電信裝置射頻電磁場暴露評估方法與計算*

［談儒猛 武彤］

電信裝置射頻電磁場暴露評估方法與計算*

［談儒猛 武彤］

針對電信發(fā)射裝置給出了電磁場（EMF）人體暴露的基本評估程序和計算示例。詳細討論了電信裝置EMF暴露的評估要求、評估區(qū)域、評估方法（計算和測量）、評估程序和緩解技術，并結合應用實際給出簡單計算示例。為評判電信裝置是否符合EMF安全限值提供技術指導和方法學指南。

電磁場（EMF）人體暴露 符合性評估 計算

談儒猛

中國電信股份有限公司廣州研究院。

武彤

中國計量科學研究院。

1 引言

評估人體暴露于射頻電磁場（RF-EMF）的方法很多，每種方法各有所長又各有不足，如何根據實際情況選擇和使用合適的方法，在實踐中非常重要?；诋斍耙寻l(fā)布暴露符合性標準，為評估人體暴露于電信裝置周邊射頻電磁場提供技術指導和方法學指南。

2 EMF暴露限值

電磁場暴露的安全限值一般分為基本限值和參考（或導出）限值?；鞠拗狄?guī)定的是人體對電磁場生理反應的基本數(shù)量級?；鞠拗颠m用于身體處于場強中的情況。人體暴露的基本限值采用比吸收率（SAR）、比吸收能量（SA）和電流密度來表示。

由于基本量很難直接測出，所以大多數(shù)標準文件也給出了電場、磁場和功率密度的導出（參考）限值。不過有些情況下，EMF暴露產生的SAR、SA和感應電流密度可能會超過導出限值，但卻低于基本限值。導出限值適用于人身的存在不會影響電磁場的情況。

國際上，大多數(shù)標準文件使用兩套并行限值，其中非受控的/普通公眾的暴露限值要低于受控的/職業(yè)的暴露限值。

必須強調的是暴露限值不是發(fā)射限值；暴露限值適用于工作人員或普通公眾人員可到達的地點。因此，可以通過限制人員進入場強超出安全限值的地區(qū)來達到要求。

3 電信裝置EMF安全限值的符合性要求

為符合限值的要求，應采取以下步驟：

（1）確定適用的符合性限值。

（2）確認安裝設備是否需要進行EMF暴露評估。

（3）如果需要評估EMF暴露，可以采取計算或測量的方法。

（4）如果EMF暴露評估表明在人能夠到達的區(qū)域可能超出相關的暴露限值，則應采取緩解/防范措施。

3.1 確定電信裝置的評估必要性

本文中的電信裝置分為有意EMF發(fā)射器和無意EMF發(fā)射器。典型的有意發(fā)射器一般連接輻射電磁能量的天線。

3.1.1 無意發(fā)射器

無意發(fā)射器的雜散發(fā)射可能產生EMF。這些雜散發(fā)射的場強是由EMC發(fā)射標準來限制。通常，屬于無意發(fā)射器的電信設備產生的場強大大低于ICNIRP和國家標準規(guī)定的安全限值。EMC規(guī)定的限值低于EMF安全限值幾個數(shù)量級。即使設備在某些頻率上超過了EMC發(fā)射限值，經驗表明它所產生的場強仍然低于安全限值幾個數(shù)量級。所以，無意發(fā)射的電信設備不需要用EMF安全評估來確定是否符合EMF安全限值。

3.1.2有意發(fā)射器

有意發(fā)射器利用電磁場來進行信號傳輸。它們可能在某些區(qū)域產生超過安全限值的電磁場，取決于負載功率、增益、頻率和發(fā)射天線的方位和方向性。在決定是否需要以及采用何種適當?shù)脑u估方法進行暴露評估時，就需要考慮這些參數(shù)和安裝工作環(huán)境。本文按照暴露區(qū)域的劃分提供了一種風險評估方法。

