蜂窝移动通信基站电磁辐射对人体安全的探究概述

发表于 2017-12-13 06:26:41 收藏 已收藏
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蜂窝移动通信基站电磁辐射对人体安全的探究概述

发表于 2017-12-13 06:26:41

到目前为止,人类真正开始认识和自觉地应用电磁波只有100年左右的历史。而现代移动通信技术也从上世纪20年代才开始发展起来,无线电新技术的不断出现,大大促进了各类无线电发射设备的增加,其中GSM数字 蜂窝 移动通信系统以其频谱利用率高和系统容量大而得到广泛应用。为了能更好地服务并满足日益增加的移动手机用户数量需求,各大通信运营商建设了大量的蜂窝网 基站 。从城市的高楼建筑屋顶到居民小区,从农村的高山到丘陵,蜂窝基站的建设数量及其覆盖的密度均在不断增加,人们也逐步开始关注电磁污染的话题。

基于人体安全考虑,世界卫生组织(WHO)、国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)、美国国家标准机构(ANSI/IEEE)等组织提出了 电磁辐射 对 人体影响 的安全标准。我国也颁布了相应的标准,对电磁辐射程度制定了严格的法规。本文根据个人在蜂窝基站电磁场辐射的监测工作中积累的实际经验,对电磁场辐射对人体组织的影响和安全问题进行探讨。

1 无线电电磁波辐射

1.1 电磁波辐射

电磁波辐射是指能量以电磁波的形式由辐射源发射到空间的现象,简称电磁辐射。当电磁辐射穿过人体时,其能量会被人体吸收,如果这种能量过大,将会对人体健康构成危害,人体暴露在这样的电磁辐射环境中,会产生一定的影响。

目前,电磁辐射源的来源通常有以下几种:雷达系统、电视和广播发射系统、射频感应及介质加热设备、射频及微波医疗设备、各种电加工设备、通信发射台站、卫星地球通信站、大型电力发电站、输变电设备、高压及超高压输电线、地铁列车及电气火车以及大多数家用电器等。

1.2 人体组织暴露量指标

1.2.1 比吸收率

比吸收率(SAR)作为人体组织对热量吸收的度量单位,反映了电磁辐射对人体的影响程度。SAR定义为生物体每单位质量所吸收的电磁辐射功率,也即吸收计量率,单位为W/kg。在本文中,SAR主要用来评估人体组织某部位处的比吸收率,该位置的比吸收率SAR与电场强度E的关系可用式(1)表示:

SAR(1)。

其中:P为吸收功率密度,单位为W/m2 ;

ρ为组织密度,单位为kg/m3 ;

σ为组织传导率 ;

E为测量组织中总的均方根RMS电场强度,

单位为V/m。

1.2.2 功率密度(P)

功率密度指在空间某点上电磁波的量值,用单位面积上的功率表示,单位用W/m2表示。

2 现行电磁辐射执行标准

目前,国际组织IEEE、FCC、Safety Code 6、ICNIRP都对公众和职业暴露给出了最高频率到300 GHz的暴露限值。

我国现行的电磁辐射执行标准,主要沿用的是《电磁辐射防护规定》(GB8702-88)、《环境电磁波卫生标准》(GB9175-88)及《电磁辐射暴露限值和测量方法》等,由于所针对的测量要求不同,在实践中选择的标准也不尽相同。根据实践测量的需要,部分内容如表1和表2所示。

表1 人体组织比吸收率(SAR)限值

人体组织比吸收率

表2 射频微波辐射暴露限值

射频微波辐射暴露限值

3 测量系统的选取

3.1 测量系统的选取

我们使用罗德与施瓦茨(R&S)公司生产的便携式场强测量系统TS-EMF对蜂窝基站的场强和功率密度进行测量,该系统由全向球形探头天线(30MHz~3GHz)、 R&S FSH3(100kHz~3GHz)频谱分析仪和控制软件R&S RFEX(安装在笔记本电脑)三部分组成,如图1所示。三轴探头天线具有等方向的特性,因此我们不需要考虑发射系统的极化和方向,也就不必过多地在测量中转动天线进行测量。

系统连接图

图1 系统连接图

3.2 测量系统工作要求

测量系统的工作条件必须严格按照测试系统所要求的工作条件进行,便携式场强测量系统TS-EMF要求:

(1)频率范围为30MHz~3GHz;

(2)测量范围为1mV/m~100V/m;

(3)工作温度为0℃ ~50℃(电池供电情况下);

(4)相对湿度为95%。

3.3 测试系统的校准与测量包设置

为了达到比较好的测试准确性,需要对TS-EMF测试系统进行单独校准,通过校准,对天线因子和连接电缆损耗等的相关数据校准值将被存储在RFEX软件数据的校准包中,当仪器在进行测量时,校准值将自动计算到测量结果中,这样可以充分保证测量值的准确性。

我们以设置GSM900参数包为例,对测量系统的主要参数进行合理设置。对GSM900的蜂窝系统,测量的分辨率带宽RBW=200kHz,轨迹模式为maxhold,驻留时间 DT=“5000ms”,测量周期6分钟,参考电平值91dBμV。进行合理的设置和校准后,通过RFEX软件,可以自动测试出需要的结果数据。

