中波廣播天線近場(chǎng)區(qū)電磁輻射場(chǎng)強(qiáng)空間分布研究

靳士科 何占飛

（中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司，河北石家莊 050021）

1 引言

中波是世界各地最早且廣泛采用的廣播波段，主要用于國(guó)內(nèi)、省市、地區(qū)性的中等距離廣播。國(guó)內(nèi)典型中波天線基本為全向發(fā)射天線，頻率為531～1 602 kHz，波長(zhǎng)為187～565 m。波長(zhǎng)決定了中波廣播主要以地波方式進(jìn)行傳播，具有傳播距離遠(yuǎn)、繞射能力強(qiáng)、不受視距影響的特點(diǎn)。中波電磁波使人類(lèi)的生活和生產(chǎn)變得更為便捷［1］。中波發(fā)射臺(tái)是現(xiàn)代生活不可缺少的信息傳播載體，在服務(wù)人們生活的同時(shí)，也會(huì)對(duì)人們的生存環(huán)境造成電磁輻射污染［2］，因此電磁波的應(yīng)用也需要進(jìn)行利弊方面的綜合考量。為了環(huán)境保護(hù)和公眾安全，中波天線近場(chǎng)區(qū)電磁輻射應(yīng)進(jìn)行特別關(guān)注和研究。

2 近場(chǎng)區(qū)電磁輻射研究現(xiàn)狀

在以中波天線為中心的近場(chǎng)區(qū)，電磁能量尚未構(gòu)成輻射能，其不僅可以在電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，還可以與天線發(fā)射的場(chǎng)源進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換［3］，既有從天線發(fā)射出的電磁能，也有電磁能回到天線場(chǎng)源。由于受密集分布的電荷和高頻電流的控制，這些電磁能可形成強(qiáng)電場(chǎng)和強(qiáng)磁場(chǎng)。該區(qū)域會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁感應(yīng)場(chǎng)，存在較強(qiáng)的電磁污染問(wèn)題。

以往中波廣播對(duì)環(huán)境和公眾的電磁輻射影響較多關(guān)注天線遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，且有將遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)預(yù)測(cè)模型用于近場(chǎng)區(qū)的情況，導(dǎo)致近場(chǎng)區(qū)電磁輻射場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)偏差或與實(shí)際不符，這主要在于近場(chǎng)區(qū)電磁輻射分布較為復(fù)雜，電磁輻射環(huán)境影響方面研究成果較少，因此相對(duì)來(lái)講進(jìn)行近場(chǎng)區(qū)電磁輻射場(chǎng)強(qiáng)的空間分布研究顯得尤為重要。

3 場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)模型

3.1 場(chǎng)區(qū)劃分

中波天線最大線尺寸一般小于波長(zhǎng)，則λ/2π 為電抗近場(chǎng)區(qū)和輻射近場(chǎng)區(qū)分界處，3λ 為近場(chǎng)區(qū)和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)分界處［4］。根據(jù)中波波長(zhǎng)范圍可知，中波天線近遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)分界點(diǎn)最近為561 m 處。中波廣播電磁輻射的預(yù)測(cè)范圍一般以天線塔為中心，半徑500 m 的范圍，因此預(yù)測(cè)范圍均位于近場(chǎng)區(qū)內(nèi)。

3.2 預(yù)測(cè)模型

中波廣播單塔天線輻射垂直極化波，在垂直面內(nèi)的大部分能量是沿地面?zhèn)鞑サ模〔糠帜芰恳圆煌鼋窍蛱炜蛰椛洌谕黹g經(jīng)電離層反射后再回到地面，即為天波。在天線塔附近天波場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)小于地波，因此從環(huán)境影響角度可只考慮地波場(chǎng)強(qiáng)。中波廣播天線近場(chǎng)區(qū)不同于遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，其場(chǎng)強(qiáng)空間不均勻度較大，電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度無(wú)恒定的比例關(guān)系，可采用復(fù)數(shù)模型分別預(yù)測(cè)該兩類(lèi)場(chǎng)強(qiáng)值。

