低频通信系统天线近场辐射危害研究

王彦碧

（中国船舶重工集团公司第七二二研究所，武汉 430205）

频率处于十几赫兹、波长大于数十公里的低频通信一直备受欧美等各军事强国的重视。虽然通信效率低，且产生低频电磁波需要极大的功率基站和发射天线，低频通信系统仍然是对水下单向通信的重要手段。

美国卡特勒（Cutler, MA.）甚低频天线系统的发射功率为1.8 MW，所用的伞状天线阵列可在24 kHz下高效辐射，其中心垂直天线桅杆辐射甚低频电磁波，水平悬挂电缆阵列作为电容器来增加垂直辐射器的效率。美国吉姆溪（Jim Creek, WA.）甚低频长波通信站主要负责太平洋海域的水下单向通信，其天线阵列由10个链状电缆线组成，垂直电缆线为主要辐射单元。欧美等国较多关注的是大功率发射系统的效率和作用距离，而对上述低频通信系统的大功率发射天线暴露在空旷地带所产生的近场电磁辐射对附近人员和设备造成严重电磁辐射危害则较少研究[1]。在电磁辐射危害方面，IEEE-Std-C95.1—2005[2]和IEEE-Std-C95.6—2002[3]标准分别对 0~3 kHz和3 kHz~300 GHz频段内，生物体所能承受的电磁辐射进行了详细论述。GJB 5313A—2017《电磁辐射暴露限值和测量方法》重点关注的是测试区域的平均场强[5]，而GB 8702—2014《电磁环境控制限值》主要关注的是电磁辐射危害对人员伤害的积累效应[6]。文中通过试验，获取了不同功率和频率条件下，低频通信系统天线近场综合场强值，并将电磁辐射区域划分为危险区、短时活动区和安全工作区。

1 低频通信系统

低频通信系统具有系统组成设备庞杂、天线布局难度高、发信电压高、发射功率大等特点，其组成如图1所示。低频通信系统发送部分由电源、显控台、信号激励器、发信控制终端、功放设备、调谐设备和低频菱形天线组成，收信部分安装在水下舰艇中。信号激励器将低频信号传送至发信控制终端，后者经过加密、调制传输至功放设备，信号经大功率放大后，通过甚低频菱形天线辐射至外部空间。由菱形天线、下引线、电晕环等构成的某型甚低频菱形发射天馈线如图2所示。

图1 低频通信系统（发送端）组成

2 天线近场辐射危害试验

利用瑞士Nadar公司NBM-550型电场测试仪场强测试系统（编号 E-0752）以甚低频菱形天线为中心，在2500 m2矩形范围内，沿对角线方向，每间隔5 m选取一个测试点，共计30个测试点，从10~20 kHz频段内，每间隔1 kHz测试不同发射功率条件下的电磁辐射综合场。归一化测试工况见表1。

图2 低频通信系统大功率发射天线

表1 低频菱形天线电磁辐射综合场测试工况

低频通信系统在工作频率为20 kHz、天线增益为2时，发射功率分别为10、11、12 kW小功率条件下的天线近场电磁辐射综合场随距离变化曲线如图 3所示。GJB 5313A—2017和GB 8702—2014中要求，在考虑电磁能量累积效应时，2.9~57 kHz甚低频频段内的场强不大于70 V/m，即70 V/m为甚低频段安全区域临界值。

图3 低频菱形天线小功率条件下电磁辐射综合场随距离变化曲线

由图3可见，小功率发射时，低频通信系统甚低频菱形天线电磁辐射近场随距离的增加而逐渐衰减，场强值从90 V/m下降到10 V/m，辐射近场随着发射功率的增加而增加。另外，以甚低频菱形天线为中心，13 m半径范围内为危险区，其峰值场强高于70 V/m，13~25 m半径范围内为短时活动区，25 m半径外为安全工作区。

低频通信系统在工作频率为10~19 kHz之间、天线增益为2时，发射功率为50~140 kW的大功率条件下，天线近场电磁辐射综合场随频率变化曲线如图4所示。

图4 低频菱形天线大功率条件下电磁辐射综合场随距离变化曲线

由图4可见，大功率发射时，低频通信系统甚低频菱形天线电磁辐射近场随距离的增加而逐渐衰减，场强值从475 V/m下降到15 V/m，辐射近场随着发射功率的增加而增加。

大功率天线近场辐射易对人体产生伤害，IEEEStd-C95—2005 Table4中规定，在3~100 kHz甚低频频段范围内的场强值不得高于614 V/m（175.76 dBuV/m），长时间活动将会对人员脑垂体、心肺、瞳孔等功能产生危害。因此，结合GB 8702—2014中要求，以甚低频菱形天线为中心，40 m半径范围内为危险区，其峰值场强高于70 V/m，40~70 m半径范围内为短时活动区，70 m半径外为安全工作区。

4 结语

文中通过试验获取了不同功率和频率条件下，低频通信系统天线近场综合场强值，基于 IEEE-Std-C95.1-2005、GJB 5313A—2017以及 GB 8702—2014，将低频通信系统天线近场工作区域划分为危险区、短时活动区和安全工作区。研究结果表明，以甚低频菱形天线为中心，40 m半径范围内为危险区，其峰值场强高于70 V/m；40~70 m半径范围内为短时活动区；70 m半径外为安全工作区。该研究成果可为低频通信系统电磁辐射危害有效控制提供技术支撑。