3.2 EMF暴露的評估區(qū)域

如果已經確定由于有意發(fā)射器的存在而需要進行EMF暴露評估，則應在所有可能發(fā)生EMF人體暴露的區(qū)域進行暴露評估。評估目的是將可能的EMF暴露劃分為以下3種區(qū)域：

（1）符合區(qū)：可能的EMF暴露低于受控的/職業(yè)的暴露的適用限值，也低于非受控的/普通公眾的暴露的適用限值。

（2）職業(yè)區(qū)：可能的EMF暴露低于受控的/職業(yè)的暴露的適用限值，但超過了非受控的/普通公眾的暴露的適用限值。

（3）超標區(qū)：可能的EMF暴露超過了受控的/職業(yè)的暴露的適用限值，也超過了非受控的/普通公眾的暴露的適用限值。

對于多數(shù)裝置而言，超標區(qū)和職業(yè)區(qū)都是人員不能隨便進入的（例如人站在面對天線的方向），或只有在特殊情況下才能接近。本文提供的風險評估程序主要關注普通公眾的暴露和工作人員在正常工作中的暴露場如圖1所示。

圖1 暴露區(qū)域劃分示意圖

3.3 EMF暴露水平的評估程序

評估暴露水平必須考慮到：

（1）最壞的發(fā)射條件；

（2）不同頻率上同時存在的其它EMF源。所需考慮的技術參數(shù)如下：

（1）天線系統(tǒng)的最大EIRP2；

（2）天線增益G或相對數(shù)字增益F，包括最大增益和波束寬度；

（3）工作頻率；

（4）裝置的各種特性，例如天線位置、天線高度、波束方向和EMF人身暴露概率的評估。

為了運用上述評估方法和技術參數(shù)，需要先對電信裝置進行等級劃分，方法如下。

3.3.1 裝置的分類

將發(fā)射器裝置劃分為以下3種類型：

（1）固有符合型：固有安全源產生的電磁場在距離源幾厘米處符合相關的暴露限值。不需要采取特別的預防措施。

（2）正常符合型：正常符合型的裝置，其源產生的EMF可能超過相關的暴露限值。然而在裝置的正常運行中且這些源通常用于通信的時候，一般情況下，人員不可進入這些源的超標區(qū)。比如：充分高的塔上安裝的天線，或指向衛(wèi)星的窄波束地面站。對于這種正常符合型的裝置，靠近發(fā)射器的維護人員可能需要采取預防措施。

（3）暫時符合型：對于該類裝置要求采取特殊措施以符合限值。特殊措施見第5節(jié)。

3.3.2確定裝置類型的方法

每個裝置都應按第3.3.1節(jié)的定義類型分類。一般電信運營商使用的是有限組合的固定參數(shù)天線與配套設備。而且，多數(shù)發(fā)射器安裝地址及暴露條件可能類似。因此，可以規(guī)定一套參考配置、參考暴露條件及相應的關鍵參數(shù)以便于場地類型的劃分。

一種有效的方法如下：

（1）定義一套參考天線參數(shù)或天線類型。這些分類可以根據特定用途的發(fā)射器類型來定制。

（2）定義一套可達性條件。這些分類取決于人們對發(fā)射機附近不同區(qū)域的可達性而定。該分類可根據最常出現(xiàn)的提供特定服務或具有特定用途的安裝環(huán)境來定制。

（3）對于每一種參考天線參數(shù)和可達性條件的組合，確定一個EIRP閾值。該EIRP閾值（可記為EIRPth）對應著一定可達性條件下參考天線產生的功率密度或場的暴露限值。該閾值可以按第3.3.3節(jié)和第4節(jié)中介紹的計算或測量方法來確定。倘若類型劃分足夠充分，對于大多數(shù)裝置而言，該閾值只需確定一次。

（4）如果發(fā)射器屬于固有符合型，則該裝置源也屬于固有符合源。無需考慮其安裝方面問題。

（5）對于每一個站址，如果裝置滿足以下條件，則屬于正常符合型：

其中，EIRPi是頻率i下天線的瞬時平均輻射功率，EIRPTH，I是在特定天線參數(shù)和可達性條件下相應的EIRP閾值。對于多天線的裝置，必須區(qū)分以下兩個條件：

