（1.北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100124； 2.綠色建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024；3.總后勤部軍需裝備研究所，北京 100088）

引言

為估算輻射體對(duì)環(huán)境的影響，HJ/T 10.2 -1996《輻射環(huán)境保護(hù)管理導(dǎo)則-電磁輻射環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn)》給出了典型的中波和短波發(fā)射臺(tái)站發(fā)射天線對(duì)環(huán)境輻射的電場(chǎng)強(qiáng)度的理論計(jì)算公式[1]，運(yùn)用該公式計(jì)算天線遠(yuǎn)場(chǎng)的電磁輻射時(shí)，需要有發(fā)射天線高度因子、發(fā)射天線垂直面方向性函數(shù)等準(zhǔn)確參數(shù)。然而，在進(jìn)行相關(guān)電磁輻射環(huán)境影響評(píng)價(jià)時(shí)，很難獲取這些準(zhǔn)確參數(shù)。因此實(shí)際預(yù)測(cè)這類大功率中短波天線的電磁輻射時(shí)，通常采用的是簡(jiǎn)化的舒來依金-范德波爾公式[2-4]。該公式近似認(rèn)為發(fā)射天線高度因子為1.2，發(fā)射天線垂直面方向性函數(shù)為1，這樣導(dǎo)致預(yù)測(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度與空間高度無關(guān)。另一方面，實(shí)際大功率中短波天線附近的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，不同樓層電場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量結(jié)果有較大波動(dòng)，因此采用簡(jiǎn)化公式預(yù)測(cè)大功率中短波天線附近建設(shè)項(xiàng)目的電場(chǎng)強(qiáng)度已經(jīng)不能滿足要求[3-4]。為更準(zhǔn)確預(yù)測(cè)大功率中短波天線輻射的電場(chǎng)強(qiáng)度，給出天線附近建設(shè)項(xiàng)目不同樓層的電場(chǎng)強(qiáng)度，本文基于電基本振子遠(yuǎn)場(chǎng)偶極子電場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算公式，通過積分方法計(jì)算出整個(gè)天線在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)任意點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)天線的輻射功率反推天線的電流幅值，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)任意點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算并獲得建設(shè)項(xiàng)目所在區(qū)域不同樓層的電場(chǎng)強(qiáng)度分布和等標(biāo)污染指數(shù)分布。根據(jù)電場(chǎng)強(qiáng)度分布和等標(biāo)污染指數(shù)分布對(duì)建設(shè)項(xiàng)目所在區(qū)域的電磁環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)，并結(jié)合建設(shè)項(xiàng)目的施工特點(diǎn)，提出電磁環(huán)境防護(hù)措施，并利用實(shí)際測(cè)試結(jié)果對(duì)這一防護(hù)措施進(jìn)行了驗(yàn)證，表明這個(gè)防護(hù)措施行之有效。

1 中短波廣播天線遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算

圖1 中波天線電示意圖

大功率中波廣播的發(fā)射天線一般采用單塔天線，天線高度通常為0.3～0.5λ[5]。由于單塔天線直立與地面，輻射垂直極化波，其在垂直面內(nèi)的大部分能量，沿地面?zhèn)鞑?，只有小部分能量以不同仰角向天空輻射，遠(yuǎn)小于地波場(chǎng)強(qiáng)，因此從電磁輻射防護(hù)角度來說只需考慮地波電場(chǎng)強(qiáng)度。

圖1 為中波單塔天線示意圖，圖中xy 為地平面，天線高度為h，在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，即

式中：λ 為電磁波波長(zhǎng)，k 為波數(shù)，k=2π/λ，I 為電基本振子的電流幅值，l 為基本振子的長(zhǎng)度。

對(duì)式在天線長(zhǎng)度方向上積分即得天線的總輻射場(chǎng)：

式中

稱為天線的方向因子。

短波天線則利用電離層反射，以天波方式進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳播。因此短波天線的對(duì)稱振子水平放置，使得電磁波水平極化，以一定仰角向天空輻射。此時(shí)，可以把地面看作理想導(dǎo)體，因?yàn)榇蠖鄶?shù)情況下水平極化波地面反射系數(shù)都接近-1，可用地面下的負(fù)鏡像天線來代替地面對(duì)輻射的影響。此時(shí)短波天線的方向圖為[5]：

