移动通信基站电磁辐射对环境影响研究.docx
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移动通信基站电磁辐射对环境影响研究
学号________________
密级________________
兰州城市学院本科毕业论文
移动通信基站电磁辐射对环境影响研究
学院名称:
培黎工程技术学院
专业名称:
电子信息科学与技术
********
指导教师:
雒向东教授
二○一二年六月
BACHELOR'SDEGREETHESIS
OFLANZHOUCITYUNIVERSITY
Mobilecommunicationbasestationelectromagneticradiationimpactontheenvironment
College:
BailieSchoolofEngineeringandTechnology
Subject:
ElectronicInformationScienceandTechnology
Name:
LiuYuXi
Directedby:
LuoXiangDongProfessor
June2012
郑重声明
本人呈交的学位论文,是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果,所有数据、图片资料真实可靠。
尽我所知,除文中已经注明引用的内容外,本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。
对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体,均已在文中以明确的方式标明。
本学位论文的知识产权归属于培养单位。
本人签名:
日期:
摘要
该论文研究了国内外移动基站电磁环境研究现状及趋势,研究近远区辐射场特点及电磁干扰要素,分析了基站辐射电磁波的属性及强度等;基于基站天线理论分析了对称振子辐射场及其方向图,分析了基站安全防护距离的理论计算方法,研究了基站近距离区域电磁辐射污染分布特征及市区移动通信基站电磁辐射特点,提出了减少电磁污染的一些措施并对基站的建设进行了探讨。
关键词:
电磁辐射;移动通信;基站;安全距离
ABSTRACT
Thepaperstudiedthestatusandtrendsoftheelectromagneticenvironmentofmobilebasestationathomeandabroad,thestudynearthefarzoneradiationfieldcharacteristicsandelectromagneticinterferenceelements,propertiesandstrengthofthebasestationradiationofelectromagneticwaves;symmetricoscillatorradiationfieldbasedonthetheoryofbasestationantennaspattern,thetheoreticalcalculationofthebasestations,thesafetydistance,tostudythedistributioncharacteristicsofthecloseregionofthebasestationelectromagneticradiationpollutionandelectromagneticradiationofmobilecommunicationbasestationsintheurbanareacharacteristics,someofthemeasurestoreduceelectromagneticpollutionandthebasestationconstructionexplore.
Keywords:
electromagneticradiation;mobilecommunications;basestation;
safedistance
第1章绪论
1.1课题背景
随着公用移动通信的不断发展,移动电话基站的数量也在不断地增加,人们对越来越多的基站天线及电磁辐射问题越来越关注。
移动通信运营商设置新基站遇到各种各样的困难,针对公用移动通信基站的投诉数量也呈上升趋势。
因此,如何规范基站的设置,特别是天线的架设,以减少电磁辐射对周围环境的影响,是一个值得探讨的问题。
为了科学认识移动基站的电磁辐射,消除公众对基站的不安,有必要对基站电磁辐射及其对环境的影响进行研究和分析。
1.2电磁辐射环境的现状
目前,电子技术的应用仍处于增长之势,因此,人们所处的电磁环境状况不容乐观,主要表现在以下几个方面:
(1)通信技术的发展使居民处在基站天线的包围之下,首先造成的是电磁干扰;另外,一部分天线的不合理架设造成高层居民严重的电磁辐射污染;
(2)广播电视发射系统的不断工作,方便了文化、信息交流等各项事业的发展。
但目前,很多发射系统规划不当,对周围区域的电磁环境影响很大。
(3)高压电力系统的发展拉近了人们与工频电磁场的距离。
高压输电线、高压电缆、送变电站等高压输电设施大量进入市区,而且在不断地升压,这大大加剧了整个城区的电磁污染。
(4)城市交通运输业快速发展的结果不仅造成车辆的高峰,更加剧了电磁辐射度的高峰,不仅如此,品种、数量众多的交通工具还会在一定程度上干扰广电、通信设施的正常信号。
(5)室内电子设备广泛应用与居室面积狭小问题共存,造成电磁辐射累积效应显著;主观上,人们对电子设备应用、布局的不合理性进一步对电磁环境造成威胁。
1.3课题研究的目的和意义
该课题研究国内外移动基站电磁环境研究现状及趋势,依据移动通信基站电磁辐射基本理论,研究对称振子辐射场及其方向图,基站安全防护距离的理论计算方法,基站近距离区域电磁辐射污染分布特征,市区移动通信基站电磁辐射特点,基站电磁辐射污染分析及其减少电磁污染的措施等。
该课题的研究对移动基站电磁辐射环境保护有着重要的理论和实践意义;对城市科学合理规划和移动基站合理布局有一定的指导意义;对电磁辐射防护工作、污染治理工作起到一定的导向作用;对保护环境、减少电磁干扰、保障人体健康有着重大社会意义。
1.4课题研究的内容
该论文研究了国内外移动基站电磁环境研究现状及趋势,研究近远区辐射场特点及电磁干扰要素,分析了基站辐射电磁波的属性及强度等;基于基站天线理论分析了对称振子辐射场及其方向图,分析了基站安全防护距离的理论计算方法,研究了基站近距离区域电磁辐射污染分布特征及市区移动通信基站电磁辐射特点,提出了减少电磁污染的一些措施并对基站的建设进行了探讨。
第2章移动通信基站电磁辐射基本理论
2.1电磁辐射概述及电磁兼容技术
2.1.1电磁辐射
电磁辐射是指能量以电磁波形式由源发射到空间的现象。
电磁环境是存在于给定场所的所有电磁现象的总和.
