大功率中短波廣播天線電磁輻射的預測與防護

唐章宏，王群，冀志江，施楣梧

（1.北京工業(yè)大學材料科學與工程學院，北京 100124； 2.綠色建筑材料國家重點實驗室，北京 100024；3.總后勤部軍需裝備研究所，北京 100088）

引言

為估算輻射體對環(huán)境的影響，HJ/T 10.2 -1996《輻射環(huán)境保護管理導則-電磁輻射環(huán)境影響評價方法與標準》給出了典型的中波和短波發(fā)射臺站發(fā)射天線對環(huán)境輻射的電場強度的理論計算公式[1]，運用該公式計算天線遠場的電磁輻射時，需要有發(fā)射天線高度因子、發(fā)射天線垂直面方向性函數(shù)等準確參數(shù)。然而，在進行相關(guān)電磁輻射環(huán)境影響評價時，很難獲取這些準確參數(shù)。因此實際預測這類大功率中短波天線的電磁輻射時，通常采用的是簡化的舒來依金-范德波爾公式[2-4]。該公式近似認為發(fā)射天線高度因子為1.2，發(fā)射天線垂直面方向性函數(shù)為1，這樣導致預測的電場強度與空間高度無關(guān)。另一方面，實際大功率中短波天線附近的監(jiān)測結(jié)果表明，不同樓層電場強度的測量結(jié)果有較大波動，因此采用簡化公式預測大功率中短波天線附近建設(shè)項目的電場強度已經(jīng)不能滿足要求[3-4]。為更準確預測大功率中短波天線輻射的電場強度，給出天線附近建設(shè)項目不同樓層的電場強度，本文基于電基本振子遠場偶極子電場強度的計算公式，通過積分方法計算出整個天線在遠場區(qū)任意點的電場強度。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)天線的輻射功率反推天線的電流幅值，從而實現(xiàn)遠場區(qū)任意點電場強度的計算并獲得建設(shè)項目所在區(qū)域不同樓層的電場強度分布和等標污染指數(shù)分布。根據(jù)電場強度分布和等標污染指數(shù)分布對建設(shè)項目所在區(qū)域的電磁環(huán)境進行評價，并結(jié)合建設(shè)項目的施工特點，提出電磁環(huán)境防護措施，并利用實際測試結(jié)果對這一防護措施進行了驗證，表明這個防護措施行之有效。

1 中短波廣播天線遠場區(qū)電場強度計算

圖1 中波天線電示意圖

大功率中波廣播的發(fā)射天線一般采用單塔天線，天線高度通常為0.3～0.5λ[5]。由于單塔天線直立與地面，輻射垂直極化波，其在垂直面內(nèi)的大部分能量，沿地面?zhèn)鞑ィ挥行〔糠帜芰恳圆煌鼋窍蛱炜蛰椛洌h小于地波場強，因此從電磁輻射防護角度來說只需考慮地波電場強度。

圖1 為中波單塔天線示意圖，圖中xy 為地平面，天線高度為h，在遠場區(qū)，即

式中：λ 為電磁波波長，k 為波數(shù)，k=2π/λ，I 為電基本振子的電流幅值，l 為基本振子的長度。

對式在天線長度方向上積分即得天線的總輻射場：

式中

稱為天線的方向因子。

短波天線則利用電離層反射，以天波方式進行遠距離傳播。因此短波天線的對稱振子水平放置，使得電磁波水平極化，以一定仰角向天空輻射。此時，可以把地面看作理想導體，因為大多數(shù)情況下水平極化波地面反射系數(shù)都接近-1，可用地面下的負鏡像天線來代替地面對輻射的影響。此時短波天線的方向圖為[5]：

通常情況下，在短波天線一面加裝反射器，反射器的激勵使得正方向反射器和天線的場強同相，而在相反的方向反射器和天線的場強反相，互相抵消。由于有了反射器，方向圖變成了單方向，而且在正方向，場強大約增加到倍，這樣，加裝反射器后短波天線正方向的輻射電場強度為：

以上分析僅考慮地面對中波電磁波無反射、對短波電磁波全反射的情況，實關(guān)[8]：

式中

RH和RV分別為水平極化波和垂直極化波的反射系數(shù)。對于中波天線，其輻射的電磁波為垂直極化波，因此其反射系數(shù)如式（8）所示；對于中波天線，其輻射的電磁波為垂直極化波，因此其反射系數(shù)如式（9）所示。最終觀測點的電場強度為天線輻射場強與地面反射場強的疊加。

2 中短波廣播天線電流幅值計算

評價中短波廣播天線附近建設(shè)項目所在區(qū)域的電磁環(huán)境時，通常能獲取的資料僅限于天線的工作頻率、尺寸、輻射功率P 等參數(shù)，因此需要根據(jù)天線的輻射功率P 來計算其電流幅值I。