通常情況下，在短波天線一面加裝反射器，反射器的激勵(lì)使得正方向反射器和天線的場(chǎng)強(qiáng)同相，而在相反的方向反射器和天線的場(chǎng)強(qiáng)反相，互相抵消。由于有了反射器，方向圖變成了單方向，而且在正方向，場(chǎng)強(qiáng)大約增加到倍，這樣，加裝反射器后短波天線正方向的輻射電場(chǎng)強(qiáng)度為：

以上分析僅考慮地面對(duì)中波電磁波無反射、對(duì)短波電磁波全反射的情況，實(shí)關(guān)[8]：

式中

RH和RV分別為水平極化波和垂直極化波的反射系數(shù)。對(duì)于中波天線，其輻射的電磁波為垂直極化波，因此其反射系數(shù)如式（8）所示；對(duì)于中波天線，其輻射的電磁波為垂直極化波，因此其反射系數(shù)如式（9）所示。最終觀測(cè)點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度為天線輻射場(chǎng)強(qiáng)與地面反射場(chǎng)強(qiáng)的疊加。

2 中短波廣播天線電流幅值計(jì)算

評(píng)價(jià)中短波廣播天線附近建設(shè)項(xiàng)目所在區(qū)域的電磁環(huán)境時(shí)，通常能獲取的資料僅限于天線的工作頻率、尺寸、輻射功率P 等參數(shù)，因此需要根據(jù)天線的輻射功率P 來計(jì)算其電流幅值I。

考慮天線有效輻射面為地面以上的半個(gè)球面，遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)天線穿過整個(gè)半球面的輻射功率與電場(chǎng)強(qiáng)度有以下關(guān)系：

將式代入并整理得：

式中

3 多天線綜合場(chǎng)強(qiáng)與等標(biāo)污染指數(shù)計(jì)算

如果有多幅中波天線或短波天線，可先分別計(jì)算單幅天線的電磁輻射，然后根據(jù)下式進(jìn)行矢量疊加并計(jì)算其幅值：

如果有多幅中波天線和短波天線同時(shí)工作，由于其工作頻率有很大差異，電磁輻射不能再按照矢量進(jìn)行疊加，一種近似計(jì)算方法是按功率進(jìn)行疊加計(jì)算綜合場(chǎng)強(qiáng)：

并按以下公式計(jì)算其等標(biāo)污染指數(shù)[6]：

式中Ai為第i 個(gè)頻段輻射體輻射場(chǎng)的場(chǎng)量參數(shù)在任意連續(xù)6 分鐘內(nèi)的平均值，Bi為于第i 個(gè)頻段輻射的電磁輻射場(chǎng)的導(dǎo)出限值。待評(píng)價(jià)區(qū)域達(dá)標(biāo)須滿足等標(biāo)污染指數(shù)SPI ≤1 。

4 某典型區(qū)域電磁環(huán)境預(yù)測(cè)

表1 為某中短波廣播發(fā)射臺(tái)的天線參數(shù)，可以看出有4 幅天線，中波、短波天線各兩幅。

在天線群以北有擬建項(xiàng)目，各天線與擬建項(xiàng)目的相對(duì)位置關(guān)系如圖2 所示，圖中各位置坐標(biāo)單位為m。

根據(jù)表1 所示的天線參數(shù)和圖2 所示的各天線與擬建項(xiàng)目的相對(duì)位置關(guān)系即可預(yù)測(cè)擬建項(xiàng)目所在的電場(chǎng)強(qiáng)度。圖3 所示為高度1.7 m 時(shí)建設(shè)項(xiàng)目所在區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖。圖中等位線值的單位為V/m。

圖3 可以看出，在高1.7 m 的地面，擬建項(xiàng)目大部分區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度接近10 V/m，區(qū)域東西邊界由于距離天線較近，其值超過11 V/m。圖4 為同一高度等標(biāo)污染指數(shù)分布圖。

表1 某中短波廣播發(fā)射臺(tái)的天線參數(shù)

可見，在高1.7 m 的地面，擬建項(xiàng)目所有區(qū)域等標(biāo)污染指數(shù)均小于1，即全部達(dá)標(biāo)。但另一方面，由于擬建項(xiàng)目西邊接近短波天線的發(fā)射方向，其等標(biāo)污染指數(shù)已接近1，因此需要采取有效的防護(hù)措施以降低建筑物室內(nèi)電磁輻射。

