移动通信基站周围电磁环境分析

郭 双，陈嘉庆

（国家无线电监测中心检测中心，北京 100041）

1 引言

随着我国社会和科技的进步，通信技术蓬勃发展，尤其是公众移动通信业务，由二十多年前的第一代模拟制式手机起步到2G时代的GSM、CDMA、3G时代的群雄并起再到如今4G（LTE）技术智能手机的基本普及，而5G技术的应用也指日可待了。为了保证多种移动通讯业务的服务质量，城市移动通讯基站越来越密集，不少通讯基站建设在人口密集的城市中心区域。这些不断更新发展的无线通信技术给人们的日常生活提供了很大便利，但同时也增加了人们对于电磁环境辐射安全的担忧。因此，许多居民对基站周围的电磁环境安全产生了恐惧感，担心电磁辐射会影响人体健康。电磁辐射环境安全日益受到重视，部分群众对建设在附近的基站持有强烈的抵触态度，关于通信基站电磁辐射的投诉时有发生。通信需求和对电磁环境的担忧存在着矛盾，因此科学公正地分析基站对周围电磁环境产生的影响，不仅有助于缓解群众担忧，而且也有利于移动通信网络的建设和健康发展。

2 基站辐射的原理

电磁辐射是指能量以电磁波的形式在自由空间传播的现象。基站电磁辐射一般是指室外部分的电磁辐射，室外基站主要由天线和馈线组成。基站运行时，其发射天线将馈线中的高频电磁能转换为自由空间的电磁波，电磁波承载着能量向周围空间传播，形成电磁辐射。图1是天线的基本辐射原理图，天线的辐射基础是瞬变的电荷，载有交变电流的导线就会辐射电磁波，其辐射能力与导线的长短和形状有关。距离很近的两条导线，因电动势相互抵消辐射较微弱，双绞线就是利用这一原理减少传输能量的损失。将两导线逐渐张开，导线所产生的感应电动势叠加，辐射随之逐渐增强，直至两导线电流方向一致时达到最强。当导线的长度远小于波长时，辐射很微弱；当导线的长度可与辐射的电磁波波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，形成较强的辐射，长度等于1/4波长时，辐射最强，成为半波对称振子。半波振子就是一个简单的天线，实际天线通常是由振子叠加而成的。

图1 天线辐射原理图

移动通信基站天线按照方向性可以分为全向天线和定向天线，定向天线的主波束辐射较强，旁瓣辐射较弱，能够抑制后向信号且具有较高增益。为提高有效距离避免相互干扰，城区小区型移动基站一般采用3个板状的定向天线，每个板状天线负责120度区域，实现“三叶草状”全方位覆盖。作为基站的主要组成部分，天线将导行波转换到自由波的同时，也引起了群众对基站产生辐射的担忧。

3 测试方案

为分析基站对其周围电磁环境产生的影响，在距离基站较近地点选取一些具有代表性的测试点尤为重要。这次测试地点选取在被测楼房的楼顶及西北方位较近距离均有基站的某办公楼，并在楼内重要的办公场所（多个办公室、值班室等）、主要的公共活动区域（会议室、走廊等）和一些接收辐射明显的暴露点（窗边）作为测试点。每个点的测试依据标准《辐射环境保护管理导则电磁辐射监测仪器和方法》（HJ/T10.2-1996）中的要求展开，并将所有的测试结果与《电磁辐射防护规定》（GB8702-88）中规定电磁环境的限值进行分析和比对，根据最终结果得到相应结论。

3.1 测试地点情况

选择某六层办公楼A作为测试地点，图2为办公楼A及周围基站的布局图。A楼顶架设有移动通讯基站（三个定向天线），B是楼顶架设有与A类似基站的六层办公楼，B在A的西北方向，相距约50m。办公楼A属布局较为规整的建筑，其内部各个楼层的结构布局相同。为简明地示意测试点，以办公楼A的6层结构布局为例进行说明，具体的结构布局及测试点分布如图3所示。办公楼A楼顶基站360度覆盖，其办公楼内南北两侧电磁环境应对称，测量只选择办公楼南侧做代表。为分析B楼基站的影响，增加了靠近B侧楼梯拐角的电磁环境测试。以均匀分布为原则，分别对办公楼A内6层会议室中心（测试点1）、6层楼梯拐角（测试点2）、601（测试点3）、5层会议室中心（测试点4）、5层楼梯拐角（测试点5）、501（测试点6）、503（测试点7）、304（测试点8）、302（测试点9）共计9个典型位置作为采样点进行测试。

通过调查得知，此移动基站包含870-880MHz、954-960MHz、1830-1860MHz、2125-2155MHz、2300-2320MHz、2555-2575MHz六个频段，在每个典型位置分别测试六个频段。

