中波广播天线近场区电磁辐射场强空间分布研究

靳士科 何占飞

（中核第四研究设计工程有限公司，河北石家庄 050021）

1 引言

中波是世界各地最早且广泛采用的广播波段，主要用于国内、省市、地区性的中等距离广播。国内典型中波天线基本为全向发射天线，频率为531～1 602 kHz，波长为187～565 m。波长决定了中波广播主要以地波方式进行传播，具有传播距离远、绕射能力强、不受视距影响的特点。中波电磁波使人类的生活和生产变得更为便捷［1］。中波发射台是现代生活不可缺少的信息传播载体，在服务人们生活的同时，也会对人们的生存环境造成电磁辐射污染［2］，因此电磁波的应用也需要进行利弊方面的综合考量。为了环境保护和公众安全，中波天线近场区电磁辐射应进行特别关注和研究。

2 近场区电磁辐射研究现状

在以中波天线为中心的近场区，电磁能量尚未构成辐射能，其不仅可以在电场和磁场之间进行转换，还可以与天线发射的场源进行相互转换［3］，既有从天线发射出的电磁能，也有电磁能回到天线场源。由于受密集分布的电荷和高频电流的控制，这些电磁能可形成强电场和强磁场。该区域会产生较强的电磁感应场，存在较强的电磁污染问题。

以往中波广播对环境和公众的电磁辐射影响较多关注天线远场区，且有将远场区预测模型用于近场区的情况，导致近场区电磁辐射场强出现偏差或与实际不符，这主要在于近场区电磁辐射分布较为复杂，电磁辐射环境影响方面研究成果较少，因此相对来讲进行近场区电磁辐射场强的空间分布研究显得尤为重要。

3 场强预测模型

3.1 场区划分

中波天线最大线尺寸一般小于波长，则λ/2π 为电抗近场区和辐射近场区分界处，3λ 为近场区和远场区分界处［4］。根据中波波长范围可知，中波天线近远场区分界点最近为561 m 处。中波广播电磁辐射的预测范围一般以天线塔为中心，半径500 m 的范围，因此预测范围均位于近场区内。

3.2 预测模型

中波广播单塔天线辐射垂直极化波，在垂直面内的大部分能量是沿地面传播的，小部分能量以不同仰角向天空辐射，在晚间经电离层反射后再回到地面，即为天波。在天线塔附近天波场强远小于地波，因此从环境影响角度可只考虑地波场强。中波广播天线近场区不同于远场区，其场强空间不均匀度较大，电场和磁场强度无恒定的比例关系，可采用复数模型分别预测该两类场强值。

近场区电场强度预测模型如下：

式（1）中，E0为电场强度值，V/m；β 为2π/λ；h 为天线塔高度，m；P 为发射机标称功率，W；R 为对电流波腹而言的辐射电阻，Ω；d 为预测点与塔底中心的水平距离，m；Z 为被测试天线离地高度，m，按0.005λ计算。

近场区磁场强度预测模型如下：

3.3 辐射电阻

中波发射天线的主要形式为垂直振子，对于导电地面上的垂直接地天线，用坡印廷矢量法计算辐射功率和辐射电阻时，只需对包围天线的上半球面进行积分［5］，可得辐射电阻如下式：

辐射电阻变化趋势见图1。

图1 辐射电阻变化趋势

对于式（3），可采用数值定积分的方法计算辐射电阻值，由表1 和图1 可知，当天线塔高和波长比值一定时，其辐射电阻值是固定的。一般中波天线塔高度为0.15～0.50 λ，则当0＜h＜0.45 λ 时，辐射电阻值逐渐增大；当0.45 λ＜h＜0.50 λ 时，辐射电阻值略有减小。

表1 中波天线辐射电阻值Ω

4 场强空间分布

4.1 发射功率对场强空间分布的影响

我国中波广播有大、中、小功率相结合，以中、小功率为主的特征，1，3，10 kW 为常见功率，100 kW以上的较少。本节选取中波频率为1 000 kHz，即波长为300 m；塔高为效率较高的0.5 λ，即150 m。采用该参数和上述模型得到不同功率下电场强度和磁场强度分布。不同功率下电场强度空间分布见图2。