2.1.2电磁兼容技术
电磁兼容性(EMC)是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。
因此,EMC包括两个方面的要求:
一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值;另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度,即电磁敏感性。
2.2近远区辐射场特点及电磁干扰三要素
电磁辐射源产生的交变电磁场可分为性质不同的两个部分,其中一部分电磁场能量在辐射源周围空间及辐射源之间周期性地来回流动,不向外发射,称为感应场;另一部分电磁场能量脱离辐射体,以电磁波的形式向外发射,称为辐射场。
一般情况下,电磁辐射场根据感应场和辐射场的不同而区分为近区场(感应场)和远区场(辐射场)。
由于远场和近场的划分相对复杂,要具体根据不同的工作环境和测量目的进行划分,一般而言,以场源为中心,在三个波长范围内的区域,通常称为近区场,也可称为感应场;在以场源为中心,半径为三个波长之外的空间范围称为远区场,也可称为辐射场。
2.2.1近区场通常具有如下特点
(1)近区场内,电场强度与磁场强度的大小没有确定的比例关系。
即:
E¹377H。
一般情况下,对于电压高电流小的场源(如发射天线、馈线等),电场要比磁场强得多,对于电压低电流大的场源(如某些感应加热设备的模具),磁场要比电场大得多。
(2)近区场的电磁场强度比远区场大得多。
从这个角度上说,电磁防护的重点应该在近区场。
(3)近区场的电磁场强度随距离的变化比较快,在此空间内的不均匀度较大。
2.2.2远区场的主要特点
(1)在远区场中,所有的电磁能量基本上均以电磁波形式辐射传播,这种场辐射强度的衰减要比感应场慢得多。
(2)在远区场,电场强度与磁场强度有如下关系:
在国际单位制中,E=377H,电场与磁场的运行方向互相垂直,并都垂直于电磁波的传播方向。
(3)远区场为弱场,其电磁场强度均较小
2.2.3电磁干扰三要素
(1)电磁干扰源
(2)耦合路径
(3)接收器
2.3电磁辐射污染危害及安全与电磁兼容标准
2.3.1电磁辐射污染危害
电磁辐射污染使环境质量变差、变坏,由此可能引起两个方面的危害:
对公众健康方面的危害(健康效应)对电子设备造成干扰或进而引发严重后果(电磁干扰)。
种群效应不是短时间可以观察到的,可能使人类变得更加聪明,也可能使人类的发展受到影响。
躯体效应又分热效应和非热效应。
人体接受电磁辐射以后,体内的水分子会随电磁场方向的转换快速运动而使机体升温。
如果吸收的辐射能很多,靠人体的温度调节来不及把吸收的热量散发出去,则会引起体温升高,并进而引发各种症状。
在电磁干扰方面,不但会引发事故,还常常导致民事纠纷。
电磁辐射污染特点,当频率大于1000KHz时,电磁场离开导体通过空间传播,这种在空间传播的电磁能量即为电磁辐射。
电磁辐射污染有以下几个特点:
(1)只有发射机工作时,才产生电磁辐射污染,它们是同步的。
(2)发射机在发射信号同时也带来了电磁辐射污染,从这种意义上说“有用的”与“污染”共存。
这种电磁辐射污染的强度和范围是可预见的。
(3)电磁辐射污染是物理因素,是个能量流,在传播过程中衰减是局部小范围的。
(4)电磁辐射污染是公众比较关注的一种污染现象,它看不见、摸不着,必须用。
2.3.2电磁辐射安全标准
针对公众对移动电话辐射的重视,各国政府都将重点放在关于辐射量法规的制定上。
但是大多数国家,当前关注的重点在基站,而不是手机。
越来越多的国家采用了ICNIRP标准,“目前国内也正在制定自己的标准。
”据中国通信联合会的陈宇健先生介绍,“中国有可能采用比ICNIRP严格一倍的独立标准。
按照ICNII:
kP标准进行测试的GSM产品的典型辐射值为0.3瓦/千克-1.5瓦/千克。
我国现使用的标准是国家环境保护局颁布的GB8702-88《电磁辐射防护规定》,规定中给出了职业照射和公众照射两种SAR限值。
(1)职业照射:
在每天8小时工作期间内,任意连续6分钟按全身平均的比吸收率(SAR)应小于0.1W/kg。
(2)公众照射:
在1天24小时内,任意连续6分钟按全身平均的比吸收率(SAR)应小于0.02W/kg。
2.3.3电磁兼容标准
电磁兼容标准分为基础标准、通用标准、产品类标准和专用产品标准。
我国的民用产品电磁兼容标准是基于CISPR和IEC标准,目前已发布57个,编号为GBXXXX-XX,例如GB9254-2008。
欧盟使用的EN标准也是基于CISPR和IEC标准,其对应关系如下:
EN55×××=CISPR标准,(例:
EN55011=CISPRPub.11)
EN6××××=IEC标准,(例:
EN61000-4-3=IEC61000-4-3Pub.11)
EN50×××=自定标准,(例:
EN50801)
我国军用产品采用的标准GJB是基于美国军标,如GJB151A=MIL-STD-461D
2.4基站辐射电磁波的属性及强度
电磁辐射,是指能量以电磁波的形式在空间传播的现象。
基站电磁辐射一般是指室外部分的电磁辐射,室外部分主要由馈线(传输线)和天线组成。
图2.1天线辐射电磁波的基本原理
移动通信基站天线按照方向性可以分为全向天线和定向天线。
方向性反映天线向一定方向辐射或接收电磁波的能力,天线方向性的获得,是通过天线内部加反射板或振子叠放而实现的。
2.5基站电磁辐射中的几种现象
基站运行时,其发射天线将馈线中的高频电磁能转化成为自由空间的电磁波,电磁波承载着能量向周围空间传播,形成电磁辐射。
图2.1是移动通信基站天线辐射电磁波的基本原理图,导线载有交变电流时,就可以形成电磁波的辐射,辐射能力与导线形状和长短有关。
如果两导线的距离很近,那么导线所产生的感应电动势几乎可以抵消,因而辐射很微弱;将两导线逐渐张开,导线所产生的感应电动势叠加,辐射随之逐渐增强,直至两导线电流方向一致时达到最强。
当导线的长度远小于波长时,导线的电流很小,辐射很微弱;当导线的长度等于1/4波长时,辐射最强,称为半波对称振子。
实际的天线是由振子叠放而成的。
2.6基站天线类型及其分类
2.6.1天线分类
天线品种繁多,主要有下列几种分类方式:
按工作性质可分为发射天线和接收天线;按用途可分为通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线等;按工作波长可分为超长波天线、长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线等;按结构形式和工作原理可分为线天线、面天线等。
移动通信基站天线按照方向性可以分为全向天线和定向天线。
方向性反映天线向一定方向辐射或接收电磁波的能力,天线方向性的获得,是通过天线内部加反射板或振子叠放而实现的。
2.6.2移动基站天线
天线作为无线通信不可缺少的一部分,其基本功能是辐射和接收无线电波。
发射时,把传输线中的高频电流转换为电磁波;接收时,把电磁波转换为传输线中的高频电流。
天线系统作为电磁波的收发部件,其功能示意图2.2如所示。
图2.2天线系统收发功能示意图
天线品种繁多,主要有下列几种分类方式:
按工作性质可分为发射天线和接收天线;按用途可分为通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线等;按工作波长可分为超长波天线、长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线等;按结构形式和工作原理可分为线天线、面天线等。
图2.3天线
2.6.3基站全向天线
全向天线在水平方向图上表现360°都均匀辐射,在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束,一般情况下波瓣的宽度越小,增益越大。
全向天线在移通讯系统中一般应用于郊县大区制的站型,覆盖范围较大。
2.6.4基站定向天线
定向天线在水平方向图上表现为一定角度范围辐射,在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束。
定向天线在移动通讯系统中一般应用于城区小区制的站型,覆盖范围小,用户密度大,频率利用率高。
2.7基站天线架设方式及典型基站天馈系统
2.7.1基站天线架设方式
