地铁站台民用通信系统电磁环境安全评估

李 瑾

(兰州交通大学 光电技术与智能控制教育部重点实验室，兰州 730070)

近年来，地铁乘客的语音通信需求迅速增长，地铁民用通信系统采用天线实施无线信号覆盖，确保满足乘客的通信需求，在地铁站台形成了复杂的射频电磁环境[1].地铁站台电磁环境是否对人体有健康影响，这一问题成为大众关注的焦点.

目前，科研工作者对轨道交通系统电磁现象开展了大量研究，主要集中在列车供电系统、无线信号覆盖、系统抗电磁干扰等方面.文献[2]提出一种非对称方式的高铁列车无线电能传输系统，通过仿真分析及实验平台验证了可行性.文献[3]通过测量研究了地铁环境下无线信号覆盖性能.文献[4]结合实例研究了信号系统电磁干扰与抗电磁干扰故障处理问题.文献[5]通过轨道交通站内电磁辐射分布的仿真计算与测量，对地铁站内强、弱电设备电磁环境中电气设备的合理布局提出建议.

人体暴露于射频电磁场可能引发大脑、心血管系统、神经系统等损害[6-7]，环境射频电磁场作为一种潜在危险因素，对生物体健康存在风险[8].国际癌症研究机构将射频电磁辐射列为2B类致癌物[9].国际非电离辐射防护委员会(international commission on non-ionizing radiation protection,ICNIRP)制定了电磁辐射限值的导则[10].针对交通工具电磁环境的健康影响问题，学者们开展了电动汽车无线充电环境的安全性研究[11-12]、高铁车厢、地铁司机室电磁暴露研究[13-14].乘客暴露于地铁站台高频电磁环境中是否存在健康风险，这一研究课题具有重要的现实意义.

城市公共区域的环境电磁暴露中900 MHz频段辐射源暴露占比最高[15].本文选取地铁站台民用通信系统900 MHz工作频段，采用有限元电磁仿真软件HFSS设计天线，建立站台模型，结合实地测量，得到了站台候车区域不同位置的电场强度分布，并对站台电场强度的仿真与实测进行对比.对比结果表明，测量值均低于ICNIRP导则公众电磁暴露电场强度限值.

1 基于电磁仿真软件HFSS的电磁场强度模拟方法

1.1 HFSS功能简介

HFSS是Ansys公司的全波三维电磁仿真软件，该软件采用有限元法进行数值计算，功能强大，界面友好.地铁站台民用通信系统电磁环境的研究实质上是天线产生的时变电磁场分布问题，即求解麦克

韦方程组的问题，方程组的微分形式如式(1)～(4)所示.

(1)

(2)

·B=0,

(3)

·D=ρ.

(4)

式中：H为磁场密度，单位A/m；E为电场强度，单位V/m；B为磁通量密度，单位Wb/m2；D为电位移，单位C/m2；J为电流密度，单位A/m2；ρ为电荷密度，单位C/m3.

有限元法先将求解区域离散，对每个离散单元建立微分方程并线性化，再联立整体的线性方程组，最后求解边值问题，得到地铁站台空间电场强度分布.HFSS软件采用自适应网格剖分，自动剖分精确有效的网格，生成离散化模型，凭借其计算可靠、准确的优势，HFSS在天线设计、无线通信的仿真计算方面有广泛应用[16].

1.2 模拟过程

地铁站台民用通信系统吸顶天线安装在站台上方天花板处，如图1所示.天线工作在806～960 MHz、1 710～2 700 MHz 2个频段，性能参数见表1.吸顶天线结构为双锥天线的变形结构[17]，具有小型化、易于安装等优点，多用于室内信号覆盖.

图1 地铁站台天线Fig.1 Antenna of subway platform

表1 地铁站台民用通信系统天线性能参数

在HFSS软件中建立民用通信系统天线的等效辐射源，天线结构如图2所示，采用50 Ω同轴线馈电方式，设计指标满足地铁站台的通信需求.

图2 民用通信系统天线模型(单位：mm)Fig.2 Antenna model for civil communication system (units:mm)

图3是地铁站台民用通信系统电磁环境的仿真模型.设置天花板为PVC材质，地面为混凝土，厚度分别是20 mm、10 mm.天线距离地面4 m，站台宽度6 m，考虑到数值计算过程中模型尺寸对计算机硬件需求的影响，简化仿真模型，站台长度选取7 m.乘客候车区域在站台高度2 m范围内，在垂直地面的yz平面内设置4条仿真线，依次标记为a、b、c、d，高度间距0.5 m.在平行地面的xy平面内设置6条仿真线，水平间距1 m，沿y轴依次标记为e、f、g、h、i、j.计算仿真线上电场强度，以确定站台乘客候车区域的电场强度分布.

图3 地铁站台电磁环境仿真模型(单位：m)Fig.3 Electromagnetic environment simulation model of subway platform (units:m)

为了模拟开放的自由空间，在HFSS中建立尺寸为6.4 m×7.4 m×4.5 m的长方体模型，设置为空气盒子，其边界条件为辐射边界，用以代替无限大空间.设置吸顶天线表面为理想电导体边界条件.设置求解频率为900 MHz，求解迭代精度为0.02，为了满足求解效率与精度，选取二阶基函数计算.

在HFSS软件中剖分网格，得到地铁站台离散化模型如图4所示，共剖分网格255 981个，其中站台模型外的空气盒子剖分网格223 337个，天花板剖分网格12 343个，地面剖分网格19 931个，天线剖分网格370个.