① 如果不同源的輻射方向圖具有重疊（根據半功率波束寬度來確定），則相應最大時間平均EIRP應滿足判據要求。

② 如果多源之間沒有交疊，則各源獨立考慮。

（6）凡是不滿足正常符合型條件的場地均被視為暫時符合型。

對于無法明確使用以上分類方法的場地，就需要采用額外的計算或測量方法。

3.3.3 EIRPth閾值的確定方法

（1）對特定天線，可能產生暴露的每一觀測點處，確定場強或功率密度。

（2）找出該裝置暴露區(qū)域內的最大功率密度Smax。

（3）公式Smax= Slim給出了EIRPth閾值，其中Slim是相應頻率下EMF暴露標準規(guī)定的相應限值。

該方法可以用第4.1節(jié)中的計算來實現(xiàn)，還可以用其他更精確的計算方法或測量方法實行。如果采用測量的方法，則需要在典型地點對每種可達性配置和天線類型的組合都進行測量。

4 EMF評估技術

本節(jié)給出了用于評估電信裝置電磁場的方法。

4.1 計算方法

本節(jié)給出基礎分析方法，各種情況下如何選擇EMF暴露預測的數(shù)學方法可參見文獻2。

4.1.1 感應近場區(qū)

在感應近場區(qū)，電場和磁場務必分開考慮。在沒有干擾電磁場分布的物體時，如果已知電流分量，可以用準靜態(tài)公式計算場強。

4.1.2 遠場區(qū)

以下給出了保守估算場強和功率密度值的方法。

對于單個輻射天線，在用角度θ（與仰角互補）和φ（方位角）表示的方向上產生的近似功率密度可以用以下公式進行計算：

其中：

S（R，θ，φ）是功率密度，單位為W/m2

f（θ，φ）是天線的相對場方向圖（0到1之間的正數(shù)）

EIRP 是天線的EIRP值，單位為W

ρ 是反射系數(shù)的絕對值（系數(shù)），考慮到地面反射波的影響。在某些情況下，反射波的暴露可能被阻擋，此時ρ應設置為0。

R 是輻射源中心點與假定被暴露人之間的距離

R’ 是輻射源中心點的鏡像與假定被暴露人之間的距離

在地面附近，帶撇號的變量與不帶撇號的變量近似相等，因此地面功率可用下式計算：

其中：

F（θ，φ）是相對全向輻射天線的相對數(shù)字增益（0到1之間的正數(shù)）

用傳導率σ、介電常數(shù)ε=κε0（ε0=真空介電常數(shù)，κ=相對介電常數(shù)）和入射余角Ψ表示的地面的反射系數(shù)ρ是：

反射波通常包括隨入射余角變化而變化的垂直極化分量和水平極化分量，然而在很多實際應用中計算反射系數(shù)只需考慮入射波的主極化即可。

距離和角度的定義如圖2所示。假設在點O對暴露進行評估。

圖2 距離和垂直角的定義

對于在屋頂上安裝的設備，由屋頂和墻壁的建筑材料導致輻射的衰減，其室內暴露可望降低10～20 dB。

電場和磁場采用以下公式計算：

其中η0=377?是自由空間固有阻抗。

上面兩個公式在遠場區(qū)成立。如果用于近場區(qū)可能產生不精確（過于保守）的結果。所以，這些公式可以用于評估是否符合EMF暴露限值。

4.2 測量方法

測量方法適用于場強很難計算和計算結果接近暴露限值的情況。文獻2給出了用于驗證是否符合EMF暴露標準要求的測量方法指南。另外，有關EMF測量的詳細內容可參閱IEC 60657、IEC 61786和IEC 61566以及任何適用的國家標準。