图2 不同功率下电场强度空间分布

不同功率下磁场强度空间分布见图3。

图3 不同功率下磁场强度空间分布

4.2 中波波长对场强空间分布的影响

本节选取中波广播发射功率为常用的10 kW，天线塔高为0.5 λ，在波长为200，300，400，500 m时，采用上述模型得到不同波长下电场强度和磁场强度分布。

不同波长下电场强度空间分布见图4。

图4 不同波长下电场强度空间分布

不同波长下磁场强度空间分布见图5。

图5 不同波长下磁场强度空间分布

由图4 可知，近场区0～50 m 范围内相同距离处电场强度随波长变化不明显，但场强值降低幅度较大，50 m 以外降幅缓慢；50～250 m 范围场强值随波长增大略有降低，250 m 以外差别较小。由图5 可知，近场区0～250 m 范围内相同距离处磁场强度随波长变化明显，基本上波长越小场强值越大，250 m以外变化幅度缓慢，场强值相差较小。各波长下满足电场场强限值的距离较为接近，均在50 m 范围以内；对于磁场强度当波长为200 m 时，距离20 m 以内超过场强限值，其他波长情况基本满足场强限值。电场强度和磁场强度值在200 m 外已远低于限值，此时不同波长天线的电磁辐射场强值均相差较小。

4.3 天线塔波比对场强空间分布的影响

天线塔波比是中波广播中重要的设计和建设指标，能够直接影响广播覆盖和电磁辐射效果。本节选取中波广播发射功率为常用的10 kW，波长为300 m，在塔波比为典型的0.50，0.30，0.18 时，采用上述模型得到不同塔波比下电场强度和磁场强度分布。

不同塔波比下电场强度空间分布见图6。

图6 不同塔波比下电场强度空间分布

不同塔波比下磁场强度空间分布见图7。

图7 不同塔波比下磁场强度空间分布

由图6 和图7 可知，近场区场强值随塔波比变化不呈现统一的空间分布，整体上在近距离区域（约100 m 内）分布情况较为复杂，远距离分布变化较小。对于电场强度，0～50 m 范围塔波比0.50 和0.18对应的场强值明显大于0.30 的情况，在10 m 范围内可达塔波比0.30 对应场强值的2 倍以上；50～200 m范围内随塔波比的降低场强值变化规律不明显；200 m 以外随塔波比降低场强值逐渐降低。对于磁场强度，0～100 m 范围塔波比0.50 对应的场强值明显小于另两种情况；100 m 以外区域随塔波比的变化场强值相差较小。对于电场强度，各塔波比下满足场强限值的距离较为接近，均在50 m 范围以内；对于磁场强度，塔波比为0.50 时基本满足场强限值，当为0.30 和0.18 时，距离约70 m 以内超过场强限值。电场强度和磁场强度值在200 m 外已远低于限值，此时不同塔波比天线的电磁辐射场强值均相差较小。

5 结论

通过本研究可得出如下结论：

（1）发射功率、波长和塔波比对中波近场区电磁辐射场强空间分布均产生一定影响，其中发射功率从整体空间上影响场强值大小，波长主要影响近距离磁场强度值，而塔波比的影响主要局限于天线近距离范围内。

（2）从电磁辐射控制限值角度考虑，能够满足电场强度和磁场强度限值的空间区域是不同的，这充分说明了在中波近场区同时进行电场强度和磁场强度预测与监测的必要性，二者均应格外关注。

（3）本文主要对单塔天线进行理论分析，现实中波台站可能涉及多个天线塔和频率，对同一点位进行场强叠加后满足限值要求的空间区域将会扩大，对于10 kW 以下的发射天线250 m 范围以外综合场强值基本能够满足限值要求，这与有关研究［7］结果是一致的。