WCDMA通信基站电磁辐射环境分布与预测

2015-04-20任定高

绿色科技 2015年8期

任定高，翟斌

（1.核工业北京化工冶金研究院，北京101149；2.中国联合网络通信有限公司北京市分公司，北京100038）

1 引言

近年来，随着通信事业日新月异的发展，大量通信基站也应运而生，覆盖了城市、郊区、乡村，给人们带来巨大便利，同时，电磁辐射问题也引起了越来越多的关注［1，2］。

我国20世纪90年代开始对于通信基站电磁辐射环境影响的研究［3～9］。北京市制定了移动通信基站建设项目电磁环境影响评价技术导则（DB11／T 784－2011）［10］等，以对通信基站电磁辐射影响进行规范管理与控制。在理论预测方面，规范仅给出了基站发射天线远场区主轴方向功率密度计算公式（式1）。通信基站所发出的电磁波具有很强的方向性，尽管主轴方向电磁辐射最强，对于基站附近地面上活动的人群而言，产生影响的往往是天线主瓣边缘或旁瓣，其影响方式与大小目前尚无规范予以明确指导。为此，研究出一套相对准确的方法，系统地对通信基站电磁辐射空间分布进行预测，从而全面评价其环境影响是十分有必要的。

通过对联通2013年647个WCDMA基站调查与监测的基础上，采用均匀直线天线阵函数对 WCDMA基站天线方向图函数进行拟合，系统研究了在不同架设高度、下倾角、载波等因素影响下的电磁辐射水平、垂直及主轴方向的分布规律，采用实测数据与预测结果进行验证。

2 现场调查与仪器

2.1 通信基站调查

联通WCDMA基站现场调查时间为2014年6～10月，依据《移动通信基站电磁辐射环境监测方法》（试行）（环发［2007］114号），以发射天线为中心，调查半径50m范围内的环境保护目标并监测电磁辐射功率密度（μW／cm2），同时记录监测时间、温度、湿度、天线方向角及挂高等。相应基站载频数、增益、极化方式、俯仰角、天线水平及垂直半功率角等参数。

2.2 监测仪器

监测仪器为德国Narda公司NBM－550，性能与参数见表1。

表1 电磁环境检测仪器性能与参数

2.3 验证监测

为对WCDMA基站电磁辐射预测结果进行验证，选择了1个联通2013年新建WCDMA基站进行了实际测定。该基站架设方式为落地杆塔，具有单站、相对空旷干扰小、测定空间较大的特点，测定时以发射天线为中心，沿天线主瓣方向每隔5m测定一次，记录电磁辐射功率密度变化情况。

3 结果与讨论

3.1 基站配置相关参数

通信基站的电磁辐射环境影响与其射频装置型号、发射功率、载频配置、增益、架设高度及下倾角等参数密切相关。通过对联通2013年647个WCDMA基站的现场调查与资料调研，其基站配置相关参数如表2所示，天线方向图如图1所示。

表2 联通2013年WCDMA基站配置相关情况

3.2 天线轴向功率密度

通信基站发射天线主轴方向（图2）的功率密度采用式（1）进行计算：

图1 联通WCDMA基站天线水平面（左）及垂直面（右）方向

图2 联通WCDMA基站天线主轴方向示意

式中：P d—远场轴向功率密度，W／m2；P—馈入天线端口实际发射功率，W；G—天线增益，倍数（100.1dBi）；r—在天线轴向上，测量位置与天线的距离，m。

上式中，功率、增益与损耗常用dB表示，功率（W／cm2）与功率（dBm）、增益G（倍数）与G（dBi）之间关系按式（2）、式（3）进行换算：

因此，式（1）可以等价换为式（4）：

式中：P d—远场轴向功率密度（μW／cm2）；P—馈入天线端口实际发射功率（dBm）；G—天线增益（dBi）；L—天馈系统损耗（dB）；r—在天线轴向上，测量位置与天线的距离（m）。

上式预测结果为发射天线远场轴向方向功率密度（图2），远场区定义为辐射强度角分布基本上与距天线的距离无关的区域，在辐射远场区，将天线上各点到测量点的连线可看做平行，所引入的误差小于一定的限度。其计算公式如式（5）：

式中：R为远／近场划分距离，单位为m；D为天线最大截面尺寸，单位为m；λ为发射基站工作波长，单位为m，对于WCDMA基站，基站发射工作频率为2 110～2 170 MHz，即波长λ为138～142 mm。按照WCDMA系统定向天线长度1.3 m计算，其远场轴向功率密度的起始计算点为24 m。

