地鐵站臺民用通信系統(tǒng)電磁環(huán)境安全評估

李 瑾

(蘭州交通大學(xué) 光電技術(shù)與智能控制教育部重點實驗室，蘭州 730070)

近年來，地鐵乘客的語音通信需求迅速增長，地鐵民用通信系統(tǒng)采用天線實施無線信號覆蓋，確保滿足乘客的通信需求，在地鐵站臺形成了復(fù)雜的射頻電磁環(huán)境[1].地鐵站臺電磁環(huán)境是否對人體有健康影響，這一問題成為大眾關(guān)注的焦點.

目前，科研工作者對軌道交通系統(tǒng)電磁現(xiàn)象開展了大量研究，主要集中在列車供電系統(tǒng)、無線信號覆蓋、系統(tǒng)抗電磁干擾等方面.文獻[2]提出一種非對稱方式的高鐵列車無線電能傳輸系統(tǒng)，通過仿真分析及實驗平臺驗證了可行性.文獻[3]通過測量研究了地鐵環(huán)境下無線信號覆蓋性能.文獻[4]結(jié)合實例研究了信號系統(tǒng)電磁干擾與抗電磁干擾故障處理問題.文獻[5]通過軌道交通站內(nèi)電磁輻射分布的仿真計算與測量，對地鐵站內(nèi)強、弱電設(shè)備電磁環(huán)境中電氣設(shè)備的合理布局提出建議.

人體暴露于射頻電磁場可能引發(fā)大腦、心血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)等損害[6-7]，環(huán)境射頻電磁場作為一種潛在危險因素，對生物體健康存在風(fēng)險[8].國際癌癥研究機構(gòu)將射頻電磁輻射列為2B類致癌物[9].國際非電離輻射防護委員會(international commission on non-ionizing radiation protection,ICNIRP)制定了電磁輻射限值的導(dǎo)則[10].針對交通工具電磁環(huán)境的健康影響問題，學(xué)者們開展了電動汽車無線充電環(huán)境的安全性研究[11-12]、高鐵車廂、地鐵司機室電磁暴露研究[13-14].乘客暴露于地鐵站臺高頻電磁環(huán)境中是否存在健康風(fēng)險，這一研究課題具有重要的現(xiàn)實意義.

城市公共區(qū)域的環(huán)境電磁暴露中900 MHz頻段輻射源暴露占比最高[15].本文選取地鐵站臺民用通信系統(tǒng)900 MHz工作頻段，采用有限元電磁仿真軟件HFSS設(shè)計天線，建立站臺模型，結(jié)合實地測量，得到了站臺候車區(qū)域不同位置的電場強度分布，并對站臺電場強度的仿真與實測進行對比.對比結(jié)果表明，測量值均低于ICNIRP導(dǎo)則公眾電磁暴露電場強度限值.

1 基于電磁仿真軟件HFSS的電磁場強度模擬方法

1.1 HFSS功能簡介

HFSS是Ansys公司的全波三維電磁仿真軟件，該軟件采用有限元法進行數(shù)值計算，功能強大，界面友好.地鐵站臺民用通信系統(tǒng)電磁環(huán)境的研究實質(zhì)上是天線產(chǎn)生的時變電磁場分布問題，即求解麥克

韋方程組的問題，方程組的微分形式如式(1)～(4)所示.

(1)

(2)

·B=0,

(3)

·D=ρ.

(4)

式中：H為磁場密度，單位A/m；E為電場強度，單位V/m；B為磁通量密度，單位Wb/m2；D為電位移，單位C/m2；J為電流密度，單位A/m2；ρ為電荷密度，單位C/m3.

有限元法先將求解區(qū)域離散，對每個離散單元建立微分方程并線性化，再聯(lián)立整體的線性方程組，最后求解邊值問題，得到地鐵站臺空間電場強度分布.HFSS軟件采用自適應(yīng)網(wǎng)格剖分，自動剖分精確有效的網(wǎng)格，生成離散化模型，憑借其計算可靠、準確的優(yōu)勢，HFSS在天線設(shè)計、無線通信的仿真計算方面有廣泛應(yīng)用[16].

1.2 模擬過程

地鐵站臺民用通信系統(tǒng)吸頂天線安裝在站臺上方天花板處，如圖1所示.天線工作在806～960 MHz、1 710～2 700 MHz 2個頻段，性能參數(shù)見表1.吸頂天線結(jié)構(gòu)為雙錐天線的變形結(jié)構(gòu)[17]，具有小型化、易于安裝等優(yōu)點，多用于室內(nèi)信號覆蓋.

