低頻通信系統(tǒng)天線近場輻射危害

文/喬明禮

通信系統(tǒng)自從誕生以來，就為人類生活與工作提供了重要的幫助，而通信系統(tǒng)根據(jù)頻率可以分為低頻通信與高頻通信，本文主要研究的重點是低頻通信系統(tǒng)。所謂低頻通信系統(tǒng)，就是指頻率在十幾赫茲、波長大于十公里的通信系統(tǒng)，其具有著鮮明的優(yōu)缺點，缺點在于通信效率低，并且對硬件設(shè)備的要求較高，需要大功率基站以及天線，但是其穩(wěn)定性極強，因此被廣泛的應(yīng)用在軍事領(lǐng)域，尤其受到了歐美等軍事強國關(guān)注。

美國卡特勒甚低頻通信系統(tǒng)天線的發(fā)射功率一般情況下是在1.8MW，所使用的天線陣列能夠在24kHz 的情況下發(fā)出高效的輻射，在整個低頻通信系統(tǒng)的中心天線桅桿會發(fā)射處甚低頻電磁波，而水平懸掛電纜陣列則發(fā)揮出電容器的作用，增強輻射器的功率。美國吉姆溪甚低頻長波通信站是主要負責(zé)在太平洋海域地區(qū)實現(xiàn)單向通信的功能，其天線陣列主要由若干鏈狀電纜線所組成，通常情況為10 個左右，垂直電纜線作為主要的輻射發(fā)出部分。目前情況下，絕大數(shù)歐美國家對于低頻通信系統(tǒng)，更加注重的是它的發(fā)射效率與作用距離，但是缺忽略了低頻通信系統(tǒng)天線對于周邊區(qū)域的輻射危害以及影響，這是一種片面的認識。眾所周知，在通信系統(tǒng)之中，通常都會存在電磁輻射，在IEEE-Std-C95.1 - 2005 和IEEEStd-C95.6-2002 標準的劃分下，對各類生活所能夠承受的輻射強度進行了研究和分析。在GJB 5313A-2017《電磁輻射暴露限值和測量方法》之中，主要關(guān)注了低頻通信系統(tǒng)天線在不同的區(qū)域內(nèi)所產(chǎn)生的輻射強度，而GB 8702-2014《電磁環(huán)境控制限值》則更加注重低頻通信系統(tǒng)天線對于人類身體上的輻射危害影響。本文通過研究、論證與分析，取得了低頻通信系統(tǒng)天線在不同功率與頻率情況下，所產(chǎn)生的輻射強度，進而將輻射區(qū)域劃分為危險區(qū)、安全區(qū)、活動區(qū)，為更好的應(yīng)用低頻通信系統(tǒng)天線提供一些幫助。

1 低頻通信系統(tǒng)的概述

低頻通信系統(tǒng)之中有著很多的組成部分，每一個組成部分又是由眾多的設(shè)備、零部件組成，想要完成低頻通信系統(tǒng)的布局與設(shè)計，需要具有極高的專業(yè)水平與工作經(jīng)驗。一般情況下，低頻通信系統(tǒng)是由電源、顯控臺、信號激勵器以及功放設(shè)備、天線這幾大主要部分組成，其中獲取、接受信號的設(shè)備布置在水下，信號激勵器接受低頻信號之后，會將其發(fā)送到控制終端，終端在經(jīng)過相應(yīng)的密碼加密以及調(diào)配之后，會傳輸?shù)焦Ψ旁O(shè)備中，功放設(shè)備會將信號進行放大，并且經(jīng)過天線輻射到外部區(qū)域之中，功放設(shè)備和天線的存在，有效的擴大了信號的傳輸距離與穩(wěn)定性，這是低頻通信系統(tǒng)的簡易工作流程介紹，由此可見其中每一個部分都非常重要，發(fā)揮著舉足輕重的作用。

2 天線近場輻射危害試驗

為了能夠有效的驗證天線近場的輻射危害范圍和效果等數(shù)據(jù)，針對當(dāng)前天線近場輻射的實際情況進行輻射危害的先關(guān)實驗。為了確保實驗的真實有效性我們需要參照以下的工作程序進行相關(guān)的危害實驗：首先，可以利用NBM-550 型的電場測試儀場強測試系統(tǒng)(編號E-0752)以甚低頻菱形天線為中心，在兩千五百平方米的一個正方形或者矩形的范圍之內(nèi)，從矩形的一個角出發(fā)在間隔五米的范圍內(nèi)逐一選取參考點，這樣我們就一共可以獲取三十個測試參考點；其次，我們需要在一萬至兩萬赫茲的頻率段的范圍里，根據(jù)實際場地的變化，在每一千赫茲的間隔之間來進行測試不同發(fā)射功率條件下的電磁輻射綜合場，由此我們可以得出相關(guān)測試情況的數(shù)據(jù)，詳情參見表1；最后，我們可以得出輻射危害測試的相關(guān)數(shù)據(jù)與情況，當(dāng)天線的增益為2，并且低頻通信系統(tǒng)在工作頻率為兩萬赫茲的時候，天線近場輻射的發(fā)射功率分別為十千瓦、十一千瓦以及十二千瓦，在這種相對較小的功率條件下的天線近場電磁輻射綜合場會跟隨這實驗的長度距離的變化而產(chǎn)生相應(yīng)的變化曲線。于此同時，根據(jù)“電磁輻射暴露限制和測量方法[S]”以及“系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)試驗方法[S]”這兩項相關(guān)的實驗方式和方法來看，我們在進行天線近場輻射危害的實驗時，需要充分的考慮實際的電磁能量累積的效應(yīng)，在甚低頻段（3 千赫茲至5 萬赫茲之間）的頻段內(nèi)，實驗的場強每米的距離產(chǎn)生的電勢差不得超過70，也就是說我們在實際的實驗中，每米的距離產(chǎn)生的電勢差在70 的范圍內(nèi)是比較完全的甚低頻區(qū)域。