图4 地铁站台离散化模型Fig.4 Discretization models of subway platform

2 电磁场强度实测

2.1 测试仪器

根据地铁电磁环境电磁场强度测量原理，采用频段可选的天线与频谱分析仪、电磁场强度分析仪组合的方法[18]进行测量.在地铁站台乘客候车区域测量点的3个正交方向依次旋转天线，选取电场强度最大值为测量值.测试设备性能参数见表2，德国E73电磁场强度分析仪与RIGOL DSA832E频谱分析仪相互独立.电磁场强度分析仪采用均值检波，频谱分析仪采用峰值检波测量.

2.2 测点布置

选取运营中的国内某地铁地下站台为测量地点，测量频段为地铁站台民用通信系统806～960 MHz，在候车区域选取2个测量点实施测量，确定空间的电场强度，以评估乘客的健康风险.地铁站台无线信号覆盖采用吸顶天线，最小覆盖半径为7 m，示意图如图5所示.

表2 测试设备性能参数

图5 地铁站台吸顶天线覆盖示意图(单位：m)Fig.5 Subway platform covered by ceiling antennas (units:m)

2.3 测试实现

现场测试设备如图6所示.测量系统的输入阻抗为50 Ω，忽略接收天线与场强仪之间的电缆损耗，空间电场强度值的计算公式为

E=K+A+107,

(5)

式中：A为频谱分析仪或场强仪的信号强度读数，单位为dBm；K是天线系数，单位为dB，随频率变化，由天线设备商提供；50 Ω测量系统的测量电压与系统读数的差值为107.测量前实施设备校准.

3 结果对比

民用通信系统天线工作在900 MHz频段时，具体分析仿真线上的电场强度如图7所示.由图7(a)可知，垂直面电场强度范围为0.002～0.077 V/m，

最大值分布在仿真线d上，最小值分布在仿真线a上，随着仿真线高度降低，电场强度衰减.图7(a)水平距离为3.5 m的中心点位于天线正下方，4条仿真线的电场强度在此点都出现较小值，这是因为在天线正下方只有反射波或绕射波形式的电磁辐射存在，4条仿真线由横轴3.5 m中心点向左右两侧方向延伸时，电场强度先增大，再出现减小趋势.由图7(b)可知，水平面电场强度在6条仿真线上的分布基本一致，范围在0.003～0.072 V/m，说明在站台内同一高度的平面上电场强度变化较小.

图6 现场测试设备Fig.6 Measurement equipment

图7 地铁站台仿真线电场强度分布Fig.7 Electric field intensity distribution on simulation lines on subway platform

地铁站台候车区域电场强度如图8所示，电场强度最大值为0.082 V/m，电场强度主要分布在0.017～0.076 V/m.

图8 地铁站台电场强度分布Fig.8 Electric field intensity distribution on subway platform

为了分析距离天线更远的计算场域，将图3中吸顶天线沿着y轴负方向移动至(0,-3.5,4)，仿真分析站台空间的电场强度分布变化.仿真可知，电场强度大小主要分布在0.003～0.064 V/m范围内，电场强度沿着远离天线的方向衰减.

RIGOL DSA832E频谱分析仪测量数据截屏如图9所示.E73电磁场强度分析仪与频谱分析仪的测量结果见表3，民用通信系统天线信号强度范围为-59～-30 dBm，最大值与最小值相差倍数为1.97倍，电场强度为0.003～0.090 V/m，最大值与最小值相差倍数为30倍.

文献[15]测量得到900 MHz的电场强度值为0.080 V/m，本文对应频率的测量值为0.023 V/m，在同一数量级，验证了测量的可靠性.电场强度实测结果0.003～0.090 V/m与仿真结果0.017～0.076 V/m分布基本一致.

图9 频谱分析仪测量数据Fig.9 Measurement data of spectrum analyzer

4 结果评价

与地铁职业工作人员不同，普通人群在地铁系统电磁环境的暴露下，对相关风险并未采取预防措施，乘客包括所有年龄段和不同健康情况的个体.针对公众群体，ICNIRP导则制定了电磁环境中公众电磁暴露限值，公众暴露限值比职业暴露更加严格.ICNIRP导则规定当频率f为400～2 000 MHz时，公众电磁暴露电场强度限值计算式为1.375f1/2.将测量结果与ICNIRP限值作比较，见表4.由表4可知，民用通信系统900 MHz频段内的电场强度均低于ICNIRP公众电磁暴露限值，测量值与限值的比值在7.42e-05～2.22e-03倍之间，在此环境下，乘客在地铁站台候车不会遭受电磁暴露风险.

对地铁站台民用通信系统天线900 MHz频段辐射下的地铁站台电磁环境进行测量和仿真计算，得到乘客候车区域电场强度分布，结果表明：

表3 地铁站台民用通信系统天线测量值

表4 地铁站台民用通信系统天线测量值与ICNIRP限值对比

1) 在地铁站台乘客候车区域测量得到信号电平范围为-59～-30 dBm，转换为电场强度为0.003～0.090 V/m.HFSS软件仿真得到站台候车区域电场强度分布在0.017～0.082 V/m，测量与仿真结果基本一致.验证了测量方法与HFSS数值计算的一致性和可靠性.

2) 测量所得地铁站台候车区域电场强度为0.003～0.090 V/m，低于ICNIRP导则制定的公众电磁暴露限值，测量值所在频段对应的限值为40.440～42.358 V/m，测量值与限值的比值低于2.22e-03倍.

3) 地铁站台除了民用通信系统900 MHz频段的电磁辐射源，还有其他频段射频电磁辐射源，有待进一步完善测量与模拟数据，这是下一步地铁站台电磁环境安全性评估的工作方向.