圖1 地鐵站臺天線Fig.1 Antenna of subway platform

表1 地鐵站臺民用通信系統(tǒng)天線性能參數(shù)

在HFSS軟件中建立民用通信系統(tǒng)天線的等效輻射源，天線結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用50 Ω同軸線饋電方式，設(shè)計指標滿足地鐵站臺的通信需求.

圖2 民用通信系統(tǒng)天線模型(單位：mm)Fig.2 Antenna model for civil communication system (units:mm)

圖3是地鐵站臺民用通信系統(tǒng)電磁環(huán)境的仿真模型.設(shè)置天花板為PVC材質(zhì)，地面為混凝土，厚度分別是20 mm、10 mm.天線距離地面4 m，站臺寬度6 m，考慮到數(shù)值計算過程中模型尺寸對計算機硬件需求的影響，簡化仿真模型，站臺長度選取7 m.乘客候車區(qū)域在站臺高度2 m范圍內(nèi)，在垂直地面的yz平面內(nèi)設(shè)置4條仿真線，依次標記為a、b、c、d，高度間距0.5 m.在平行地面的xy平面內(nèi)設(shè)置6條仿真線，水平間距1 m，沿y軸依次標記為e、f、g、h、i、j.計算仿真線上電場強度，以確定站臺乘客候車區(qū)域的電場強度分布.

圖3 地鐵站臺電磁環(huán)境仿真模型(單位：m)Fig.3 Electromagnetic environment simulation model of subway platform (units:m)

為了模擬開放的自由空間，在HFSS中建立尺寸為6.4 m×7.4 m×4.5 m的長方體模型，設(shè)置為空氣盒子，其邊界條件為輻射邊界，用以代替無限大空間.設(shè)置吸頂天線表面為理想電導(dǎo)體邊界條件.設(shè)置求解頻率為900 MHz，求解迭代精度為0.02，為了滿足求解效率與精度，選取二階基函數(shù)計算.

在HFSS軟件中剖分網(wǎng)格，得到地鐵站臺離散化模型如圖4所示，共剖分網(wǎng)格255 981個，其中站臺模型外的空氣盒子剖分網(wǎng)格223 337個，天花板剖分網(wǎng)格12 343個，地面剖分網(wǎng)格19 931個，天線剖分網(wǎng)格370個.

圖4 地鐵站臺離散化模型Fig.4 Discretization models of subway platform

2 電磁場強度實測

2.1 測試儀器

根據(jù)地鐵電磁環(huán)境電磁場強度測量原理，采用頻段可選的天線與頻譜分析儀、電磁場強度分析儀組合的方法[18]進行測量.在地鐵站臺乘客候車區(qū)域測量點的3個正交方向依次旋轉(zhuǎn)天線，選取電場強度最大值為測量值.測試設(shè)備性能參數(shù)見表2，德國E73電磁場強度分析儀與RIGOL DSA832E頻譜分析儀相互獨立.電磁場強度分析儀采用均值檢波，頻譜分析儀采用峰值檢波測量.

2.2 測點布置

選取運營中的國內(nèi)某地鐵地下站臺為測量地點，測量頻段為地鐵站臺民用通信系統(tǒng)806～960 MHz，在候車區(qū)域選取2個測量點實施測量，確定空間的電場強度，以評估乘客的健康風(fēng)險.地鐵站臺無線信號覆蓋采用吸頂天線，最小覆蓋半徑為7 m，示意圖如圖5所示.

表2 測試設(shè)備性能參數(shù)

圖5 地鐵站臺吸頂天線覆蓋示意圖(單位：m)Fig.5 Subway platform covered by ceiling antennas (units:m)

2.3 測試實現(xiàn)

現(xiàn)場測試設(shè)備如圖6所示.測量系統(tǒng)的輸入阻抗為50 Ω，忽略接收天線與場強儀之間的電纜損耗，空間電場強度值的計算公式為

E=K+A+107,

(5)

式中：A為頻譜分析儀或場強儀的信號強度讀數(shù)，單位為dBm；K是天線系數(shù)，單位為dB，隨頻率變化，由天線設(shè)備商提供；50 Ω測量系統(tǒng)的測量電壓與系統(tǒng)讀數(shù)的差值為107.測量前實施設(shè)備校準.