4.3測量和計算方法的比較

測量方法需要測量設備和經驗豐富的測量人員，測量基本限值需要通過人體頭部模型和身體模型進行暴露評估，這種方法比較復雜且成本較高，通常在實驗室進行。測量導出限值的方法更容易且成本更低，可用寬帶測量方法，也可用選頻測量方法。選頻測量更為準確，但測量設備比較昂貴且時間成本較高。

通過測量方法評估暴露的主要優(yōu)點有：

（1）它考慮了選定區(qū)域所有輻射源及其真實參數(shù)；

（2）它考慮了實際環(huán)境（反射、天線支撐硬件、障礙物等）；

（3）它考慮了真實環(huán)境下的同時暴露情況（不同電磁波的相位差）；

（4）在不完全了解輻射源的情況下可以完成評估（僅需清楚輻射源的頻率范圍）；

（5）可為感興趣的群體進行現(xiàn)場測量示范。

主要缺點是：

（1）當有輻射源處于設計階段時（新建或擴建），如不能安裝臨時發(fā)射機，則測量無法進行；

（2）通信設施的輻射水平與測量的時間（峰值時間或非峰值時間）相關，所以測量可能無法反映最大暴露水平或被低估。

（3）現(xiàn)場人員和測量設備的影響將增加電磁場分布的不確定性；

（4）很難確認在指定環(huán)境中所有輻射源均以最大EIRP工作；

（5）不同工作頻段有不同的限值要求，故在多源環(huán)境中必須進行后期處理。

計算方法需要專業(yè)軟件、有經驗技術人員和與發(fā)射系統(tǒng)（天線）有關的數(shù)據。目前有很多商業(yè)軟件包可以進行射頻電磁場評估，可根據不同的模式提供不同級別的精度。一般來說，復雜的軟件需要更多的數(shù)據輸入（發(fā)射天線的參數(shù)）、對技術人員的資歷要求更高，但評價結果更精確。

通過計算方法評估暴露的主要優(yōu)點有：

（1）它可以包含擬建輻射源（尚未運營）；

（2）它可以評估最大可能暴露條件（EIRPs）下的最大暴露水平；

（3）可在不同復雜程度和精度水平的計算方法中根據需求進行選擇；

（4）計算成本低于測量成本；

（5）計算可以仿真減輕暴露水平的技術方法，從而對發(fā)射環(huán)境參數(shù)變化對暴露水平的影響做出分析；

（6）計算可對無法進入的區(qū)域（如安全原因、無法進入等）進行評估；

（7）計算可以獲得更多的結果數(shù)據，較容易獲得整個區(qū)域的可視化結果（如水平或垂直截面圖）。

計算方法的缺點是：

（1）為準確評估，必須有輻射天線的詳細信息（幾何形狀、饋電布置、面板數(shù)據等）；

（2）不同物體的反射效應較難建模；

（3）該方法需要軟件知識和使用經驗；

（4）需要掌握天線理論的基本知識。

5 緩解技術

對于那些人可以進入，但是EMF超過了EMF暴露人身安全限值的地點，必須設法控制其EMF暴露。在其他裝置特性不能改變時，一種有效控制暴露的方法，就是限制人們進入超出限值的區(qū)域。

5.1 職業(yè)區(qū)

如果EMF超過了非受控的/普通公眾的暴露限值，但沒有超出職業(yè)暴露的限值，則應該限制普通公眾進入，但可以允許工作人員進入該區(qū)域。采取設置障礙物、關閉封鎖或設立適當?shù)木九瓶梢云鸬竭@種限制作用。對進入職業(yè)區(qū)的工作人員應給予警示。

建議盡量不要將永久性工作區(qū)設在職業(yè)區(qū)內。

5.2超標區(qū)

