WCDMA通信基站電磁輻射環境分布與預測

任定高，翟 斌

（1.核工業北京化工冶金研究院，北京101149；2.中國聯合網絡通信有限公司北京市分公司，北京100038）

1 引言

近年來，隨著通信事業日新月異的發展，大量通信基站也應運而生，覆蓋了城市、郊區、鄉村，給人們帶來巨大便利，同時，電磁輻射問題也引起了越來越多的關注［1，2］。

我國20世紀90年代開始對于通信基站電磁輻射環境影響的研究［3～9］。北京市制定了移動通信基站建設項目電磁環境影響評價技術導則（DB11／T 784－2011）［10］等，以對通信基站電磁輻射影響進行規范管理與控制。在理論預測方面，規范僅給出了基站發射天線遠場區主軸方向功率密度計算公式（式1）。通信基站所發出的電磁波具有很強的方向性，盡管主軸方向電磁輻射最強，對于基站附近地面上活動的人群而言，產生影響的往往是天線主瓣邊緣或旁瓣，其影響方式與大小目前尚無規范予以明確指導。為此，研究出一套相對準確的方法，系統地對通信基站電磁輻射空間分布進行預測，從而全面評價其環境影響是十分有必要的。

通過對聯通2013年647個WCDMA基站調查與監測的基礎上，采用均勻直線天線陣函數對 WCDMA基站天線方向圖函數進行擬合，系統研究了在不同架設高度、下傾角、載波等因素影響下的電磁輻射水平、垂直及主軸方向的分布規律，采用實測數據與預測結果進行驗證。

2 現場調查與儀器

2.1 通信基站調查

聯通WCDMA基站現場調查時間為2014年6～10月，依據《移動通信基站電磁輻射環境監測方法》（試行）（環發［2007］114號），以發射天線為中心，調查半徑50m范圍內的環境保護目標并監測電磁輻射功率密度（μW／cm2），同時記錄監測時間、溫度、濕度、天線方向角及掛高等。相應基站載頻數、增益、極化方式、俯仰角、天線水平及垂直半功率角等參數。

2.2 監測儀器

監測儀器為德國Narda公司NBM－550，性能與參數見表1。

表1 電磁環境檢測儀器性能與參數

2.3 驗證監測

為對WCDMA基站電磁輻射預測結果進行驗證，選擇了1個聯通2013年新建WCDMA基站進行了實際測定。該基站架設方式為落地桿塔，具有單站、相對空曠干擾小、測定空間較大的特點，測定時以發射天線為中心，沿天線主瓣方向每隔5m測定一次，記錄電磁輻射功率密度變化情況。

3 結果與討論

3.1 基站配置相關參數

通信基站的電磁輻射環境影響與其射頻裝置型號、發射功率、載頻配置、增益、架設高度及下傾角等參數密切相關。通過對聯通2013年647個WCDMA基站的現場調查與資料調研，其基站配置相關參數如表2所示，天線方向圖如圖1所示。

表2 聯通2013年WCDMA基站配置相關情況

3.2 天線軸向功率密度

通信基站發射天線主軸方向（圖2）的功率密度采用式（1）進行計算：

圖1 聯通WCDMA基站天線水平面（左）及垂直面（右）方向

圖2 聯通WCDMA基站天線主軸方向示意

式中：P d—遠場軸向功率密度，W／m2；P—饋入天線端口實際發射功率，W；G—天線增益，倍數（100.1dBi）；r—在天線軸向上，測量位置與天線的距離，m。

上式中，功率、增益與損耗常用dB表示，功率（W／cm2）與功率（dBm）、增益G（倍數）與G（dBi）之間關系按式（2）、式（3）進行換算：

因此，式（1）可以等價換為式（4）：

式中：P d—遠場軸向功率密度（μW／cm2）；P—饋入天線端口實際發射功率（dBm）；G—天線增益（dBi）；L—天饋系統損耗（dB）；r—在天線軸向上，測量位置與天線的距離（m）。

上式預測結果為發射天線遠場軸向方向功率密度（圖2），遠場區定義為輻射強度角分布基本上與距天線的距離無關的區域，在輻射遠場區，將天線上各點到測量點的連線可看做平行，所引入的誤差小于一定的限度。其計算公式如式（5）：