轴向方向为发射天线电磁波最集中的区域，也是污染最大的区域。对轴向方向电磁辐射的预测，能评价发射基站电磁辐射的最大环境影响。

联通2013年WCDMA基站多采用爱立信RBS6601分布式基站，单载扇标称功率为20 W，对于S333配置，标称功率可达60 W。同时，WCDMA基站实行严格的功率控制，超过设定的门限将会限制接入和业务。根据联通网络数据统计，除极个别业务繁忙地区功率负荷可达50%外，平均的功率负荷约在20%～30%之间。此外，发射功率还存在馈线损耗，馈线两端还需要连接跳线、避雷器等，相应的器件有对应的插入损耗，综合各因素，联通WCDMA整个天馈路径损耗为6.8 dB。因此，在最大的发射功率（60 W×50%，）及功率负荷下，WCDMA基站在轴向方向上功率密度计算参数如表3。

表3 联通WCDMA基站天线轴向功率密度计算参数

因此，根据式（4）及表3，WCDMA远场轴向功率密度计算分别如式（6）：

根据式（6），轴向方向功率密度随轴向距离变化如图3所示。

根据图3，基站天线轴向功率密度随距离的增加不断衰减，当轴向距离为19 m时，功率密度值即已低于HJ10.3－1996中对于单个项目电磁辐射的评价限值（8 μW／cm2），当轴向距离为30 m 时，功率密度为3.12 μW／cm2。轴向功率密度的变化规律可以为制定天线水平防护距离提供依据。

3.3 水平地面电磁辐射功率密度

图3 WCDMA基站天线轴向功率密度变化

目前，对于基站电磁辐射环境影响多采用轴向功率密度计算（式1），但事实上，由于天线架设具有一定高度，并且下倾角较小，对于基站附近活动的人群而言，受到影响更多的是基站天线旁瓣，而且监测时，也往往难以达到天线主轴的高度，监测的值多为天线旁瓣的辐射值。因此，需要对式（4）中天线增益做出修正，以计算在垂直方向上基站天线非轴向功率密度分布规律。设修正函数为f（θ）·f（φ），则式4可以修正为：

式中：Ph—水平地面功率密度（μW／cm2）；P—馈入天线端口实际发射功率（dBm）；G—天线增益（dBi）；L—天馈系统损耗（dB）；rh—水平地面上监测点与基站天线距离（m）。

对于函数f（θ）·f（φ），其中θ、φ分别为垂直面与水平面上与天线轴向的夹角，当f（θ）与f（φ）为1时，式（7）与式（4）等同，即式（7）可以看做式（4）的拓展，是一种实用性更广的公式。根据图1中WCDMA基站天线方向图，水平面变化近似圆，f（φ）变化较小，而垂直面变化较大，因此f（φ）＝1，式（7）可简化为：

利用均匀直线天线阵可以很好地模拟图1中WCDMA基站天线垂直方向图四旁瓣特点，其拟合公式和拟合图分别如式（9）、图4所示。

图4 WCDMA基站天线垂直方向图（左）及均匀直线天线阵模拟图（右）

根据式（8）及式（9），即可预测出在地面水平方向上某点（图5）的电磁辐射功率密度：

从图5中可以推算出式（9）中的θ计算公式为：

式中：H为测点距离天线的垂直高度（m），d为测点距离天线的水平距离（m），α为天线下倾角。根据式（8）、式（9）及式（10）即可对基站天线在水平方向的电磁辐射影响进行预测，分析评价其影响。

3.3.1 不同高度的水平方向电磁辐射分布

取2013年联通647个基站天线下倾角平均值10°，架顶实际最大功率44.77 dBm，天馈系统损耗6.8 dB，天线增益17.5 dBi（表3），在一定的架设高度下，当测点距离天线垂直距离分别为3、4、5、10、15、30 m 时，根据式（8）、式（9）、式（10）可计算出基站电磁辐射在这些高度上的水平分布规律，如下图6所示。

图5 基站附近水平面电磁辐射功率密度计算简化模型

图6 WCDMA基站天线不同垂直距离水平面上电磁辐射分布预测

由图6可知，随着垂直距离的增大，电磁辐射呈下降趋势。在某一垂直距离的水平面上，以H＝10 m为例，由于WCDMA基站天线的四旁瓣特点，在水平距离＜25 m时，电磁辐射强度虽然整体在下降，但有三个波峰，为跳跃式的变化。每个水平面的最高值并非出现在距离天线最近处，而是在天线主瓣与该平面的交点，并随着垂直距离的增大，波峰向后移动，这是与基站天线具有较强方向性相对应的。