當EMF超過了職業(yè)暴露限值時，應限制工作人員和普通公眾進入這些地方。如工作人員必需進入，可采取以下措施對暴露進行控制：

（1）暫時降低發(fā)射器的功率；

（2）控制暴露持續(xù)時間，使平均暴露值在安全限值以內；

（3）屏蔽或穿保護制服。

6 EMF暴露的簡單評估計算示例

本節(jié)給出用于評估EMF暴露的簡單預測計算示例。

6.1 地面上的暴露

站在地面上的人受到架空天線輻射時計算暴露的幾何圖如圖3所示。

圖3 計算地面上的暴露的布置示意圖

天線的輻射中心離開地面的高度為h，計算目的是判定在高出地面2 m（近似于頭的高度）、距離天線塔x的一點處的功率密度。假設主波束與地面平行，天線增益為軸對稱（全向）。

為簡化起見，規(guī)定h’=h-2［m］。利用三角學原理，

考慮到地面反射的因素，功率密度為：

若需用更嚴格的方法，可用因子4代替因子2.56（即：考慮反射系數(shù)為1）。

例如，如果天線屬于半波偶極子，則相對數(shù)字增益可用下式表示：

那么，一個EIRP值為1000 W的源，其暴露功率在3個不同高度上與x的函數(shù)曲線如圖4所示。

圖4 地面功率密度對人與天線塔間距的計算結果圖

6.2 附近建筑物上的暴露

站在天線塔附近建筑物上的人受到輻射時計算其暴露的幾何圖如圖5所示。

圖5 計算附近建筑物上的暴露的示意圖

天線的輻射中心在距地面高h的地方，計算目的是評估在附近建筑物上高出屋頂2 m（近似于頭的高度）的一點處的功率密度。建筑物高為h2，與天線塔的距離為x，最嚴重的暴露預計發(fā)生在距天線塔最近的屋頂?shù)倪吘?。假設主波束與地面平行，天線增益為軸對稱（全向）。

同樣，為簡化上述情況，規(guī)定h’=h-h2-2。利用三角學原理，則：

在這種情況下，可以忽略地面的反射，因為反射波可能受到建筑物影響而產生衰減，因此，功率密度為：

例如：如果天線屬于半波偶極子，則相對數(shù)字增益用以下形式表示：

那么，一個EIRP值為1000 W的源，其暴露功率作為x的函數(shù)，在3個不同的相對高度Dh=h-h2上與x的函數(shù)曲線圖如圖6所示。

圖6 樓面功率密度對建筑物與天線塔間距的計算結果圖

7 小結

暴露評估有多種方法，每種方法各有優(yōu)缺點。不同方法具有不同程度的復雜性和精度。計算和測量的不確定度取決于所使用的方法。一般情況下，最好的方法是先從最簡單方法、較為不精確方法（測量或計算）開始。如果暴露水平接近暴露限值，那么應該使用更復雜的方法，提供更高的精度，但需要更精確的數(shù)據輸入、更好的工具和更有經驗的人員。

送到檢測及提醒平臺，一種是利用彩鈴平臺（嵌入彩鈴用戶的呼叫流程，能實時獲取呼叫信令的能力，將疑似詐騙號碼發(fā)出的呼叫信息發(fā)往短信或者是語音平臺。

對于提醒還有客戶端提醒，與目前各類手機管家類似，本文不再贅敘。

3.3 疏導

另外與攔截對應的還有疏通，特別是一些群發(fā)錄音型的詐騙電話，將其疏導到自動應答平臺，也不愧為一種好辦法，其處理原則與攔截類似。

4 結束語

基于信令等通話記錄而非通話內容的電話詐騙檢測與防范技術日益發(fā)展，但是詐騙分子的手段與技術日新月異，同時在“通信自由”緊箍咒下運營商更是處處制肘。相信隨著相關法律的完善以及公安機關與運營商之間的合作的進一步深入，各項防范措施也可以真正得到落實，造福社會。

1法制與社會.電信詐騙的分析與對策.鄺軍坤.2010.6

2《騰訊2016年第二季度反電信網絡詐騙大數(shù)據報告》

10.3969/j.issn.1006-6403.2016.10.003

本文受到國家科技支撐項目“射頻電磁環(huán)境暴露量計量標準及測量技術研究（No.2013BAK12B07）”資助。

（2016-10-12）