式中：R為遠／近場劃分距離，單位為m；D為天線最大截面尺寸，單位為m；λ為發射基站工作波長，單位為m，對于WCDMA基站，基站發射工作頻率為2 110～2 170 MHz，即波長λ為138～142 mm。按照WCDMA系統定向天線長度1.3 m計算，其遠場軸向功率密度的起始計算點為24 m。

軸向方向為發射天線電磁波最集中的區域，也是污染最大的區域。對軸向方向電磁輻射的預測，能評價發射基站電磁輻射的最大環境影響。

聯通2013年WCDMA基站多采用愛立信RBS6601分布式基站，單載扇標稱功率為20 W，對于S333配置，標稱功率可達60 W。同時，WCDMA基站實行嚴格的功率控制，超過設定的門限將會限制接入和業務。根據聯通網絡數據統計，除極個別業務繁忙地區功率負荷可達50%外，平均的功率負荷約在20%～30%之間。此外，發射功率還存在饋線損耗，饋線兩端還需要連接跳線、避雷器等，相應的器件有對應的插入損耗，綜合各因素，聯通WCDMA整個天饋路徑損耗為6.8 dB。因此，在最大的發射功率（60 W×50%，）及功率負荷下，WCDMA基站在軸向方向上功率密度計算參數如表3。

表3 聯通WCDMA基站天線軸向功率密度計算參數

因此，根據式（4）及表3，WCDMA遠場軸向功率密度計算分別如式（6）：

根據式（6），軸向方向功率密度隨軸向距離變化如圖3所示。

根據圖3，基站天線軸向功率密度隨距離的增加不斷衰減，當軸向距離為19 m時，功率密度值即已低于HJ10.3－1996中對于單個項目電磁輻射的評價限值（8 μW／cm2），當軸向距離為30 m 時，功率密度為3.12 μW／cm2。軸向功率密度的變化規律可以為制定天線水平防護距離提供依據。

3.3 水平地面電磁輻射功率密度

圖3 WCDMA基站天線軸向功率密度變化

目前，對于基站電磁輻射環境影響多采用軸向功率密度計算（式1），但事實上，由于天線架設具有一定高度，并且下傾角較小，對于基站附近活動的人群而言，受到影響更多的是基站天線旁瓣，而且監測時，也往往難以達到天線主軸的高度，監測的值多為天線旁瓣的輻射值。因此，需要對式（4）中天線增益做出修正，以計算在垂直方向上基站天線非軸向功率密度分布規律。設修正函數為f（θ）·f（φ），則式4可以修正為：

式中：Ph—水平地面功率密度（μW／cm2）；P—饋入天線端口實際發射功率（dBm）；G—天線增益（dBi）；L—天饋系統損耗（dB）；rh—水平地面上監測點與基站天線距離（m）。

對于函數f（θ）·f（φ），其中θ、φ分別為垂直面與水平面上與天線軸向的夾角，當f（θ）與f（φ）為1時，式（7）與式（4）等同，即式（7）可以看做式（4）的拓展，是一種實用性更廣的公式。根據圖1中WCDMA基站天線方向圖，水平面變化近似圓，f（φ）變化較小，而垂直面變化較大，因此f（φ）＝1，式（7）可簡化為：

利用均勻直線天線陣可以很好地模擬圖1中WCDMA基站天線垂直方向圖四旁瓣特點，其擬合公式和擬合圖分別如式（9）、圖4所示。

圖4 WCDMA基站天線垂直方向圖（左）及均勻直線天線陣模擬圖（右）

根據式（8）及式（9），即可預測出在地面水平方向上某點（圖5）的電磁輻射功率密度：

從圖5中可以推算出式（9）中的θ計算公式為：

式中：H為測點距離天線的垂直高度（m），d為測點距離天線的水平距離（m），α為天線下傾角。根據式（8）、式（9）及式（10）即可對基站天線在水平方向的電磁輻射影響進行預測，分析評價其影響。

3.3.1 不同高度的水平方向電磁輻射分布

取2013年聯通647個基站天線下傾角平均值10°，架頂實際最大功率44.77 dBm，天饋系統損耗6.8 dB，天線增益17.5 dBi（表3），在一定的架設高度下，當測點距離天線垂直距離分別為3、4、5、10、15、30 m 時，根據式（8）、式（9）、式（10）可計算出基站電磁輻射在這些高度上的水平分布規律，如下圖6所示。