3 結(jié)果對比

民用通信系統(tǒng)天線工作在900 MHz頻段時，具體分析仿真線上的電場強度如圖7所示.由圖7(a)可知，垂直面電場強度范圍為0.002～0.077 V/m，

最大值分布在仿真線d上，最小值分布在仿真線a上，隨著仿真線高度降低，電場強度衰減.圖7(a)水平距離為3.5 m的中心點位于天線正下方，4條仿真線的電場強度在此點都出現(xiàn)較小值，這是因為在天線正下方只有反射波或繞射波形式的電磁輻射存在，4條仿真線由橫軸3.5 m中心點向左右兩側(cè)方向延伸時，電場強度先增大，再出現(xiàn)減小趨勢.由圖7(b)可知，水平面電場強度在6條仿真線上的分布基本一致，范圍在0.003～0.072 V/m，說明在站臺內(nèi)同一高度的平面上電場強度變化較小.

圖6 現(xiàn)場測試設(shè)備Fig.6 Measurement equipment

圖7 地鐵站臺仿真線電場強度分布Fig.7 Electric field intensity distribution on simulation lines on subway platform

地鐵站臺候車區(qū)域電場強度如圖8所示，電場強度最大值為0.082 V/m，電場強度主要分布在0.017～0.076 V/m.

圖8 地鐵站臺電場強度分布Fig.8 Electric field intensity distribution on subway platform

為了分析距離天線更遠的計算場域，將圖3中吸頂天線沿著y軸負方向移動至(0,-3.5,4)，仿真分析站臺空間的電場強度分布變化.仿真可知，電場強度大小主要分布在0.003～0.064 V/m范圍內(nèi)，電場強度沿著遠離天線的方向衰減.

RIGOL DSA832E頻譜分析儀測量數(shù)據(jù)截屏如圖9所示.E73電磁場強度分析儀與頻譜分析儀的測量結(jié)果見表3，民用通信系統(tǒng)天線信號強度范圍為-59～-30 dBm，最大值與最小值相差倍數(shù)為1.97倍，電場強度為0.003～0.090 V/m，最大值與最小值相差倍數(shù)為30倍.

文獻[15]測量得到900 MHz的電場強度值為0.080 V/m，本文對應(yīng)頻率的測量值為0.023 V/m，在同一數(shù)量級，驗證了測量的可靠性.電場強度實測結(jié)果0.003～0.090 V/m與仿真結(jié)果0.017～0.076 V/m分布基本一致.

圖9 頻譜分析儀測量數(shù)據(jù)Fig.9 Measurement data of spectrum analyzer

4 結(jié)果評價

與地鐵職業(yè)工作人員不同，普通人群在地鐵系統(tǒng)電磁環(huán)境的暴露下，對相關(guān)風(fēng)險并未采取預(yù)防措施，乘客包括所有年齡段和不同健康情況的個體.針對公眾群體，ICNIRP導(dǎo)則制定了電磁環(huán)境中公眾電磁暴露限值，公眾暴露限值比職業(yè)暴露更加嚴格.ICNIRP導(dǎo)則規(guī)定當(dāng)頻率f為400～2 000 MHz時，公眾電磁暴露電場強度限值計算式為1.375f1/2.將測量結(jié)果與ICNIRP限值作比較，見表4.由表4可知，民用通信系統(tǒng)900 MHz頻段內(nèi)的電場強度均低于ICNIRP公眾電磁暴露限值，測量值與限值的比值在7.42e-05～2.22e-03倍之間，在此環(huán)境下，乘客在地鐵站臺候車不會遭受電磁暴露風(fēng)險.

對地鐵站臺民用通信系統(tǒng)天線900 MHz頻段輻射下的地鐵站臺電磁環(huán)境進行測量和仿真計算，得到乘客候車區(qū)域電場強度分布，結(jié)果表明：

表3 地鐵站臺民用通信系統(tǒng)天線測量值

表4 地鐵站臺民用通信系統(tǒng)天線測量值與ICNIRP限值對比

1) 在地鐵站臺乘客候車區(qū)域測量得到信號電平范圍為-59～-30 dBm，轉(zhuǎn)換為電場強度為0.003～0.090 V/m.HFSS軟件仿真得到站臺候車區(qū)域電場強度分布在0.017～0.082 V/m，測量與仿真結(jié)果基本一致.驗證了測量方法與HFSS數(shù)值計算的一致性和可靠性.

2) 測量所得地鐵站臺候車區(qū)域電場強度為0.003～0.090 V/m，低于ICNIRP導(dǎo)則制定的公眾電磁暴露限值，測量值所在頻段對應(yīng)的限值為40.440～42.358 V/m，測量值與限值的比值低于2.22e-03倍.

3) 地鐵站臺除了民用通信系統(tǒng)900 MHz頻段的電磁輻射源，還有其他頻段射頻電磁輻射源，有待進一步完善測量與模擬數(shù)據(jù)，這是下一步地鐵站臺電磁環(huán)境安全性評估的工作方向.