3 低頻通信系統(tǒng)天線近場輻射危害規(guī)律分析

通過相關(guān)的低頻通信天線近場輻射危害的實驗我們可以對低頻通信天線近場輻射的實際危害進行簡要的總結(jié)與規(guī)律性的分析，主要可以分為以下幾個方面的內(nèi)容。

（1）當(dāng)我們實驗的場地和機器處于小功率的發(fā)射狀態(tài)時，低頻通信系統(tǒng)甚低頻菱形天線電磁輻射近場隨距離的增加而逐漸衰減。根據(jù)相關(guān)實驗的數(shù)據(jù)情況可以看出，當(dāng)實驗場地的場強從最高的每米距離產(chǎn)生的電勢差為90的情況下，逐步的降低為每米的距離產(chǎn)生的電勢差為10 時，在這個階段的變化中可以看出輻射近場會隨著實際發(fā)射功率的變化而相應(yīng)的變化，在這個電勢差區(qū)域內(nèi)當(dāng)實驗的發(fā)射功率增加時相應(yīng)的輻射近場也隨之增加，而當(dāng)實驗的發(fā)射功率減少時，輻射近場也會隨之降低。

（2）當(dāng)我們輻射近場以甚低頻菱形天線為中心的輻射場地時，并且其每米距離產(chǎn)生的電勢差為70，那么我們可以得知，在這個區(qū)域內(nèi)靠近參考線中心半徑為13 米的范圍以內(nèi)是額定的危險區(qū)域，在這個區(qū)域會受到一定的危害，但在半徑13 米至25 米的范圍中間，也是存在著危險隱患的，不能長時間在這段區(qū)域活動，同時，當(dāng)半徑范圍擴展至25 米以上是就是額定的安全區(qū)域。

（3）在進行低頻通信系統(tǒng)天線近場輻射危害的實驗中，當(dāng)?shù)皖l通信系統(tǒng)的實際工作頻率在10 赫茲至19 赫茲之間，并且天線的增益穩(wěn)定為2、發(fā)射功率處于五十至一百四十千瓦之間的大功率條件之下，天線近場電磁輻射綜合場隨頻率變化曲線是呈現(xiàn)反比的趨勢的。也就是說，在上述的前提之下，天線近場電磁輻射近場隨著實際頻率的增加會隨之降低，而當(dāng)頻率逐漸降低時相應(yīng)的天線近場電磁輻射近場會隨之升高。

根據(jù)IEEE-Std-C95-2005 Table4 的相關(guān)規(guī)定，為了有效的降低近場輻射對于人體造成的損傷，大功率的發(fā)射情況下，在頻率為3 千赫茲至10 萬赫茲的甚低頻頻段范圍內(nèi)，其場強值每米距離產(chǎn)生的電勢差必須控制在600 以內(nèi) ,并且只能短時間的進行活動，如果長時間活動將會對人員腦垂體、心肺、瞳孔等功能產(chǎn)生一定的危害，造成不可挽回的損傷。因此，根據(jù)相關(guān)的天線近場輻射危害試驗以及結(jié)合了GB 8702-2014 中的要求，在以甚低頻菱形天線為中心的情況下，40 半徑范圍內(nèi)為危險區(qū)，因為其峰值場強每米距離產(chǎn)生的電勢差超過了70, 在40 米至70 米的半徑范圍內(nèi)為短時活動區(qū)，而70 半徑外為安全工作區(qū)，可以安全穩(wěn)定的進行相關(guān)工作。

4 結(jié)束語

根據(jù)本文對于低頻通信系統(tǒng)天線的深入研究與分析，獲取了足夠的專業(yè)數(shù)據(jù)和信息，從而了解到低頻通信系統(tǒng)天線的輻射是由內(nèi)向外，逐漸降低的，中心輻射程度最高，并且可以根據(jù)輻射危害不同，分為不同區(qū)域，在危險區(qū)內(nèi)是嚴禁人員進入，而在活動區(qū)則是可以限制進入，但是要身著必要的防護裝備，在安全區(qū)則人員可以正常的活動。因此必須要在一定區(qū)域內(nèi)避免人員進入，從而降低其對人體造成的傷害。對于低頻通信系統(tǒng)而言，要充分利用其優(yōu)勢，并且有效的避免其輻射問題，發(fā)揮出其全部的作用和功效，針對于低頻通信系統(tǒng)，相關(guān)的專業(yè)與技術(shù)人員要不斷深入研究，尤其是要就如何降低其輻射危害，進一步提高其通信的穩(wěn)定性進行分析。