低頻通信系統(tǒng)天線近場(chǎng)輻射危害研究

王彥碧

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所，武漢 430205）

頻率處于十幾赫茲、波長(zhǎng)大于數(shù)十公里的低頻通信一直備受歐美等各軍事強(qiáng)國(guó)的重視。雖然通信效率低，且產(chǎn)生低頻電磁波需要極大的功率基站和發(fā)射天線，低頻通信系統(tǒng)仍然是對(duì)水下單向通信的重要手段。

美國(guó)卡特勒（Cutler, MA.）甚低頻天線系統(tǒng)的發(fā)射功率為1.8 MW，所用的傘狀天線陣列可在24 kHz下高效輻射，其中心垂直天線桅桿輻射甚低頻電磁波，水平懸掛電纜陣列作為電容器來(lái)增加垂直輻射器的效率。美國(guó)吉姆溪（Jim Creek, WA.）甚低頻長(zhǎng)波通信站主要負(fù)責(zé)太平洋海域的水下單向通信，其天線陣列由10個(gè)鏈狀電纜線組成，垂直電纜線為主要輻射單元。歐美等國(guó)較多關(guān)注的是大功率發(fā)射系統(tǒng)的效率和作用距離，而對(duì)上述低頻通信系統(tǒng)的大功率發(fā)射天線暴露在空曠地帶所產(chǎn)生的近場(chǎng)電磁輻射對(duì)附近人員和設(shè)備造成嚴(yán)重電磁輻射危害則較少研究[1]。在電磁輻射危害方面，IEEE-Std-C95.1—2005[2]和IEEE-Std-C95.6—2002[3]標(biāo)準(zhǔn)分別對(duì) 0~3 kHz和3 kHz~300 GHz頻段內(nèi)，生物體所能承受的電磁輻射進(jìn)行了詳細(xì)論述。GJB 5313A—2017《電磁輻射暴露限值和測(cè)量方法》重點(diǎn)關(guān)注的是測(cè)試區(qū)域的平均場(chǎng)強(qiáng)[5]，而GB 8702—2014《電磁環(huán)境控制限值》主要關(guān)注的是電磁輻射危害對(duì)人員傷害的積累效應(yīng)[6]。文中通過試驗(yàn)，獲取了不同功率和頻率條件下，低頻通信系統(tǒng)天線近場(chǎng)綜合場(chǎng)強(qiáng)值，并將電磁輻射區(qū)域劃分為危險(xiǎn)區(qū)、短時(shí)活動(dòng)區(qū)和安全工作區(qū)。

1 低頻通信系統(tǒng)

低頻通信系統(tǒng)具有系統(tǒng)組成設(shè)備龐雜、天線布局難度高、發(fā)信電壓高、發(fā)射功率大等特點(diǎn)，其組成如圖1所示。低頻通信系統(tǒng)發(fā)送部分由電源、顯控臺(tái)、信號(hào)激勵(lì)器、發(fā)信控制終端、功放設(shè)備、調(diào)諧設(shè)備和低頻菱形天線組成，收信部分安裝在水下艦艇中。信號(hào)激勵(lì)器將低頻信號(hào)傳送至發(fā)信控制終端，后者經(jīng)過加密、調(diào)制傳輸至功放設(shè)備，信號(hào)經(jīng)大功率放大后，通過甚低頻菱形天線輻射至外部空間。由菱形天線、下引線、電暈環(huán)等構(gòu)成的某型甚低頻菱形發(fā)射天饋線如圖2所示。

圖1 低頻通信系統(tǒng)（發(fā)送端）組成

2 天線近場(chǎng)輻射危害試驗(yàn)

利用瑞士Nadar公司NBM-550型電場(chǎng)測(cè)試儀場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試系統(tǒng)（編號(hào) E-0752）以甚低頻菱形天線為中心，在2500 m2矩形范圍內(nèi)，沿對(duì)角線方向，每間隔5 m選取一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，共計(jì)30個(gè)測(cè)試點(diǎn)，從10~20 kHz頻段內(nèi)，每間隔1 kHz測(cè)試不同發(fā)射功率條件下的電磁輻射綜合場(chǎng)。歸一化測(cè)試工況見表1。