(1)支撑杆方式。
支撑杆也叫桅杆,有四米、六米、八米、十米等不同长度,使用六米支撑杆的较多。
其主要特点是天线架设占用地方小,位置选择灵活,安装简单容易,维修调试方便。
约一半以上的基站采用支撑杆方式。
(2)屋顶塔方式。
屋顶塔为安装于建筑物天面上的铁塔,高度在10米至25米,有一层至三层的平台。
其特点是结构稳固,适应于安装各种不同类型的天线。
在建筑物高度不够时,多采用这种架设方式。
(3)增高架方式。
增高架与屋顶塔类似,但结构较为简单,一般由三根或四根直立铁杆加上连接件构成,没有平台,也相当于几根较长的支撑杆安放在一起并互相连接的结构。
增高架高度一般在8米至15米之间,是一种介于屋顶塔与支撑杆之间的天线架设方式。
(4)落地通信杆方式。
落地通信杆由三至五节高强度铁管连接而成,直接安装于地面钢筋混凝土基础上,高度在20至50米之间。
其特点是占地面积小,且天线可具有较高的高度,在郊区或农村用得较多,但投资成本大,且天线的调试维修较为困难,需要进行高空作业。
(5)落地铁塔方式。
落地铁塔是安装于地面或机房(为一层或二层)天面上的铁塔,高度在20至50米之间,既可提供较高的天线高度,也可安装各种不同类型的天线,适合于在郊区及农村使用。
(6)其它方式。
根据实际情况采取的特殊架设方式,如天线直接安装于建筑物外墙或悬挂于窗户旁等。
2.7.2基站天馈系统
如图2.4所示的一种基站天馈线系统,基站设备上每一块载频插板连接一根载频输出线,每根载频输出线含有两个频点,每个频点有其固有的发射功率。
载频输出馈线在需要耦合器时存在,耦合器的作用是将多个频点的电磁波信号合到一根天线馈线上发送,具有一定的功率损耗。
天线馈线一般比较长,也有一定的功率损耗,还需考虑避雷针和馈线接头等带来的损耗。
天线向空间发射电磁波,天线的增益越大,发射电磁波的功率越强。
图2.4基站天馈线系统
如前所述,每根载频输出线含有两个频点,A点处的信号功率为每个频点固有功率的2倍,两根载频馈线的信号耦合到B点,耦合后的功率大小需考虑耦合器的损耗,两个耦合器输出的总信号经过天线馈线后将再次损耗。
也即,载频输出信号在C点的总功率应考虑到耦合器与天线馈线的两次损耗。
第3章基站天线理论分析
3.1对称振子辐射场及其方向图
3.1.1对称振子天线原理
图3.1对称振子天线原理图
图3.2不同长度的对称振子天线的辐射方向图
图3.3振子天线辐射方向图
3.2基站安全防护距离的理论计算
3.2.1电磁波传播公式
由向量磁位A之旋度来代表磁通密度,则可推出磁场
其中η=με≈377Ω。
当R>>λ2π,或βR=2πRλ>>1时,可以忽略(jβR)和(jβR)项,而将基本电偶极的近场写为:
当距离发射天线的距离远超过近场区域时,其电场与磁场的比例将恒定,即称为远场。
当测量距离大于三倍波长距离时,便已经在远场范围内。
在远场区域电磁波具有平面波的特性,其电场与磁场的向量所构成的平面与传播方向垂直,由式(7)可知:
H=E377(8)
功率密度为电场与磁场的乘积:
S=E∗H(9)
由(8)和(9)可知:
S=E2377
因此只需选好距离测量场,就能直接推算出同一时间的磁场与功率密度。
3.2.2安全防护距离分析与计算
由于移动通信基站发射电磁波的功率密度分布不仅与基站性能指标有关,还与周边环境、话务量因素等有关,因此,移动通信基站安全距离的计算一直是个复杂的问题。
下面根据国家环保局发布的HJ/T10.2-1996中关于微波远场轴向功率密度计算公式进行理论分析,这个计算公式的表达式为:
(1)
式中,
(μw/
)为离基站天线水平距离为d处的电磁波功率密度,d(m)为离基站天线的水平距离,P(w)为机顶发射功率,G(倍数)为天线最大辐射方向的增益下面分析计算方法。
如前所述,如图2.4每根载频输出线含有两个频点,A点处的信号功率为每个频点固有功率的2倍,两根载频馈线的信号耦合到B点,耦合后的功率大小需考虑耦合器的损耗,两个耦合器输出的总信号经过天线馈线后将再次损耗。
也即,载频输出信号在C点的总功率应考虑到耦合器与天线馈线的两次损耗,式
(1)中机顶发射功率P应为损耗后的功率。
