复杂环境下的基站电波辐射测量与研究

2010-08-06潘启勇冯静静

常熟理工学院学报 2010年10期

范瑜，潘启勇，冯静静

（常熟理工学院物理与电子工程学院，江苏常熟 215500）

从麦克斯韦建立完整的电磁场理论并预言电磁波的存在，到赫兹证实电磁波的存在，迄今不过100多年的时间，电磁波的应用已经渗透到日常生活的各个方面.日常使用的许多家用电器都是工频电磁场发射源；而广播及电视发射塔、雷达、移动电话及基站、微波炉、电子防盗系统等则是环境中常见的射频电磁场发射源［1,2］.

由于实际环境中存在复杂的影响电波传播的因素，增大了对电波传播研究的难度，所以实地测试显得尤为重要.使用场强仪可以方便地对电磁波进行现场测量研究，分析电磁波传播的规律特性，从而解决实际应用中的问题.

本文基于便携式高频场强仪对手机基站信号进行了实地测量与研究分析，给出了大型建筑物基站辐射强度分布与室内外辐射对比等实测数据，分析了电波辐射对人体的影响.

1 便携式场强仪的使用

场强仪是测量场强的仪器，以μ V/m为单位.从原理上来说，场强仪所量度的电压（或叫电势）是天线在空中某一点感应的电压.严格来说，场强仪由电平表和天线组成.

就场强仪来说，它与天线关系非常密切，它直接与天线增益Ga有关，也与天线的工作频率范围有关，这种天线称之为测试天线，具体形式有鞭状天线，半波振子天线，对数周期天线，环行天线等.当天线在空中与被测信号极化方向相同时，取得最大感应信号，一般可用射频(RF)的有效值型电平表(电压表)来测量.电平表一般以分贝(dB)作单位，如dBmV，场强仪上一般简写为dBm［3-5］.

Protek 3200系列的场强仪是功能强大的手持式射频场强分析仪，常用于测量分析与优化无线电设备.场强仪采用合成方法，其宽带接收范围为100kHz到2.9GHz，可解调窄带调频（NFM），宽带调频（WFM），AM和单边带（SSB）调制信号.

Protek 3200系列提供了强大的场强功能和友好的人机操作界面，支持RS 232C串行通讯和GUI图形用户界面（见图1）.这样，连接电脑后用户可以基于PC机控制场强仪进行测量，转换或保存数值或图形，导出原始测量数据供专业数学软件进行分析与研究.

2 基站电波辐射测量与研究

图1 Protek 3200系列射频场强分析仪GUI运行界面

本文使用Protek 3200系列场强仪，对常熟理工学院东湖校区逸夫图书馆进行相关测量，选取频段800MHz～900MHz.图书馆外部与内部每一面各取5个点、共20个测试点.在实地测量的基础上，分析图书馆内、外与图书馆四周电磁辐射场强分布的特点，初步研究建筑物对电磁辐射的影响，包括衰减量、影响的范围以及图书馆内外部通信质量问题，初步分析了电磁辐射强度与人体健康的关系.图2是图书馆的环境平面图，该建筑物高约20m，距发射天线约300m，基站高约30m.考虑到实际环境中电波传播的复杂性，我们选取813.75MHz和814.375MHz两个频率点进行测量.

把图书馆楼顶的场强近似看作是周围无建筑物遮挡时的场强值，对比图书馆楼底西侧、楼底东侧与楼顶场强数据如表1所示：

从表1中可以看出，图书馆楼底西侧场强相对于楼顶场强衰减量大约为15dB左右.可见由于北食堂的阻挡辐射场有衰减，经过图书馆几道墙壁的阻挡，图书馆东侧的辐射场衰减很大，楼顶比较电磁波的衰减大约为25dB左右.同时也可以看出，在个别位置，由于周边建筑物的反射和散射等因素，信号强度会有明显的变化.

建筑物后影响的范围显然与建筑物的线度、建筑物至发射天线的距离及发射天线的高度等因素有关.图书馆东侧场强的衰减主要是绕射波和反射波，离建筑物越远绕射越强.由于高频电磁波的波长远远小于建筑物的线度，传播中遇到建筑物时绕射的能力很差，经过建筑物几道墙壁的反射和衰减，建筑物后的辐射场衰减很大.把图书馆楼顶的场强近似看作是周围无建筑物遮挡时的场强值，电磁波从出发经过北食堂的阻挡衰减10dB左右，再经过图书馆的阻挡衰减15～20dB左右，到达图书馆东侧的电磁波衰减20～35dB，信号在空间会有至少10dB的幅度波动.

图书馆四周外侧与内测场强如表2和表3所示.

由以上看出图书馆室内比室外信号弱很多.图书馆某些角落信号比外部信号衰减了40dB.从测量数据可见由于图书馆自身原因（如墙体较厚、面积较大、楼层较高等），存在某些网络覆盖的盲区或信号比较差的区域.移动通信技术正在迅猛发展，对通信质量的要求也不断提高，若经常发生手机通话中掉线或者无法接通，就必须考虑利用室内覆盖技术增强信号强度.室内覆盖系统根据覆盖区域的具体情况，可以综合考虑使用组合无源、有源、光纤、泄漏等方式.在实际使用中室内分布系统可使微蜂窝覆盖范围增至几十层楼左右，如果加装干线放大器，覆盖范围还可大幅度增加.

图2 图书馆及周边建筑分布图

表1 图书馆附近场强数据

表2 图书馆东墙及南墙内外场强对比表

根据《中华人民共和国国家标准环境电磁波卫生标准》（GB9175-88），对微波电磁辐射，以功率密度微瓦/平方厘米（μW/cm2）作为计量单位，国家一级（安全区）10μ W/cm2的限值，适用于一切人群经常居住和活动场所的环境电磁辐射，不包括职业辐射和射频、微波治疗需要的辐射.

通过实测数据可见，图书馆周围频率为800MHz～900MHz间的电磁场强很低，由于电磁辐射强度与发射功率成正比，而与距离的平方成反比，因此图书馆周围的功率密度远远小于10μW/cm2，是绝对安全的.电磁波在空中传播衰减很快，而且当电磁波穿过墙壁时一般要衰减10～30dB左右.因此，将基站天线建在一般住宅楼顶，对宅内居民也是安全的.

从国外测量结果看，在最坏的情况下，即楼顶天线以最大功率辐射，而屋顶顶层的衰减系数极小时，在顶层楼内的功率密度低于0.1μW/cm2.一般正常情况下，顶层楼内的功率密度低于1μW/cm2.因此，基站辐射是低强度的，是安全和可以接受的［6-9］.

各种电子设备和产品在使用过程中，都会释放出电磁波，当电磁辐射达到一定强度时会对人体的健康产生影响.电磁辐射对人体健康的影响主要有两方面：躯体热效应和神经效应.由于频率的不同，电磁辐射对人体的影响也有所不同，低频电磁辐射对人体的影响以神经效应为主，高频电磁辐射对人体的影响以热效应为主.人类长期生活在电磁环境中，任何电器只要通上电流就有电磁辐射，但并非所有的电磁辐射都会对人体产生危害，关键是要把电磁辐射控制在安全范围内.