5 輻射嚴(yán)重區(qū)域的電磁防護(hù)措施

針對(duì)擬建項(xiàng)目所在區(qū)域部分位置電磁輻射接近標(biāo)準(zhǔn)限值的問題，提出采用鋼筋組成的金屬網(wǎng)孔嵌入墻體水泥內(nèi)以實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物室內(nèi)的電磁屏蔽，從而減少室內(nèi)的電磁輻射?？刹捎玫刃鬏斁€法近似計(jì)算金屬網(wǎng)孔的屏蔽效能[7]：

式中Aa、Ra、Ba分別為孔的傳輸損耗、孔的單次反射損耗和多次反射損耗；K1、K2、K3分別為與孔個(gè)數(shù)有關(guān)的修正項(xiàng)、由趨膚深度不同引入的低頻修正項(xiàng)、由相鄰孔間相互耦合而引入的修正項(xiàng)。

由于采用鋼筋組成的金屬方形網(wǎng)孔，對(duì)以上參數(shù)選擇適用于方形網(wǎng)孔的計(jì)算公式，再利用式（17）即可計(jì)算給定孔徑大小和頻率下的屏蔽效能。表2 給出了不同電磁波頻率下不同方孔孔徑金屬網(wǎng)孔的屏蔽效能。

表2 中可以看出，同樣孔徑大小的金屬網(wǎng)孔，電磁波頻率越低，屏蔽效能越大；同樣，相同頻率的電磁波，金屬網(wǎng)孔孔徑越小，屏蔽效能越大。

由于實(shí)際存在4 個(gè)頻率的中短波，金屬網(wǎng)對(duì)電磁波的屏蔽是對(duì)多個(gè)波段電磁波屏蔽的綜合效果。

圖2 各天線與擬建項(xiàng)目的相對(duì)位置關(guān)系

圖3 高度1.7m 時(shí)建設(shè)項(xiàng)目附近電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖（電場(chǎng)強(qiáng)度單位：V/m）

圖4 高度1.7m 建設(shè)項(xiàng)目附近等標(biāo)污染指數(shù)分布圖

表2 不同網(wǎng)孔金屬網(wǎng)對(duì)不同頻率電磁波的屏蔽效能 (dB)

為更清楚了解金屬網(wǎng)對(duì)電磁波的屏蔽，在該廣播發(fā)射臺(tái)附近某棟6 層居民樓樓頂實(shí)際搭建鋼管，模擬建筑物內(nèi)的金屬網(wǎng)，對(duì)屏蔽前后同一位置的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試儀器采用EMR-300 綜合場(chǎng)強(qiáng)儀，如圖5 所示。假設(shè)其他輻射源的電磁波與該廣播發(fā)射臺(tái)輻射的電磁波按功率密度疊加，則利用綜合場(chǎng)強(qiáng)儀進(jìn)行測(cè)試時(shí)，根據(jù)場(chǎng)強(qiáng)讀數(shù)計(jì)算屏蔽效能的公式為：

式（18）中E0為讀入的背景電場(chǎng)強(qiáng)度，即非廣播發(fā)射臺(tái)天線輻射的電場(chǎng)強(qiáng)度。為獲得背景電場(chǎng)強(qiáng)度，選取遠(yuǎn)離廣播發(fā)射臺(tái)的地點(diǎn)用相同儀器測(cè)試了一組電場(chǎng)強(qiáng)度取其平均，作為背景電場(chǎng)強(qiáng)度，為0.87 V/m。式中E1和E2分別為鋼管屏蔽前后的讀入的電場(chǎng)強(qiáng)度。

表3 為搭建不同鋼管孔徑時(shí)測(cè)試的屏蔽前后的電場(chǎng)強(qiáng)度值。

考慮背景電場(chǎng)強(qiáng)度為0.87 V/m，利用公式可計(jì)算出不同孔徑鋼管的屏蔽效能如表4 所示。

表4 結(jié)果可以看出，在鋼管搭建的金屬網(wǎng)孔徑為1 m×0.75 m 時(shí)，其綜合屏蔽效能達(dá)到7.7 dB。對(duì)圖5 所示的不同高度的場(chǎng)強(qiáng)分布最高點(diǎn)11.6 V/m，經(jīng)過1 m×0.75 m 孔徑的金屬網(wǎng)孔屏蔽后，電場(chǎng)強(qiáng)度降為4.8 V/m，遠(yuǎn)低于4 個(gè)中短波任何頻段對(duì)應(yīng)的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)?？梢娞岢龅牟捎娩摻罱M成的金屬網(wǎng)孔嵌入墻體水泥內(nèi)以實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物室內(nèi)的電磁屏蔽這一防護(hù)措施是行之有效的。并且，在現(xiàn)代建筑的實(shí)際工程中，為增加墻體強(qiáng)度，在墻體內(nèi)布置的鋼筋甚至比1 m×1 m 孔徑的鋼筋金屬網(wǎng)更密集，因此在墻體內(nèi)布置1 m×1 m 孔徑的鋼筋金屬網(wǎng)不會(huì)額外增加太多建設(shè)成本。