圖2 低頻通信系統(tǒng)大功率發(fā)射天線

表1 低頻菱形天線電磁輻射綜合場(chǎng)測(cè)試工況

低頻通信系統(tǒng)在工作頻率為20 kHz、天線增益為2時(shí)，發(fā)射功率分別為10、11、12 kW小功率條件下的天線近場(chǎng)電磁輻射綜合場(chǎng)隨距離變化曲線如圖 3所示。GJB 5313A—2017和GB 8702—2014中要求，在考慮電磁能量累積效應(yīng)時(shí)，2.9~57 kHz甚低頻頻段內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)不大于70 V/m，即70 V/m為甚低頻段安全區(qū)域臨界值。

圖3 低頻菱形天線小功率條件下電磁輻射綜合場(chǎng)隨距離變化曲線

由圖3可見，小功率發(fā)射時(shí)，低頻通信系統(tǒng)甚低頻菱形天線電磁輻射近場(chǎng)隨距離的增加而逐漸衰減，場(chǎng)強(qiáng)值從90 V/m下降到10 V/m，輻射近場(chǎng)隨著發(fā)射功率的增加而增加。另外，以甚低頻菱形天線為中心，13 m半徑范圍內(nèi)為危險(xiǎn)區(qū)，其峰值場(chǎng)強(qiáng)高于70 V/m，13~25 m半徑范圍內(nèi)為短時(shí)活動(dòng)區(qū)，25 m半徑外為安全工作區(qū)。

低頻通信系統(tǒng)在工作頻率為10~19 kHz之間、天線增益為2時(shí)，發(fā)射功率為50~140 kW的大功率條件下，天線近場(chǎng)電磁輻射綜合場(chǎng)隨頻率變化曲線如圖4所示。

圖4 低頻菱形天線大功率條件下電磁輻射綜合場(chǎng)隨距離變化曲線

由圖4可見，大功率發(fā)射時(shí)，低頻通信系統(tǒng)甚低頻菱形天線電磁輻射近場(chǎng)隨距離的增加而逐漸衰減，場(chǎng)強(qiáng)值從475 V/m下降到15 V/m，輻射近場(chǎng)隨著發(fā)射功率的增加而增加。

大功率天線近場(chǎng)輻射易對(duì)人體產(chǎn)生傷害，IEEEStd-C95—2005 Table4中規(guī)定，在3~100 kHz甚低頻頻段范圍內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)值不得高于614 V/m（175.76 dBuV/m），長(zhǎng)時(shí)間活動(dòng)將會(huì)對(duì)人員腦垂體、心肺、瞳孔等功能產(chǎn)生危害。因此，結(jié)合GB 8702—2014中要求，以甚低頻菱形天線為中心，40 m半徑范圍內(nèi)為危險(xiǎn)區(qū)，其峰值場(chǎng)強(qiáng)高于70 V/m，40~70 m半徑范圍內(nèi)為短時(shí)活動(dòng)區(qū)，70 m半徑外為安全工作區(qū)。

4 結(jié)語(yǔ)

文中通過試驗(yàn)獲取了不同功率和頻率條件下，低頻通信系統(tǒng)天線近場(chǎng)綜合場(chǎng)強(qiáng)值，基于 IEEE-Std-C95.1-2005、GJB 5313A—2017以及 GB 8702—2014，將低頻通信系統(tǒng)天線近場(chǎng)工作區(qū)域劃分為危險(xiǎn)區(qū)、短時(shí)活動(dòng)區(qū)和安全工作區(qū)。研究結(jié)果表明，以甚低頻菱形天線為中心，40 m半徑范圍內(nèi)為危險(xiǎn)區(qū)，其峰值場(chǎng)強(qiáng)高于70 V/m；40~70 m半徑范圍內(nèi)為短時(shí)活動(dòng)區(qū)；70 m半徑外為安全工作區(qū)。該研究成果可為低頻通信系統(tǒng)電磁輻射危害有效控制提供技術(shù)支撐。