圖5 基站附近水平面電磁輻射功率密度計算簡化模型

圖6 WCDMA基站天線不同垂直距離水平面上電磁輻射分布預測

由圖6可知，隨著垂直距離的增大，電磁輻射呈下降趨勢。在某一垂直距離的水平面上，以H＝10 m為例，由于WCDMA基站天線的四旁瓣特點，在水平距離＜25 m時，電磁輻射強度雖然整體在下降，但有三個波峰，為跳躍式的變化。每個水平面的最高值并非出現在距離天線最近處，而是在天線主瓣與該平面的交點，并隨著垂直距離的增大，波峰向后移動，這是與基站天線具有較強方向性相對應的。

當H＝3 m時，水平距離13～18 m處功率密度超過了HJ10.3－1996中對于通信基站單個項目電磁輻射強度的評價限值要求（8μW／cm2）。當垂直距離＞4 m時，通信基站單個項目電磁輻射強度低于限值要求（8μW／cm2），因此，對于基站天線的防護而言，不僅需要根據其軸向變化規律，制定水平防護距離（圖3），而且需要根據不同垂直距離處電磁輻射在水平方向的分布，確定垂直防護距離。依據本文的結果，對于WCDMA基站而言，垂直距離＞4 m是可行的。

3.3.2 下傾角對電磁輻射在水平面分布的影響

與上述預測參數相似，設架頂實際最大功率44.77 dBm，天饋系統損耗6.8 dB，天線增益17.5 dBi（表3），天線假設高度為15 m，當天線下傾角分別為5°、10°與15°時，水平地面電磁輻射功率密度分布如圖7。

圖7 不同下傾角時基站天線水平地面電磁輻射分布預測

由圖7可知，與圖6相似，在近距離處，輻射強度受旁瓣的影響，也是跳躍式下降。隨著天線下傾角的增大，水平地面上電磁輻射最大值向距離減少的方向移動，并且最大值有變小的趨勢。這是由于下傾角越大，主軸上電磁波在越近的范圍達到地面，并且衰減途徑變短，因此其值會增大。這說明，在實際的基站建設與管理中，下傾角也是影響電磁輻射的重要因素，增大下傾角，天線影響范圍變小，但監測值會升高，減小下傾角，天線影響范圍會增大，但由于衰減途徑變大，最大值也會相應降低，需要在綜合考慮基站信號覆蓋度、周圍敏感建筑、發射功率及到達地面功率的基礎上，設置合適的下傾角。

3.4 現場實測與驗證

為對預測公式進行驗證，選擇了聯通2013年一新建WCDMA基站進行了實際測量，并與理論預測結果進行了驗算。該基站位于北京市朝陽區北五環路北朝來高科技產業園內，天線架設高度20 m，下傾角6°，方向角0°／120°／240°，0°方 向 有 一 廣 場 與 園 內 道 路 （圖8a）。測定時在此方向每隔5 m布點，直至150 m，實際測定結果與理論預測值見圖8b。

監測結果表明，實測值與理論值有較好的符合關系，在50 m范圍里，由于旁瓣的影響，呈跳躍式的變化，并且在主瓣的作用下，預測值與實測值最后一個波峰均出現在140 m處。由此可見，本文中采用的預測模型與公式能較好地反映WCDMA基站對水平方向的電磁輻射影響。

3.5 基站電磁輻射防護建議

圖8 實際監測點位（a）及水平地面電磁輻射預測值與理論值（b）

（1）計算結果表明，通信基站電磁輻射功率密度最大區域集中在軸向方向，該方向電磁輻射的防護是主要對象?？刹扇〉拇胧橐环矫鏋楹侠碓O置天線朝向，防止保護目標進入主瓣影響范圍，但在復雜的城市環境下，往往難以實現；另一方面為設置足夠的防護距離或根據“可合理達到盡量低”的原則，降低發射功率，使天線主瓣到達保護目標時，功率密度已經降低到控制標準以下。