图2 办公楼A及周围基站的布局图

图3 办公楼A的内部结构及测试点分布示意图

3.2 测试依据

GB8702-88标准中规定了电磁环境中控制公众曝露的电场、磁场、电磁场（1Hz-3GHz）的场量限值和评价方法。根据GB8702-88中规定，对于100kHz以上频率，在远场区只限制电场强度或者磁场强度，或等效平面波功率密度，在近场区需同时限制电场强度和磁场强度。由于基站的主要辐射区属于远场区，本文对某办公楼的电场强度和等效功率密度进行测试分析。GB8702-88中规定的基站工作频段限值如表1所示。

表1 基站工作频段部分限值表

对于电场强度，标准GB8702-88的评价方法中规定，当公众曝露在多个频率的电场磁场、电磁场中时，应综合考虑多个频率的电场、磁场、电磁场所致曝露，在0.1MHz-300GHz之间应满足以下关系式：

式中，Ej为频率j的电场强度；EL，j为表1中频率j的电场强度限值。

对于等效平面波功率密度，在自由空间中，可以依据式（1）将测试数据中电场强度转换为功率谱密度。在实际应用中通常要求功率谱密度低于限值的1/5，即0.08W/m2。

3.3 测试仪表的选择

GB8702-88中标明，电磁环境监测工作应该按照《环境监测管理办法》和HJ/T 10.2、HJ681等国务院环保主管部门制定的国家环境监测规范进行。《辐射环境保护管理导则电磁辐射监测仪器和方法》（HJ/T 10.2）中规定：对电磁环境辐射进行测试时可以选择各向同性的响应或具有方向性电场探头或者磁场探头的宽带辐射测量仪。采用方向性探头时应在测量点调整探头测试方向以测出测量点的最大辐射电平。

本次测试使用德国NARDA公司生产的电磁选频辐射分析仪（型号SRM-3006），使用三轴全向天线（型号3501）对待测的多个频段的电磁环境场强进行测试，设备照片如图4所示。

图4 设备照片图

3.4 测试方法及结果分析

选择10：00-12：00移动基站高峰工作时间段，为了模拟人体在电磁环境中所受的辐射，将三轴全向天线升高至1.7米高度并架设在每个测试点的中心位置，测试布置如图5所示。测试系统布置完成后，利用SMR3006的积分功能测试出被测试频段的电场强度。由于移动基站包含6个工作频段，需在每个测试点就6个频段电场强度进行测试，每次连续测量5次，测试时间大于15秒。按照图3中标记的顺序依次进行测试。

图5 测试布置图

对于电场强度，由于被测环境中基站包含6个频段且每个频段包含多个频率。根据GB8702-884.2评价方法的要求，利用SRM3006仪器的积分功能测量出单独每个频段的积分场强值。再将每个测试点六个频段电场强度数据利用式（2）将六个频段电场强度对限值归一化并求和，所得的电场强度的测试结果如图6（a）所示，九个典型位置所得的结果远远小于限值1，满足标准的要求。

图6 （a）电磁强度与限值的比值

图6 （b）功率谱密度

利用式（1），将电场强度转换为功率谱密度，结果如图6（b）所示，功率谱密度远低于限值的1/5。根据Frris传输方程，可知辐射功率P∝1/d2随着距离的增加辐射减弱。为进一步明确移动基站电磁辐射特性，本文从横向和纵向两个方面对测试数据进行分析。

横向分析：选取相同楼层不同位置的测试点分析。测试点2（6层楼梯拐角）、3（601）、1（6层会议室）三个测试点逐渐靠近A移动基站，辐射功率增强，其中测试点2辐射较强是因同时包含了B办公楼基站的影响。测试点5（5层楼梯拐角）、测试点6（501）、测试点4（5层会议室）为办公楼五层逐渐靠近基站的三个测试位置，辐射强度变化规律与6层相同。测试点9（302）、7（303）、8（304）是三层逐渐靠近A基站天线的三个测试位置，由于低楼层存在反射和建筑物遮挡等原因，辐射强度不完全符合Frris公式。

纵向分析：选取位置相同而楼层不同的测试点分析。测试点2（6层楼梯拐角）与5（5层楼梯拐角）、测试点3（601）与6（501）、测试点1（6层会议室）与4（5层会议室），对比三组数据，可知均随着楼层的降低，距离变远而辐射呈减弱趋势。

4 结束语

本文通过选取典型的测试地点，分析了移动基站对周围电磁环境的影响和辐射传播特性。此办公楼附近基站对电磁环境的影响很小，远低于GB8702-88中电磁环境安全限值。由于实际环境中存在遮挡、多径效应等原因，辐射并不完全遵循Frris公式。