移动通信基站电磁辐射能力验证的设计*

赵 楠 武 彤 沈庆飞 马文华 宁书岩

(1.天津市计量监督检测科学研究院，天津 300192；2.中国计量科学研究院， 北京 100013；3.中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100037)

0 引言

移动通信基站电磁辐射是一项受社会关注度很高的检测项目，其检测结果的准确性尤为重要。建立可靠的移动通信基站能力验证与比对系统，通过检测数据的比对，能够确定相应机构的该项目检测能力，进而保证检测结果的准确可靠。

在电磁环境领域，尚没有构建完成的能力验证和比对系统可以参考，我们针对目前移动通信基站按照安装方式进行分类，选取典型基站进行评估，总结出该类型的移动通信基站电磁辐射模型，按照这个模型来构建移动通信基站电磁环境能力验证和比对系统。

1 移动通信基站的分类与模型选取

移动通信基站电磁辐射主要是由基站天线发出的，依据安装位置不同，有室外基站天线和室内覆盖系统天线两种类型。室外基站天线依据安装方式的不同，又分为拉线塔天线和抱杆塔天线。由于拉线塔天线架设位置较高，电磁辐射强度较小，因此，我们构建的电磁环境能力验证与比对系统没有选择拉线塔作为参考模型，而是选择了室内覆盖系统和抱杆塔作为所构建电磁环境能力验证和比对系统的参考模型。

室内覆盖系统和室外基站天线电磁辐射环境模拟和构建的方法和流程是相同的，因此，本文分别就室内和室外覆盖系统，来说明我们所建立电磁环境能力验证和比对参考模型的步骤和方法。具体方法流程如图1所示。

图1 移动通信基站电磁环境比对系统构建流程

2 基站电磁辐射的评估

2.1 室内覆盖系统电磁辐射的评估

本部分研究目的是检测位于公众可以进入场所的室内覆盖系统的射频暴露值，确定暴露量大小的范围，研究室内覆盖天线的安装方式，从而为电磁环境比对系统的构建提供依据。

2.1.1 评估对象选取

室内覆盖系统通常安装在每层楼的天花板。一般状况下，天线端口输出功率为15dBm。为了简化分析，本次选定的建筑物内，仅有中国移动的GSM900基站。本文选择位于北京市海淀区丹棱街的中国移动通信集团设计院有限公司办公大楼内的五处不同位置的室内覆盖系统为评估对象。

2.1.2 电磁辐射的评估

对于电磁场辐射暴露这种可能对人体造成损伤的测量，进入测试场地之前一般需要对拟到达的测试场内的场强进行初步评估，以免造成人身损害。预评估的主要目的是保护测试人员，制定测试计划。本次选择的室内覆盖系统，在测试区域没有其他明显的辐射源。因此，依据运营商所提供的移动通信基站发射功率和天线的增益等技术参数进行相关计算，得到功率密度值。在天线20cm处，天线输入功率15dBm条件下，确定其功率密度最大值为0.1255W/m2。

通过对实际五处室内覆盖系统的测试，在14层测得最大值是0.1383W/m2，不确定度为2.2dB。在考虑测量不确定度后，可以认为此基站天线基本能够反映室内覆盖系统的电磁辐射水平。

2.2 室外基站电磁辐射的评估

对于室外基站电磁环境而言，评估分析的方法及流程均与室内覆盖系统的相同。我们也按照室内覆盖系统相同的方法进行了评估和测量。由于室外电磁环境更为复杂，我们选取电磁环境相对理想的广西壮族自治区某基站作为研究对象。在距天线主瓣方向5m处测得功率密度最大值为0.1318W /m2。在考虑测量不确定度后，可以认为此基站的电磁辐射量基本能够反映该室外基站的电磁辐射水平，适宜做为能力验证的参考值。

3 基站电磁辐射能力验证系统的构建

3.1 天线附近电磁环境的分析

根据电磁场的传播原理，以及所处环境的反射物状况，基站天线的电磁环境复杂程度可进行如下划分：

3.1.1 源区域的划分

根据电磁场的传播原理，随着距离的增大，源区域可以划分为：

1)源区域I：感应区，一般分布在天线外罩内部。

2)源区域II：近场区，电磁环境测试需要重点考虑的区域。

3)源区域III：满足远场条件，考虑“点”源天线，一般不会超过电磁环境标准限值。

3.1.2 环境区域的划分

依据环境区域内散射物的数量可以将环境由简到繁依次划分为：

1)环境区域0(无散射)：在这个区域，来自直射路径的电磁波场强大于被评估源的任何散射波10dB。

2)环境区域1(一个反射体)：在这个区域，除了直射路径，还有一个单独的最主要的散射体，其场强比任何其他散射体大10dB以上，这样的散射体通常是地面反射。

3)环境区域M(多个散射体)：其可能是有足够信息可模拟的，也可能是无法模拟或者多重模拟的。

3.1.3 电磁环境的区域选取与模拟

如图2所示，考虑到比对系统的重复性，我们模拟的环境复杂度有两个：一个是环境区域0，即无散射，此条件可以通过全电波暗室模拟；另外一个是环境区域1，即一个反射体，利用半电波暗室的地面作为反射体来实现。对于源区域，感应区一般分布在天线外罩的内部，同时考虑到基站电磁辐射随着距离增大迅速衰减，故选择的源区域基本覆盖源区域II。

图2 辐射源-环境区域剖面示例图

3.2 移动通信基站比对装置设计

通过上面的分析，我们用基站天线与信号源、功率放大器、耦合器和功率计相连接搭建了移动通信基站电磁环境的比对装置，如图3所示。

1.室内覆盖系统天线；2.室外基站天线图3 移动通信基站电磁辐射比对装置构成

3.2.1 室内覆盖系统电磁环境比对装置

将室内覆盖系统天线置于暗室内的一个面上，天线面向室内，固定天线的位置，确认测量位置，这样就构成了该比对系统。再通过地面吸波材料的变化来实现环境区域的变化，进而组成室内覆盖系统的电磁 环境比对装置，如图4所示。

图4 室内覆盖系统电磁环境比对装置

3.2.2 室外基站电磁环境比对装置

室外基站电磁环境比对装置结构上基本与室内覆盖系统相同，只需要将室外基站天线或者测量探头置于半电波暗室转台，通过转动转台可以模拟基站天线主瓣和副瓣不同方向的辐射状况，如图5所示。

图5 室外基站电磁环境比对装置

3.3 稳定性试验

用于能力验证的比对装置的稳定性是极其重要的，为此，我们进行了为期一个月的长期稳定性试验，每周测量一次，共计四次。同时，进行了短期稳定性试验，每隔1个小时一次，测量2天，共16次，数据见表1。经过计算，在900MHz和1800MHz下的稳定性指标分别达到1.0dB和1.6dB，完全能够满足能力验证的需要。

表1 稳定性试验数据

4 结束语

设计一项移动通信基站电磁辐射的能力验证与比对工作，一定从设计之初按照当前移动通信基站电磁辐射的状况，选取典型基站进行测量，根据测量结果，在实验室内搭建参考电磁环境。根据模拟选取相应的模型，考虑测量程序、实验布置等设计步骤，以尽可能避免干扰因素。特别需要注意的是，电磁辐射暴露可能对人体造成伤害，实验人员的人身安全需要引起高度重视。

参考文献

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