中波廣播天線近場區(qū)電磁輻射場強(qiáng)空間分布研究

靳士科 何占飛

（中核第四研究設(shè)計工程有限公司，河北石家莊 050021）

1 引言

中波是世界各地最早且廣泛采用的廣播波段，主要用于國內(nèi)、省市、地區(qū)性的中等距離廣播。國內(nèi)典型中波天線基本為全向發(fā)射天線，頻率為531～1 602 kHz，波長為187～565 m。波長決定了中波廣播主要以地波方式進(jìn)行傳播，具有傳播距離遠(yuǎn)、繞射能力強(qiáng)、不受視距影響的特點。中波電磁波使人類的生活和生產(chǎn)變得更為便捷［1］。中波發(fā)射臺是現(xiàn)代生活不可缺少的信息傳播載體，在服務(wù)人們生活的同時，也會對人們的生存環(huán)境造成電磁輻射污染［2］，因此電磁波的應(yīng)用也需要進(jìn)行利弊方面的綜合考量。為了環(huán)境保護(hù)和公眾安全，中波天線近場區(qū)電磁輻射應(yīng)進(jìn)行特別關(guān)注和研究。

2 近場區(qū)電磁輻射研究現(xiàn)狀

在以中波天線為中心的近場區(qū)，電磁能量尚未構(gòu)成輻射能，其不僅可以在電場和磁場之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，還可以與天線發(fā)射的場源進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換［3］，既有從天線發(fā)射出的電磁能，也有電磁能回到天線場源。由于受密集分布的電荷和高頻電流的控制，這些電磁能可形成強(qiáng)電場和強(qiáng)磁場。該區(qū)域會產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁感應(yīng)場，存在較強(qiáng)的電磁污染問題。

以往中波廣播對環(huán)境和公眾的電磁輻射影響較多關(guān)注天線遠(yuǎn)場區(qū)，且有將遠(yuǎn)場區(qū)預(yù)測模型用于近場區(qū)的情況，導(dǎo)致近場區(qū)電磁輻射場強(qiáng)出現(xiàn)偏差或與實際不符，這主要在于近場區(qū)電磁輻射分布較為復(fù)雜，電磁輻射環(huán)境影響方面研究成果較少，因此相對來講進(jìn)行近場區(qū)電磁輻射場強(qiáng)的空間分布研究顯得尤為重要。

3 場強(qiáng)預(yù)測模型

3.1 場區(qū)劃分

中波天線最大線尺寸一般小于波長，則λ/2π 為電抗近場區(qū)和輻射近場區(qū)分界處，3λ 為近場區(qū)和遠(yuǎn)場區(qū)分界處［4］。根據(jù)中波波長范圍可知，中波天線近遠(yuǎn)場區(qū)分界點最近為561 m 處。中波廣播電磁輻射的預(yù)測范圍一般以天線塔為中心，半徑500 m 的范圍，因此預(yù)測范圍均位于近場區(qū)內(nèi)。

3.2 預(yù)測模型

中波廣播單塔天線輻射垂直極化波，在垂直面內(nèi)的大部分能量是沿地面?zhèn)鞑サ?，小部分能量以不同仰角向天空輻射，在晚間經(jīng)電離層反射后再回到地面，即為天波。在天線塔附近天波場強(qiáng)遠(yuǎn)小于地波，因此從環(huán)境影響角度可只考慮地波場強(qiáng)。中波廣播天線近場區(qū)不同于遠(yuǎn)場區(qū)，其場強(qiáng)空間不均勻度較大，電場和磁場強(qiáng)度無恒定的比例關(guān)系，可采用復(fù)數(shù)模型分別預(yù)測該兩類場強(qiáng)值。

近場區(qū)電場強(qiáng)度預(yù)測模型如下：

式（1）中，E0為電場強(qiáng)度值，V/m；β 為2π/λ；h 為天線塔高度，m；P 為發(fā)射機(jī)標(biāo)稱功率，W；R 為對電流波腹而言的輻射電阻，Ω；d 為預(yù)測點與塔底中心的水平距離，m；Z 為被測試天線離地高度，m，按0.005λ計算。

近場區(qū)磁場強(qiáng)度預(yù)測模型如下：

3.3 輻射電阻

中波發(fā)射天線的主要形式為垂直振子，對于導(dǎo)電地面上的垂直接地天線，用坡印廷矢量法計算輻射功率和輻射電阻時，只需對包圍天線的上半球面進(jìn)行積分［5］，可得輻射電阻如下式：

輻射電阻變化趨勢見圖1。

圖1 輻射電阻變化趨勢

對于式（3），可采用數(shù)值定積分的方法計算輻射電阻值，由表1 和圖1 可知，當(dāng)天線塔高和波長比值一定時，其輻射電阻值是固定的。一般中波天線塔高度為0.15～0.50 λ，則當(dāng)0＜h＜0.45 λ 時，輻射電阻值逐漸增大；當(dāng)0.45 λ＜h＜0.50 λ 時，輻射電阻值略有減小。

表1 中波天線輻射電阻值Ω

4 場強(qiáng)空間分布

4.1 發(fā)射功率對場強(qiáng)空間分布的影響

我國中波廣播有大、中、小功率相結(jié)合，以中、小功率為主的特征，1，3，10 kW 為常見功率，100 kW以上的較少。本節(jié)選取中波頻率為1 000 kHz，即波長為300 m；塔高為效率較高的0.5 λ，即150 m。采用該參數(shù)和上述模型得到不同功率下電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度分布。不同功率下電場強(qiáng)度空間分布見圖2。