考慮天線有效輻射面為地面以上的半個球面，遠場時天線穿過整個半球面的輻射功率與電場強度有以下關(guān)系：

將式代入并整理得：

式中

3 多天線綜合場強與等標污染指數(shù)計算

如果有多幅中波天線或短波天線，可先分別計算單幅天線的電磁輻射，然后根據(jù)下式進行矢量疊加并計算其幅值：

如果有多幅中波天線和短波天線同時工作，由于其工作頻率有很大差異，電磁輻射不能再按照矢量進行疊加，一種近似計算方法是按功率進行疊加計算綜合場強：

并按以下公式計算其等標污染指數(shù)[6]：

式中Ai為第i 個頻段輻射體輻射場的場量參數(shù)在任意連續(xù)6 分鐘內(nèi)的平均值，Bi為于第i 個頻段輻射的電磁輻射場的導出限值。待評價區(qū)域達標須滿足等標污染指數(shù)SPI ≤1 。

4 某典型區(qū)域電磁環(huán)境預測

表1 為某中短波廣播發(fā)射臺的天線參數(shù)，可以看出有4 幅天線，中波、短波天線各兩幅。

在天線群以北有擬建項目，各天線與擬建項目的相對位置關(guān)系如圖2 所示，圖中各位置坐標單位為m。

根據(jù)表1 所示的天線參數(shù)和圖2 所示的各天線與擬建項目的相對位置關(guān)系即可預測擬建項目所在的電場強度。圖3 所示為高度1.7 m 時建設(shè)項目所在區(qū)域的電場強度分布圖。圖中等位線值的單位為V/m。

圖3 可以看出，在高1.7 m 的地面，擬建項目大部分區(qū)域電場強度接近10 V/m，區(qū)域東西邊界由于距離天線較近，其值超過11 V/m。圖4 為同一高度等標污染指數(shù)分布圖。

表1 某中短波廣播發(fā)射臺的天線參數(shù)

可見，在高1.7 m 的地面，擬建項目所有區(qū)域等標污染指數(shù)均小于1，即全部達標。但另一方面，由于擬建項目西邊接近短波天線的發(fā)射方向，其等標污染指數(shù)已接近1，因此需要采取有效的防護措施以降低建筑物室內(nèi)電磁輻射。

5 輻射嚴重區(qū)域的電磁防護措施

針對擬建項目所在區(qū)域部分位置電磁輻射接近標準限值的問題，提出采用鋼筋組成的金屬網(wǎng)孔嵌入墻體水泥內(nèi)以實現(xiàn)對建筑物室內(nèi)的電磁屏蔽，從而減少室內(nèi)的電磁輻射。可采用等效傳輸線法近似計算金屬網(wǎng)孔的屏蔽效能[7]：

式中Aa、Ra、Ba分別為孔的傳輸損耗、孔的單次反射損耗和多次反射損耗；K1、K2、K3分別為與孔個數(shù)有關(guān)的修正項、由趨膚深度不同引入的低頻修正項、由相鄰孔間相互耦合而引入的修正項。

由于采用鋼筋組成的金屬方形網(wǎng)孔，對以上參數(shù)選擇適用于方形網(wǎng)孔的計算公式，再利用式（17）即可計算給定孔徑大小和頻率下的屏蔽效能。表2 給出了不同電磁波頻率下不同方孔孔徑金屬網(wǎng)孔的屏蔽效能。

表2 中可以看出，同樣孔徑大小的金屬網(wǎng)孔，電磁波頻率越低，屏蔽效能越大；同樣，相同頻率的電磁波，金屬網(wǎng)孔孔徑越小，屏蔽效能越大。

由于實際存在4 個頻率的中短波，金屬網(wǎng)對電磁波的屏蔽是對多個波段電磁波屏蔽的綜合效果。

圖2 各天線與擬建項目的相對位置關(guān)系

圖3 高度1.7m 時建設(shè)項目附近電場強度分布圖（電場強度單位：V/m）

圖4 高度1.7m 建設(shè)項目附近等標污染指數(shù)分布圖

表2 不同網(wǎng)孔金屬網(wǎng)對不同頻率電磁波的屏蔽效能 (dB)

為更清楚了解金屬網(wǎng)對電磁波的屏蔽，在該廣播發(fā)射臺附近某棟6 層居民樓樓頂實際搭建鋼管，模擬建筑物內(nèi)的金屬網(wǎng)，對屏蔽前后同一位置的電場強度進行了測試，測試儀器采用EMR-300 綜合場強儀，如圖5 所示。假設(shè)其他輻射源的電磁波與該廣播發(fā)射臺輻射的電磁波按功率密度疊加，則利用綜合場強儀進行測試時，根據(jù)場強讀數(shù)計算屏蔽效能的公式為：

