中波廣播電視發(fā)射塔電磁輻射場強(qiáng)理論計(jì)算分析

付春霞 付云霞 傅永杰 江海濤

（四川省核工業(yè)輻射測試防護(hù)院（四川省核應(yīng)急技術(shù)支持中心），四川 成都 610001）

0 引言

由于中波臺發(fā)射塔具有發(fā)射功率大、多頻率以及多天線共塔等特點(diǎn)，因此其成為電磁輻射領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。同時(shí)，我國相關(guān)政策及要求也指出在廣播電視發(fā)射塔新建或搬遷前需要對其運(yùn)營期可能帶來的電磁輻射影響進(jìn)行評價(jià)，將其作為項(xiàng)目選址是否合理的評價(jià)依據(jù)，并根據(jù)中波臺電磁輻射理論計(jì)算結(jié)果劃定電磁環(huán)境防護(hù)距離，避免周邊居民因進(jìn)入防護(hù)區(qū)域而受到不必要的輻射。

1 中波發(fā)射塔

1.1 中波發(fā)射系統(tǒng)的特點(diǎn)

中波廣播的頻率為526.5 kHz～1606.5 kHz，頻道間隔為9.0 kHz，標(biāo)稱載頻為531.0 kHz～1 602.0 kHz，共有120個(gè)頻道。中波通過地波和天波2種方式來傳播電磁波。地波就是從天線輻射的沿地球表面向四周傳播的電磁波，地波場強(qiáng)隨傳播距離的增加而衰減，可以形成一個(gè)穩(wěn)定的服務(wù)區(qū)。天波傳播就是天線高仰角輻射的電磁波被反射回地面，從而達(dá)到傳播的效果。

1.2 中波天線

中波天線中應(yīng)用較為廣泛的有單塔、雙塔、四塔以及八塔天線。其中，使用最廣泛的是單塔天線。該文討論在特殊條件、特殊地形區(qū)域中，中波臺中波雙塔弱定向天線產(chǎn)生的電磁輻射對環(huán)境的影響。雙塔弱定向天線通常采用2座高度一致的鐵塔（發(fā)射塔和反射塔），2座鐵塔需要相隔一定的距離。

1.3 中波天線特性參數(shù)

中波天線的主要參數(shù)如下：1） 天線極化。極化是指電場矢量端點(diǎn)隨著時(shí)間的變化而形成的運(yùn)動軌跡。通常分為水平極化和垂直極化。因?yàn)榈夭ǖ拇怪睒O化波的衰減比水平極化波要小很多，所以中波發(fā)射臺大都采用垂直極化波。2） 方向性圖。方向性圖是空間中天線輻射能量的分布圖。3） 天線增益。天線增益表示天線的效率，在輸入功率相同的情況下，其值為天線在同一點(diǎn)的輻射功率密度與均勻輻射的平均功率密度的比值。4） 工作頻率。工作頻率是指天線可以正常工作的頻率范圍,須滿足電特性參數(shù)規(guī)定的指標(biāo)。一般來說，頻帶寬度與增益呈負(fù)相關(guān)。

2 中波塔臺雙塔電磁輻射計(jì)算

該文討論的中波塔臺為云南某中波臺，包括2套中波發(fā)射塔，中波塔采用雙塔弱定向天線，共4臺發(fā)射機(jī)（2備2用），每臺發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率為10 kW。根據(jù)《輻射環(huán)境保護(hù)管理導(dǎo)則 電磁輻射監(jiān)測儀器和方法》（HJ/T 10.2—1996）以及《環(huán)境影響評價(jià)工程師執(zhí)業(yè)資格等級培訓(xùn)系列教材-輸變電及廣電通信》規(guī)定的方法預(yù)測中波雙塔對周圍電磁環(huán)境的影響，并根據(jù)理論預(yù)測結(jié)果分析中波臺產(chǎn)生的電磁環(huán)境影響的分布規(guī)律。

2.1 理論計(jì)算模式及計(jì)算參數(shù)

2.1.1 中波場強(qiáng)理論計(jì)算模式

根據(jù)《輻射環(huán)境保護(hù)管理導(dǎo)則 電磁輻射監(jiān)測儀器和方法》（HJ/T 10.2—1996）及《環(huán)境影響評價(jià)工程師執(zhí)業(yè)資格等級培訓(xùn)系列教材-輸變電及廣電通信》可知，雙塔中波天線如公式（1）所示。