当H＝3 m时，水平距离13～18 m处功率密度超过了HJ10.3－1996中对于通信基站单个项目电磁辐射强度的评价限值要求（8μW／cm2）。当垂直距离＞4 m时，通信基站单个项目电磁辐射强度低于限值要求（8μW／cm2），因此，对于基站天线的防护而言，不仅需要根据其轴向变化规律，制定水平防护距离（图3），而且需要根据不同垂直距离处电磁辐射在水平方向的分布，确定垂直防护距离。依据本文的结果，对于WCDMA基站而言，垂直距离＞4 m是可行的。

3.3.2 下倾角对电磁辐射在水平面分布的影响

与上述预测参数相似，设架顶实际最大功率44.77 dBm，天馈系统损耗6.8 dB，天线增益17.5 dBi（表3），天线假设高度为15 m，当天线下倾角分别为5°、10°与15°时，水平地面电磁辐射功率密度分布如图7。

图7 不同下倾角时基站天线水平地面电磁辐射分布预测

由图7可知，与图6相似，在近距离处，辐射强度受旁瓣的影响，也是跳跃式下降。随着天线下倾角的增大，水平地面上电磁辐射最大值向距离减少的方向移动，并且最大值有变小的趋势。这是由于下倾角越大，主轴上电磁波在越近的范围达到地面，并且衰减途径变短，因此其值会增大。这说明，在实际的基站建设与管理中，下倾角也是影响电磁辐射的重要因素，增大下倾角，天线影响范围变小，但监测值会升高，减小下倾角，天线影响范围会增大，但由于衰减途径变大，最大值也会相应降低，需要在综合考虑基站信号覆盖度、周围敏感建筑、发射功率及到达地面功率的基础上，设置合适的下倾角。

3.4 现场实测与验证

为对预测公式进行验证，选择了联通2013年一新建WCDMA基站进行了实际测量，并与理论预测结果进行了验算。该基站位于北京市朝阳区北五环路北朝来高科技产业园内，天线架设高度20 m，下倾角6°，方向角0°／120°／240°，0°方向有一广场与园内道路（图8a）。测定时在此方向每隔5 m布点，直至150 m，实际测定结果与理论预测值见图8b。

监测结果表明，实测值与理论值有较好的符合关系，在50 m范围里，由于旁瓣的影响，呈跳跃式的变化，并且在主瓣的作用下，预测值与实测值最后一个波峰均出现在140 m处。由此可见，本文中采用的预测模型与公式能较好地反映WCDMA基站对水平方向的电磁辐射影响。

3.5 基站电磁辐射防护建议

图8 实际监测点位（a）及水平地面电磁辐射预测值与理论值（b）

（1）计算结果表明，通信基站电磁辐射功率密度最大区域集中在轴向方向，该方向电磁辐射的防护是主要对象。可采取的措施为一方面为合理设置天线朝向，防止保护目标进入主瓣影响范围，但在复杂的城市环境下，往往难以实现；另一方面为设置足够的防护距离或根据“可合理达到尽量低”的原则，降低发射功率，使天线主瓣到达保护目标时，功率密度已经降低到控制标准以下。

（2）根据预测结果可设置联通 WCDMA基站的水平与垂直防护距离。由图3可知，当轴向距离超过19 m时，功率密度值已经低于HJ10.3－1996中对于单个项目电磁辐射的评价值（8μW／cm2），由于天线下倾角一般较小（＜10°），在目前联通 WCDMA基站运行参数下，该距离可以看作水平的防护距离。根据图6，在垂直距离为3 m的水平方向上，有超过限定值8μW／cm2的空间，而4 m时已没有超标空间，因此，4 m可以认为是WCDMA基站的垂直防护距离。

（3）计算结果表明，通信基站电磁辐射影响的敏感区域主要为轴向与垂直距离＜3 m的空间内，因此在基站建成后，应当加强此区域的监测，如正对天线的受保护目标或架设在城市楼顶基站，一方面考察其水平与垂直方向是否预留了足够的保护空间，另一方面进行辐射监测。此外，在公众活动的水平地面上，电磁辐射最大值往往不出现在基站附件，而是在天线主瓣达到地面处，虽然在垂直距离超过4 m的水平方向上，没有超标空间的出现，但在实际监测时，应对这一现象予以考虑。

最后，需要说明的是，本文是在理想状态下进行的预测，旨在为通信基站电磁辐射环境影响提供一定的理论依据与参考，没有考虑实际环境中障碍物对电磁辐射的吸收、电磁波自身的反射、衍射及绕射等因素，这也是一个复杂的体系，需要更系统、全面地研究。