工程實(shí)施上，需要金屬網(wǎng)相互導(dǎo)通，否則金屬網(wǎng)的有效孔徑不能保證，可通過焊接或編織的方法保證縱橫金屬網(wǎng)相互導(dǎo)通。在此基礎(chǔ)上，利用水泥將鋼筋網(wǎng)固定，使得鋼筋網(wǎng)既能承重，又具有電磁屏蔽的功能。此外，考慮到窗戶口徑為2 m×2 m 或更大，即使墻體能實(shí)現(xiàn)很好的屏蔽，發(fā)射臺(tái)輻射的電磁波還可以從窗戶泄露到室內(nèi)，針對(duì)這一問題的解決措施是在窗外加裝防盜網(wǎng)形式的鋼筋網(wǎng)，孔徑為1 m×1 m 或更小，且保證窗外與墻體內(nèi)的鋼筋網(wǎng)相互導(dǎo)通。

表3 不同孔徑鋼管電磁強(qiáng)度測(cè)量值

表4 不同孔徑鋼管(鐵絲網(wǎng))的屏蔽效能

6 結(jié)論

圖5 不同孔徑鋼管屏蔽效能的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

本文針對(duì)大功率中短波天線附近的擬建項(xiàng)目區(qū)域提出一套新的評(píng)價(jià)方法，該方法與HJ/T 10.2- 1996[1]《輻射環(huán)境保護(hù)管理導(dǎo)則-電磁輻射監(jiān)測(cè)儀器和方法》中的計(jì)算公式相比，考慮了天線方向圖，計(jì)算結(jié)果體現(xiàn)了建筑物高度不同帶來的差異，與實(shí)際更吻合。該評(píng)價(jià)方法成功運(yùn)用到一典型中短波發(fā)射臺(tái)附近擬建項(xiàng)目區(qū)域的電磁環(huán)境評(píng)價(jià)。針對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)域電磁輻射超標(biāo)的問題，分別針對(duì)墻體和窗戶提出一套加裝鋼筋金屬網(wǎng)的電磁防護(hù)措施，該方法行之有效且不會(huì)增加太多建設(shè)成本。數(shù)值計(jì)算估計(jì)和實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，提出的電磁防護(hù)措施有較好的屏蔽效能，能滿足超標(biāo)區(qū)域的電磁輻射降低到遠(yuǎn)低于4個(gè)中短波任何頻段對(duì)應(yīng)的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

[1]H J/T 10. 2- 1996,輻射環(huán)境保護(hù)管理導(dǎo)則-電磁輻射監(jiān)測(cè)儀器和方法[S].

[2]黃恒, 王東, 張金帆. 中波廣播電臺(tái)的電磁輻射環(huán)境影響分析[J].環(huán)境科學(xué)與管理, 2011, 36(4): 189-192,182.

[3]周楊, 趙福祥, 林炬等. 中短波廣播發(fā)射臺(tái)電磁輻射環(huán)境影響預(yù)測(cè)模型[J]. 環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與技術(shù), 2011, 23(1): 31-33.

[4]戈鶴山, 許寧, 謝明. 中波廣播電磁輻射環(huán)境影響水平預(yù)測(cè)模型的研究[J]. 衛(wèi)生研究, 2005, 34(5): 631-632.

[5]李孝勖. 廣播電視技術(shù)手冊(cè): 天線. 第7 分冊(cè), 第 7 卷[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社, 1995.

[6]GB 8702-88,電磁輻射防護(hù)規(guī)定[S].

[7]楊克俊. 電磁兼容原理與設(shè)計(jì)技術(shù)[M]. 北京:人民郵電出版社,2004.

[8]James C. Rautio, Ref lection coeffi cient analysis of the effect of ground on antenna patterns[J]. IEEE Antennas and Propagation Society Newsletter, February, 1987.