近場(chǎng)區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型如下：

式（1）中，E0為電場(chǎng)強(qiáng)度值，V/m；β 為2π/λ；h 為天線塔高度，m；P 為發(fā)射機(jī)標(biāo)稱功率，W；R 為對(duì)電流波腹而言的輻射電阻，Ω；d 為預(yù)測(cè)點(diǎn)與塔底中心的水平距離，m；Z 為被測(cè)試天線離地高度，m，按0.005λ計(jì)算。

近場(chǎng)區(qū)磁場(chǎng)強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型如下：

3.3 輻射電阻

中波發(fā)射天線的主要形式為垂直振子，對(duì)于導(dǎo)電地面上的垂直接地天線，用坡印廷矢量法計(jì)算輻射功率和輻射電阻時(shí)，只需對(duì)包圍天線的上半球面進(jìn)行積分［5］，可得輻射電阻如下式：

輻射電阻變化趨勢(shì)見(jiàn)圖1。

圖1 輻射電阻變化趨勢(shì)

對(duì)于式（3），可采用數(shù)值定積分的方法計(jì)算輻射電阻值，由表1 和圖1 可知，當(dāng)天線塔高和波長(zhǎng)比值一定時(shí)，其輻射電阻值是固定的。一般中波天線塔高度為0.15～0.50 λ，則當(dāng)0＜h＜0.45 λ 時(shí)，輻射電阻值逐漸增大；當(dāng)0.45 λ＜h＜0.50 λ 時(shí)，輻射電阻值略有減小。

表1 中波天線輻射電阻值Ω

4 場(chǎng)強(qiáng)空間分布

4.1 發(fā)射功率對(duì)場(chǎng)強(qiáng)空間分布的影響

我國(guó)中波廣播有大、中、小功率相結(jié)合，以中、小功率為主的特征，1，3，10 kW 為常見(jiàn)功率，100 kW以上的較少。本節(jié)選取中波頻率為1 000 kHz，即波長(zhǎng)為300 m；塔高為效率較高的0.5 λ，即150 m。采用該參數(shù)和上述模型得到不同功率下電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度分布。不同功率下電場(chǎng)強(qiáng)度空間分布見(jiàn)圖2。

圖2 不同功率下電場(chǎng)強(qiáng)度空間分布

不同功率下磁場(chǎng)強(qiáng)度空間分布見(jiàn)圖3。

圖3 不同功率下磁場(chǎng)強(qiáng)度空間分布

4.2 中波波長(zhǎng)對(duì)場(chǎng)強(qiáng)空間分布的影響

本節(jié)選取中波廣播發(fā)射功率為常用的10 kW，天線塔高為0.5 λ，在波長(zhǎng)為200，300，400，500 m時(shí)，采用上述模型得到不同波長(zhǎng)下電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度分布。

不同波長(zhǎng)下電場(chǎng)強(qiáng)度空間分布見(jiàn)圖4。

圖4 不同波長(zhǎng)下電場(chǎng)強(qiáng)度空間分布

不同波長(zhǎng)下磁場(chǎng)強(qiáng)度空間分布見(jiàn)圖5。

圖5 不同波長(zhǎng)下磁場(chǎng)強(qiáng)度空間分布

由圖4 可知，近場(chǎng)區(qū)0～50 m 范圍內(nèi)相同距離處電場(chǎng)強(qiáng)度隨波長(zhǎng)變化不明顯，但場(chǎng)強(qiáng)值降低幅度較大，50 m 以外降幅緩慢；50～250 m 范圍場(chǎng)強(qiáng)值隨波長(zhǎng)增大略有降低，250 m 以外差別較小。由圖5 可知，近場(chǎng)區(qū)0～250 m 范圍內(nèi)相同距離處磁場(chǎng)強(qiáng)度隨波長(zhǎng)變化明顯，基本上波長(zhǎng)越小場(chǎng)強(qiáng)值越大，250 m以外變化幅度緩慢，場(chǎng)強(qiáng)值相差較小。各波長(zhǎng)下滿足電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)限值的距離較為接近，均在50 m 范圍以內(nèi)；對(duì)于磁場(chǎng)強(qiáng)度當(dāng)波長(zhǎng)為200 m 時(shí)，距離20 m 以內(nèi)超過(guò)場(chǎng)強(qiáng)限值，其他波長(zhǎng)情況基本滿足場(chǎng)強(qiáng)限值。電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度值在200 m 外已遠(yuǎn)低于限值，此時(shí)不同波長(zhǎng)天線的電磁輻射場(chǎng)強(qiáng)值均相差較小。