式（18）中E0為讀入的背景電場強度，即非廣播發(fā)射臺天線輻射的電場強度。為獲得背景電場強度，選取遠離廣播發(fā)射臺的地點用相同儀器測試了一組電場強度取其平均，作為背景電場強度，為0.87 V/m。式中E1和E2分別為鋼管屏蔽前后的讀入的電場強度。

表3 為搭建不同鋼管孔徑時測試的屏蔽前后的電場強度值。

考慮背景電場強度為0.87 V/m，利用公式可計算出不同孔徑鋼管的屏蔽效能如表4 所示。

表4 結(jié)果可以看出，在鋼管搭建的金屬網(wǎng)孔徑為1 m×0.75 m 時，其綜合屏蔽效能達到7.7 dB。對圖5 所示的不同高度的場強分布最高點11.6 V/m，經(jīng)過1 m×0.75 m 孔徑的金屬網(wǎng)孔屏蔽后，電場強度降為4.8 V/m，遠低于4 個中短波任何頻段對應的防護標準。可見提出的采用鋼筋組成的金屬網(wǎng)孔嵌入墻體水泥內(nèi)以實現(xiàn)對建筑物室內(nèi)的電磁屏蔽這一防護措施是行之有效的。并且，在現(xiàn)代建筑的實際工程中，為增加墻體強度，在墻體內(nèi)布置的鋼筋甚至比1 m×1 m 孔徑的鋼筋金屬網(wǎng)更密集，因此在墻體內(nèi)布置1 m×1 m 孔徑的鋼筋金屬網(wǎng)不會額外增加太多建設(shè)成本。

工程實施上，需要金屬網(wǎng)相互導通，否則金屬網(wǎng)的有效孔徑不能保證，可通過焊接或編織的方法保證縱橫金屬網(wǎng)相互導通。在此基礎(chǔ)上，利用水泥將鋼筋網(wǎng)固定，使得鋼筋網(wǎng)既能承重，又具有電磁屏蔽的功能。此外，考慮到窗戶口徑為2 m×2 m 或更大，即使墻體能實現(xiàn)很好的屏蔽，發(fā)射臺輻射的電磁波還可以從窗戶泄露到室內(nèi)，針對這一問題的解決措施是在窗外加裝防盜網(wǎng)形式的鋼筋網(wǎng)，孔徑為1 m×1 m 或更小，且保證窗外與墻體內(nèi)的鋼筋網(wǎng)相互導通。

表3 不同孔徑鋼管電磁強度測量值

表4 不同孔徑鋼管(鐵絲網(wǎng))的屏蔽效能

6 結(jié)論

圖5 不同孔徑鋼管屏蔽效能的測試現(xiàn)場

本文針對大功率中短波天線附近的擬建項目區(qū)域提出一套新的評價方法，該方法與HJ/T 10.2- 1996[1]《輻射環(huán)境保護管理導則-電磁輻射監(jiān)測儀器和方法》中的計算公式相比，考慮了天線方向圖，計算結(jié)果體現(xiàn)了建筑物高度不同帶來的差異，與實際更吻合。該評價方法成功運用到一典型中短波發(fā)射臺附近擬建項目區(qū)域的電磁環(huán)境評價。針對評價區(qū)域電磁輻射超標的問題，分別針對墻體和窗戶提出一套加裝鋼筋金屬網(wǎng)的電磁防護措施，該方法行之有效且不會增加太多建設(shè)成本。數(shù)值計算估計和實際測試結(jié)果表明，提出的電磁防護措施有較好的屏蔽效能，能滿足超標區(qū)域的電磁輻射降低到遠低于4個中短波任何頻段對應的防護標準。

[1]H J/T 10. 2- 1996,輻射環(huán)境保護管理導則-電磁輻射監(jiān)測儀器和方法[S].

[2]黃恒, 王東, 張金帆. 中波廣播電臺的電磁輻射環(huán)境影響分析[J].環(huán)境科學與管理, 2011, 36(4): 189-192,182.

[3]周楊, 趙福祥, 林炬等. 中短波廣播發(fā)射臺電磁輻射環(huán)境影響預測模型[J]. 環(huán)境監(jiān)測管理與技術(shù), 2011, 23(1): 31-33.

[4]戈鶴山, 許寧, 謝明. 中波廣播電磁輻射環(huán)境影響水平預測模型的研究[J]. 衛(wèi)生研究, 2005, 34(5): 631-632.

[5]李孝勖. 廣播電視技術(shù)手冊: 天線. 第7 分冊, 第 7 卷[M]. 北京：國防工業(yè)出版社, 1995.

[6]GB 8702-88,電磁輻射防護規(guī)定[S].

[7]楊克俊. 電磁兼容原理與設(shè)計技術(shù)[M]. 北京:人民郵電出版社,2004.

[8]James C. Rautio, Ref lection coeffi cient analysis of the effect of ground on antenna patterns[J]. IEEE Antennas and Propagation Society Newsletter, February, 1987.