式中：E為電場強(qiáng)度；r為被測位置與發(fā)射天線的水平距離，m；P為發(fā)射機(jī)標(biāo)稱功率，kW；G為相對接地基本振子（點(diǎn)源天線G=1）的天線增益（倍數(shù)）；F（φ）為發(fā)射天線水平面內(nèi)的方向性函數(shù)；F（h）為發(fā)射天線高度因子。

由于不同天線的方向性函數(shù)不同，因此不同角度的方向性函數(shù)（G·（F（φ））也不同。該文考慮到發(fā)射機(jī)的功率在向天線傳遞過程中受發(fā)射機(jī)輸出接頭、饋線等因素的影響會出現(xiàn)一定的損耗，因此在確定源強(qiáng)時(shí)，須考慮這部分的損耗。根據(jù)天線方向性圖對天線方向性增益進(jìn)行修正，用G代替該項(xiàng)目的（G·（F（φ）），如公式（2）所示。

式中：G·（F（φ）為天線方向性函數(shù)；L為系統(tǒng)損耗，2 dB?？梢詫⒐剑?）、公式（2）轉(zhuǎn)換為公式（3）。

2個(gè)或2個(gè)以上頻率的電磁波復(fù)合在一起的場強(qiáng)，其值為各單個(gè)頻率場強(qiáng)平方和的根值，如公式（4）所示。

式中：E為復(fù)合場強(qiáng)，V/m；E、E以及E為各個(gè)頻率所計(jì)算的場強(qiáng)。

中波發(fā)射系統(tǒng)對周圍環(huán)境電磁輻射的影響程度與發(fā)射功率、發(fā)射頻率、天線增益以及系統(tǒng)損耗等主要技術(shù)參數(shù)有關(guān)。云南省某中波臺的相關(guān)技術(shù)參數(shù)如下。

天線位置的布置情況如圖1所示，共設(shè)置了2套中波發(fā)射塔，中波天線采用雙塔弱定向天線，每套發(fā)射系統(tǒng)（發(fā)射塔A、發(fā)射塔B）分別架設(shè)1副雙頻天線。

該文討論的中波臺4臺發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率均為10 kW。

圖1 中波塔發(fā)射天線位置圖

該文討論的中波臺共建設(shè)2座發(fā)射塔、2座反射塔，1個(gè)發(fā)射塔架設(shè)1副雙頻天線，天線發(fā)射頻率、天線增益、系統(tǒng)損耗以及其他主要參數(shù)見表1。

表1 中波臺中波天線主要技術(shù)參數(shù)

該文討論的中波天線水平面方向性函數(shù)見表2～表5。

表2 頻率為665 kHz的天線水平面方向性函數(shù)

表3 頻率為570 kHz的天線水平面方向性函數(shù)

表4 頻率為1 340 kHz的天線水平面方向性函數(shù)

表5 頻率為845 kHz的天線水平面方向性函數(shù)

2.2 理論預(yù)測模式

該文討論的中波臺以1座發(fā)射塔+1座反射塔為1套發(fā)射系統(tǒng)，發(fā)射系統(tǒng)中心點(diǎn)為發(fā)射塔/反射塔連線的中心。因此，分別以A發(fā)射塔/反射塔連接線中心點(diǎn)、B發(fā)射塔/反射塔連接線中心點(diǎn)建立坐標(biāo)體系，從而計(jì)算2座中波發(fā)射塔遠(yuǎn)場區(qū)電場強(qiáng)度對周圍電磁環(huán)境的影響。

以A發(fā)射塔與反射塔連接線的中心點(diǎn)為原點(diǎn)，東西向?yàn)閄軸，南北向?yàn)閅軸，西南側(cè)為主射方向0°，最小刻度20 m制作坐標(biāo)（圖2）。利用公式（3）計(jì)算1座發(fā)射塔（單個(gè)頻率）遠(yuǎn)場區(qū)的電場強(qiáng)度對環(huán)境的影響。單套系統(tǒng)模式計(jì)算方法示意圖如圖2所示。