（2）根據預測結果可設置聯通 WCDMA基站的水平與垂直防護距離。由圖3可知，當軸向距離超過19 m時，功率密度值已經低于HJ10.3－1996中對于單個項目電磁輻射的評價值（8μW／cm2），由于天線下傾角一般較?。ǎ?0°），在目前聯通 WCDMA基站運行參數下，該距離可以看作水平的防護距離。根據圖6，在垂直距離為3 m的水平方向上，有超過限定值8μW／cm2的空間，而4 m時已沒有超標空間，因此，4 m可以認為是WCDMA基站的垂直防護距離。

（3）計算結果表明，通信基站電磁輻射影響的敏感區域主要為軸向與垂直距離＜3 m的空間內，因此在基站建成后，應當加強此區域的監測，如正對天線的受保護目標或架設在城市樓頂基站，一方面考察其水平與垂直方向是否預留了足夠的保護空間，另一方面進行輻射監測。此外，在公眾活動的水平地面上，電磁輻射最大值往往不出現在基站附件，而是在天線主瓣達到地面處，雖然在垂直距離超過4 m的水平方向上，沒有超標空間的出現，但在實際監測時，應對這一現象予以考慮。

最后，需要說明的是，本文是在理想狀態下進行的預測，旨在為通信基站電磁輻射環境影響提供一定的理論依據與參考，沒有考慮實際環境中障礙物對電磁輻射的吸收、電磁波自身的反射、衍射及繞射等因素，這也是一個復雜的體系，需要更系統、全面地研究。

4 結論

根據聯通2013年WCDMA基站建設與運行參數，采用軸向功率密度預測公式與均勻直線天線陣對其電磁輻射環境影響進行了預測。結果如下。

（1）天線軸向方向是 WCDMA基站電磁輻射功率密度的集中區域，當軸向距離超過19m時，功率密度值已經低于HJ10.3－1996中對于單個項目電磁輻射的評價限值（8μW／cm2）；

（2）當垂直距離＜3m時，水平距離13～18m處功率密度超過了HJ10.3－1996中對于通信基站單個項目電磁輻射強度的評價限值要求。而當垂直距離＞4m時，水平方向上已經沒有超標空間；

（3）增大天線下傾角，其影響范圍變小，但監測值會升高，減小下傾角，天線影響范圍會增大，但由于衰減途徑變大，最大值也會相應降低；

（4）實際監測與預測結果相對照表明，本文采用的預測模型與公式與實際監測值符合性較好，能夠反映通信基站電磁輻射的環境分布及影響。

（5）本文是在理想狀態下進行的預測，在實際過程中，還存在諸多干擾因素，如障礙物對電磁輻射的吸收、電磁波自身的反射、衍射及繞射等，需要更系統、全面地研究。

［1］李純樸，李 寧，李 軍.移動通訊基站電磁輻射污染分析及對策［J］.環境保護科學，1998，24（6）：23～26.

［2］劉崢嶸，彭江龍.移動通信中的電磁輻射與健康［J］.郵電通信技術，2002，12（12）：2～4.

［3］黃云飛，黃美美.900MHz移動通信系統基站電磁輻射對環境的影響［J］.微波與衛星通信，1996（1）：29～33.

［4］朱 丹，戴繼偉.移動通信基站的環境電磁輻射測量與分析［J］.上海環境科學，1997（11）：32～34.

［5］王 毅，徐 輝.認識移動通訊基站電磁輻射特點保護城市電磁環境［J］.城市管理與科技，2003（5）：1.

［6］國家環境保護局.GB8702－1988電磁輻射防護規定［S］.北京：國家環境保護局，1988.

［7］國家環境保護局.HJ10.2－1996輻射環境保護管理導則－電磁輻射監測儀器和方法［S］.北京：國家環境保護局，1996.

［8］國家環境保護局.HJ10.3－1996輻射環境保護管理導則－電磁輻射環境影響評價方法與標準［S］.北京：國家環境保護局，1996.

［9］國家環境保護局.環發［2007］114號 移動通信基站電磁輻射環境監測方法［S］.北京：國家環境保護局，2007.

［10］北京市質量技術監督局.DB11／T 784－2011移動通信基站建設項目電磁環境影響評價技術導則［S］.北京：北京市質量技術監督局.