4.3 天線塔波比對(duì)場(chǎng)強(qiáng)空間分布的影響

天線塔波比是中波廣播中重要的設(shè)計(jì)和建設(shè)指標(biāo)，能夠直接影響廣播覆蓋和電磁輻射效果。本節(jié)選取中波廣播發(fā)射功率為常用的10 kW，波長(zhǎng)為300 m，在塔波比為典型的0.50，0.30，0.18 時(shí)，采用上述模型得到不同塔波比下電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度分布。

不同塔波比下電場(chǎng)強(qiáng)度空間分布見(jiàn)圖6。

圖6 不同塔波比下電場(chǎng)強(qiáng)度空間分布

不同塔波比下磁場(chǎng)強(qiáng)度空間分布見(jiàn)圖7。

圖7 不同塔波比下磁場(chǎng)強(qiáng)度空間分布

由圖6 和圖7 可知，近場(chǎng)區(qū)場(chǎng)強(qiáng)值隨塔波比變化不呈現(xiàn)統(tǒng)一的空間分布，整體上在近距離區(qū)域（約100 m 內(nèi)）分布情況較為復(fù)雜，遠(yuǎn)距離分布變化較小。對(duì)于電場(chǎng)強(qiáng)度，0～50 m 范圍塔波比0.50 和0.18對(duì)應(yīng)的場(chǎng)強(qiáng)值明顯大于0.30 的情況，在10 m 范圍內(nèi)可達(dá)塔波比0.30 對(duì)應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)值的2 倍以上；50～200 m范圍內(nèi)隨塔波比的降低場(chǎng)強(qiáng)值變化規(guī)律不明顯；200 m 以外隨塔波比降低場(chǎng)強(qiáng)值逐漸降低。對(duì)于磁場(chǎng)強(qiáng)度，0～100 m 范圍塔波比0.50 對(duì)應(yīng)的場(chǎng)強(qiáng)值明顯小于另兩種情況；100 m 以外區(qū)域隨塔波比的變化場(chǎng)強(qiáng)值相差較小。對(duì)于電場(chǎng)強(qiáng)度，各塔波比下滿足場(chǎng)強(qiáng)限值的距離較為接近，均在50 m 范圍以內(nèi)；對(duì)于磁場(chǎng)強(qiáng)度，塔波比為0.50 時(shí)基本滿足場(chǎng)強(qiáng)限值，當(dāng)為0.30 和0.18 時(shí)，距離約70 m 以內(nèi)超過(guò)場(chǎng)強(qiáng)限值。電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度值在200 m 外已遠(yuǎn)低于限值，此時(shí)不同塔波比天線的電磁輻射場(chǎng)強(qiáng)值均相差較小。

5 結(jié)論

通過(guò)本研究可得出如下結(jié)論：

（1）發(fā)射功率、波長(zhǎng)和塔波比對(duì)中波近場(chǎng)區(qū)電磁輻射場(chǎng)強(qiáng)空間分布均產(chǎn)生一定影響，其中發(fā)射功率從整體空間上影響場(chǎng)強(qiáng)值大小，波長(zhǎng)主要影響近距離磁場(chǎng)強(qiáng)度值，而塔波比的影響主要局限于天線近距離范圍內(nèi)。

（2）從電磁輻射控制限值角度考慮，能夠滿足電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度限值的空間區(qū)域是不同的，這充分說(shuō)明了在中波近場(chǎng)區(qū)同時(shí)進(jìn)行電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度預(yù)測(cè)與監(jiān)測(cè)的必要性，二者均應(yīng)格外關(guān)注。

（3）本文主要對(duì)單塔天線進(jìn)行理論分析，現(xiàn)實(shí)中波臺(tái)站可能涉及多個(gè)天線塔和頻率，對(duì)同一點(diǎn)位進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)疊加后滿足限值要求的空間區(qū)域?qū)?huì)擴(kuò)大，對(duì)于10 kW 以下的發(fā)射天線250 m 范圍以外綜合場(chǎng)強(qiáng)值基本能夠滿足限值要求，這與有關(guān)研究［7］結(jié)果是一致的。