测量控制 RFEX软件提供了三种不同的测量模式:(a)单次测量,(b)均值和峰值测量(6分钟为周期),(c)长期测量。单次测量:通常用来得到一个快速的、大体的认识或是现场显示一个实际值来作为讨论的基础,选择单次测量模式,所有被选中的测量包都会被测量一次,并且测量结果将显示在EXCEL 报表中;均值和峰值测量:该测量模式主要是搜寻某一特定区域的最大场强值,由于电磁波传播在非理想环境条件下存在反射等因素的影响,会导致场强的空间分布不均,要在户外或者室内测量最大场强值,该方法将是首选的方法。

4 系统测试方法及数据分析

4.1 测量位置选取要求

由于测量环境往往达不到理想状态,辐射电磁波传播存在阴影效应和快速衰落,以及大量散射波和吸收体在周围的存在,会导致场强的不均匀性分布,因此,测量位置的选取对于我们所要进行的测量来说至关重要。

应以 基站 为中心200m范围内选择测量位置,在测量 蜂窝 基站 电磁辐射 环境时要求:

(1)测量环境气候条件应尽量避开大风、雨、雪、冰雹天气;

(2)测试点应尽量避开高大建筑物、树木、高压电线及交通干线;

(3)进行地面测量时,测量高度取1.7 m,测量高层建筑时,应在阳台或室内选点;

(4)测量时间应选择在用户使用手机高峰期;

(5)读数为每个测量点连续读5次,每次测量时间不小于15s,并读取稳定状态的最大值。但测量起伏过大时,应适当延长测量时间。

4.2 辐射测量

经过以上步骤的连接和设置之后,并结合测量位置的选取要求,本文选择安顺市委大院金钟社区辐射测试作为探讨实例。金钟社区人口比较密集,政府机关办公以及群众日常生活均在此区,目前,有中国联通公司和中国移动公司的GSM900MHz频段的网络覆盖整个社区,人们大部分时间都暴露在这样的环境中。并且我们时常接到该社区群众对基站电磁辐射对其身体影响的投诉。于是,根据情况,我们在人口密集区域选择8个不同的位置,运用便携式场强测量系统TS-EMF对蜂窝基站的场强和功率密度进行测量。

通过对GSM900频段信号的多次测量,最大值场强在距离基站50m的办公楼内测到。在办公楼内,采用均值和峰值测量模式得到的测量图如图2所示。图(a)表示该位置GSM900频段被测信号的的场强峰值频谱,图2(b)表示该位置GSM900频段被测信号的场强峰值分布情况。

系统连接图

图2 (a)场强峰值频谱图 (b)场强峰值分布(GSM900MHz频段)

4.3 测量结果分析

除了通过对电场强度、功率密度的测量外,我们增加了对SAR的计算来评估辐射对人体暴露量的影响,本文重点探讨SAR对人体大脑的影响。由(1)式可知,测量人体组织中电场强度E可通过测量得到,其他关于人体脑组织的组织密度ρ和组织传导率σ可在FCC数据库中查询得到,如表3所示。

表3 人体脑组织电离属性

人体脑组织电离属性

目前,一般用场强暴露指数IE、功率密度暴露指数IP、SAR暴露指数ISAR三个指标来衡量电磁辐射对人体暴露的影响。IE=E/E0,IP=P/P0,ISAR=SAR/SAR0。其中,E0、P0、SAR0为表2中国标规定的限值。我们分别对在社区8个位置测得的数据进行了整理,结果如表4所示。

表4 最大峰值相对限值千分比

最大峰值相对限值千分比

我们发现场强、功率密度最大值均出现在办公楼位置,电场强度为0.42 V/m,这是限制值的35‰;功率密度为14.8×10-5W/m2,这是限制值的0.37‰;SAR为1.31×10-4W/kg,这是限制值的 0.131‰。而最小电场强度在居民2号楼处测到,电场强度为0.13V/m,这是限制值的10.9‰;功率密度为3.18×10-5W/m2,这是限制值的0.08‰;SAR为1.28×10-5W/kg,这是限制值的0.013‰。

本次试验数据表明,市委大院的金钟社区各位置的电场强度、功率密度和比吸收率SAR都远远低于GB8702-88及《电磁辐射暴露限值和测量方法》标准。因此,该社区的电磁辐射不会对人体造成伤害。由于该被测量小区是我国较为典型的密集型使用蜂窝基站的社区,我们可以初步断定,目前我国现存的蜂窝基站在符合国家标准的情况下不会因为电磁辐射对人体造成伤害。

5 结束语

本文简要地探讨了 蜂窝 基站 电磁辐射 对人体暴露的影响,并测量了典型小区各测量位置的电场强度、功率密度及比吸收率SAR,实验结果表明这些参数均符合要求。从中我们可以分析得出,在严格遵照国家标准的前提下,蜂窝移动通信基站对人体是安全的。但对于测量位置还存在其他无线通信系统诸如GSM1800、WLAN等的射频场,还需要综合评估其对人体的影响。

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