根据HJ/T10.2-1996中电磁辐射环境影响评价方法与标准,对单个项目的影响必须限制在《电磁辐射防护规定》(GB8702-88)公众照射导出限值的若干分之一。
在评价时,对于由国家环境保护局负责审批的大型项目可取GB8702-88中功率密度限值的1/2;其他项目则取功率密度限制值的1/5作为评价标准,即移动通讯基站的功率密度限值应是8μw/
,即式
(1)中
=8μw/
,这样就可根据式
(1)计算基站最大辐射方向上的安全距离了。
应该指出,假如偏离最大辐射方向,天线增益将急剧下降,保护距离随之急剧减小。
假如有建筑物阻隔,电磁波穿过一般砖墙要衰减6dB左右(为原来功率的1/4),而穿过带钢筋的墙要衰减20dB(为原来功率的1/100);城市市区建筑物密集,安全距离应比理论计算值小很多。
此外,由于基站设备容量足够,加上GSM系统有功率控制和非连续发射功能,天线全方位全功率发射电磁波的可能性几乎是没有的,也即实际的天线辐射功率要小很多,实际的安全距离远小于理论计算值,公众不必对基站产生恐惧。
第4章移动通信基站电磁辐射的治理
4.1基站近距离区域电磁辐射污染分布特征
从我国的情况看,移动基站多建在人口密集的城市中心区域,有些就建在居民住宅楼顶,基站电磁辐射对近距离环境的影响引起特别的关注.作者通过对多个典型的城市基站附近20m范围内的电磁辐射进行实测和分析,对电磁污染在时间和空间的分布进行了研究.其结果可以为城市移动基站在布局规划中,做到既考虑到通信的便利有效,又考虑到控制电磁辐射对环境的不利影响,提供一定的科学依据.
4.1.1移动通信原理
移动通信系统由移动台MS(指用户使用的手机)、移动业务交换中心MSC和基站系统BSS(为MS和MSC提供无线连接)3个部分组成,它们之间借助无线信道实现通信信息、控制信号、测试信号等智能控制机制.移动台与基站按计算机控制程序,动态地调整相互之间的通信信道、辐射功率与接收灵敏度等,以确保通话质量[4].这一动态调整,就是基站附近环境电磁辐射功率密度随时间波动的主要原因.研究表明,当移动台距基站700m左右时,基站对应信道的发射功率在13W左右,移动台的发射峰值为2W;当移动台靠近基站时,基站和移动台的发射功率都会减小.基站总发射功率由话务量及移动台与基站的距离决定,因此,基站附近的电场强度也和话务量及手机使用者与基站之间的距离密切相关.
4.2.2功率密度的概率分布
由于所测得的功率密度为随机变化的量,将多次监测的数据进行处理,得到24h内功率密度的概率分布图(图4.1).
图4.15m、8m处功率密度的概率分布
从图8中可以看出,在横坐标轴的前1/3部分(功率密度从0.5~10.5μw/
),为一个概率平台,说明在一天内,出现这些功率密度的可能性是均等的,且占全部功率密度的1/3左右,大致正对应于深夜以及使用手机人数较少的时段的功率密度.在横坐标轴的后2/3部分(功率密度从10.5~40.5μw/
),功率密度的概率分布接近正态分布.这一功率密度的分布正对应于人们正常使用手机的白天时段.比较5,8m的概率分布图,出现概率最大的功率密度值分别为14和25μW/cm2处,这说明,距离基站5m处受到的平均电磁辐射强度要比8m处受到的平均辐射小.由于人们对基站电磁辐射的担忧来源于强辐射量和常暴露情况,因此对图8的后2/3部分,即功率密度大于10μw/
的数据,用正态分布进行拟合,结果如下:
式中:
s5m=0.7559,m5m=15,s8m=0.7979,m8m=23.拟合曲线见图4.2.将实测值和图4.2比较可知,功率密度基本上服从正态分布.
图4.25m、8m处功率密度的概率正态分布拟合
4.2市区移动通信基站电磁辐射特点
在移动基站天线的近距离处,由于城市基站普遍采用的板状天线具有方向性,在近距离处存在辐射阴影,随着距离增加功率密度逐步增大,并在一定距离上达到最大值,以后随着距离增加,功率密度迅速衰减.
4.3基站电磁辐射污染分析
4.3.1移动基站电磁辐射分布监测分析实例
选择兰州市中心区域多个移动基站,按电磁辐射的国际标准[5]进行近距离处电磁场分布监测,监测在工作日内连续24h进行
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