圖2 不同功率下電場強(qiáng)度空間分布

不同功率下磁場強(qiáng)度空間分布見圖3。

圖3 不同功率下磁場強(qiáng)度空間分布

4.2 中波波長對場強(qiáng)空間分布的影響

本節(jié)選取中波廣播發(fā)射功率為常用的10 kW，天線塔高為0.5 λ，在波長為200，300，400，500 m時，采用上述模型得到不同波長下電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度分布。

不同波長下電場強(qiáng)度空間分布見圖4。

圖4 不同波長下電場強(qiáng)度空間分布

不同波長下磁場強(qiáng)度空間分布見圖5。

圖5 不同波長下磁場強(qiáng)度空間分布

由圖4 可知，近場區(qū)0～50 m 范圍內(nèi)相同距離處電場強(qiáng)度隨波長變化不明顯，但場強(qiáng)值降低幅度較大，50 m 以外降幅緩慢；50～250 m 范圍場強(qiáng)值隨波長增大略有降低，250 m 以外差別較小。由圖5 可知，近場區(qū)0～250 m 范圍內(nèi)相同距離處磁場強(qiáng)度隨波長變化明顯，基本上波長越小場強(qiáng)值越大，250 m以外變化幅度緩慢，場強(qiáng)值相差較小。各波長下滿足電場場強(qiáng)限值的距離較為接近，均在50 m 范圍以內(nèi)；對于磁場強(qiáng)度當(dāng)波長為200 m 時，距離20 m 以內(nèi)超過場強(qiáng)限值，其他波長情況基本滿足場強(qiáng)限值。電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度值在200 m 外已遠(yuǎn)低于限值，此時不同波長天線的電磁輻射場強(qiáng)值均相差較小。

4.3 天線塔波比對場強(qiáng)空間分布的影響

天線塔波比是中波廣播中重要的設(shè)計和建設(shè)指標(biāo)，能夠直接影響廣播覆蓋和電磁輻射效果。本節(jié)選取中波廣播發(fā)射功率為常用的10 kW，波長為300 m，在塔波比為典型的0.50，0.30，0.18 時，采用上述模型得到不同塔波比下電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度分布。

不同塔波比下電場強(qiáng)度空間分布見圖6。

圖6 不同塔波比下電場強(qiáng)度空間分布

不同塔波比下磁場強(qiáng)度空間分布見圖7。

圖7 不同塔波比下磁場強(qiáng)度空間分布

由圖6 和圖7 可知，近場區(qū)場強(qiáng)值隨塔波比變化不呈現(xiàn)統(tǒng)一的空間分布，整體上在近距離區(qū)域（約100 m 內(nèi)）分布情況較為復(fù)雜，遠(yuǎn)距離分布變化較小。對于電場強(qiáng)度，0～50 m 范圍塔波比0.50 和0.18對應(yīng)的場強(qiáng)值明顯大于0.30 的情況，在10 m 范圍內(nèi)可達(dá)塔波比0.30 對應(yīng)場強(qiáng)值的2 倍以上；50～200 m范圍內(nèi)隨塔波比的降低場強(qiáng)值變化規(guī)律不明顯；200 m 以外隨塔波比降低場強(qiáng)值逐漸降低。對于磁場強(qiáng)度，0～100 m 范圍塔波比0.50 對應(yīng)的場強(qiáng)值明顯小于另兩種情況；100 m 以外區(qū)域隨塔波比的變化場強(qiáng)值相差較小。對于電場強(qiáng)度，各塔波比下滿足場強(qiáng)限值的距離較為接近，均在50 m 范圍以內(nèi)；對于磁場強(qiáng)度，塔波比為0.50 時基本滿足場強(qiáng)限值，當(dāng)為0.30 和0.18 時，距離約70 m 以內(nèi)超過場強(qiáng)限值。電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度值在200 m 外已遠(yuǎn)低于限值，此時不同塔波比天線的電磁輻射場強(qiáng)值均相差較小。

5 結(jié)論

通過本研究可得出如下結(jié)論：

（1）發(fā)射功率、波長和塔波比對中波近場區(qū)電磁輻射場強(qiáng)空間分布均產(chǎn)生一定影響，其中發(fā)射功率從整體空間上影響場強(qiáng)值大小，波長主要影響近距離磁場強(qiáng)度值，而塔波比的影響主要局限于天線近距離范圍內(nèi)。

（2）從電磁輻射控制限值角度考慮，能夠滿足電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度限值的空間區(qū)域是不同的，這充分說明了在中波近場區(qū)同時進(jìn)行電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度預(yù)測與監(jiān)測的必要性，二者均應(yīng)格外關(guān)注。

（3）本文主要對單塔天線進(jìn)行理論分析，現(xiàn)實中波臺站可能涉及多個天線塔和頻率，對同一點位進(jìn)行場強(qiáng)疊加后滿足限值要求的空間區(qū)域?qū)U(kuò)大，對于10 kW 以下的發(fā)射天線250 m 范圍以外綜合場強(qiáng)值基本能夠滿足限值要求，這與有關(guān)研究［7］結(jié)果是一致的。