圖2 單套系統(tǒng)模式計(jì)算方法示意圖

采用建立坐標(biāo)體系的方法計(jì)算2座中波發(fā)射塔（4個(gè)頻率）運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的復(fù)合場強(qiáng)對周圍電磁環(huán)境的影響。以A發(fā)射塔與反射塔連接線的中心點(diǎn)為原點(diǎn)，東西向?yàn)閄軸，南北向?yàn)閅軸，西南側(cè)為主射方向0°，最小刻度20 m制作坐標(biāo)；當(dāng)以A發(fā)射塔與反射塔連接線的中心點(diǎn)為原點(diǎn)（0，0）時(shí)，與之對應(yīng)的B發(fā)射塔與B反射塔連接中心點(diǎn)的坐標(biāo)為（268，-90）（圖3）。利用公式（3）計(jì)算各單個(gè)頻率電場強(qiáng)度的預(yù)測值，再利用公式（4）計(jì)算2套發(fā)射系統(tǒng)（4個(gè)發(fā)射頻率）同時(shí)發(fā)射時(shí)對周圍電磁環(huán)境的綜合影響。

2.3 電磁輻射評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《電磁環(huán)境控制限值》（GB 8702—2014）的要求可知，當(dāng)頻率為0.1 MHz～3.0 MHz時(shí)，中波臺周圍公眾曝露控制限值如下：電場強(qiáng)度E應(yīng)小于40 V/m，頻率高于100 kHz。在遠(yuǎn)場區(qū)可以只限制電場強(qiáng)度或磁場強(qiáng)度（等校平面波功率密度）。

2.4 理論預(yù)測結(jié)果

根據(jù)理論計(jì)算公式及模式計(jì)算方法計(jì)算2座中波發(fā)射塔同時(shí)發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的電磁輻射環(huán)境影響預(yù)測結(jié)果，見表6、表7。

圖3 2套系統(tǒng)模式計(jì)算方法示意圖

表6 以A發(fā)射系統(tǒng)為原點(diǎn)遠(yuǎn)場區(qū)的電場強(qiáng)度預(yù)測結(jié)果

該文根據(jù)表6、表7的理論預(yù)測結(jié)果給出了發(fā)射角度（0°～360°）隨距離增加時(shí)電場強(qiáng)度預(yù)測值的變化規(guī)律。從預(yù)測結(jié)果可知，2套發(fā)射系統(tǒng)在同一發(fā)射角度下，隨著發(fā)射系統(tǒng)距離的增加，電場強(qiáng)度預(yù)測值均呈現(xiàn)逐漸衰減的趨勢。2套發(fā)射系統(tǒng)在不同發(fā)射角度情況下，隨距離的增加，電場強(qiáng)度均呈衰減的趨勢。根據(jù)理論預(yù)測結(jié)果繪制了2套系統(tǒng)在同時(shí)運(yùn)行時(shí)電磁輻射的防護(hù)區(qū)域（超過公眾曝露限制區(qū)域（電場強(qiáng)度預(yù)測值大于40 V/m），如圖4所示）。在圖4中，2套系統(tǒng)（A、B）中黑色區(qū)域內(nèi)電場強(qiáng)度預(yù)測值均大于40 V/m，應(yīng)將該區(qū)域劃定為控制范圍，設(shè)立輻射安全警示牌，禁止無關(guān)人員進(jìn)入，以便開展中波臺站后期運(yùn)行管理工作。

表7 以B發(fā)射系統(tǒng)為原點(diǎn)遠(yuǎn)場區(qū)的電場強(qiáng)度預(yù)測結(jié)果

圖4 中波臺運(yùn)行時(shí)電磁輻射防護(hù)區(qū)域

3 結(jié)語

該文對中波廣播電視發(fā)射塔（雙塔）周圍電磁輻射進(jìn)行理論預(yù)測分析，根據(jù)理論預(yù)測模型計(jì)算中波臺周圍電磁輻射情況，并根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的控制限值劃定電磁輻射防護(hù)區(qū)域，為中波臺臺站后期管理提供了依據(jù)，可以降低對周圍居民健康的影響，從而更好地開展中波臺的輻射防護(hù)工作。