移动通信基站电磁辐射特点及人体吸收剂量研究

【摘 要】文章通过分析移动通信基站电磁辐射特点,以环境中移动通信基站实际电磁辐射水平作为暴露条件,计算公众全身暴露体内吸收剂量分布,并与国内外现行主要电磁辐射防护标准暴露限值进行比较,为研究移动通信基站电磁辐射这种长期、低强度暴露对公众健康和环境的潜在影响,提供理论剂量学参考。

【关键词】基站电磁辐射 全身暴露 吸收剂量 公众暴露基本限值

1 引言

近年来移动通信事业得到了快速发展,移动通信基站已广泛进入居民区、学校、医院及商业区等人员聚集的区域。长期、低强度暴露是移动通信基站对周围公众电磁辐射的主要特点,移动通信基站电磁辐射对公众健康和环境的潜在影响日益受到人们重视。

2 移动通信基站电磁辐射特点

2.1 天线近场与远场

移动通信基站天线是由基本半波振子构成的均匀直线阵、平面阵或圆阵,以离天线2D2/λ(D为天线最大尺寸)的距离作为近场和远场的分界。天线近场中,场强与距离的高次方成反比;在远场中,场强与距离成反比。电场和磁场在空间上相互垂直,在时间上同相位,电场强度与磁场强度的比值是一常数,等于媒质的本征阻抗,具有与平面波相同的特性[1]。以工程上典型的900MHz GSM基站定向天线为例(长度1.3m),近场、远场的分界距离约为10m,所以移动基站周围公众活动区域均在天线远场内。

2.2 移动通信基站电磁辐射水平

在环境保护领域,移动通信基站电磁辐射水平通常采用理论预测和现场实测相结合的方式进行评价(近场中电磁辐射水平与距离关系复杂,通常采用现场实测的方式)。理论预测通常从偏保守的角度出发计算天线轴向的电磁辐射水平或用户比较集中时的电磁辐射水平(智能天线),目的是为了更好地保护公众、保护环境。

对于GSM、CDMA 1X、CDMA2000、WCDMA等系统基站远场电磁辐射水平,可采用国家环保总局发布的《辐射环境保护管理导则——电磁辐射监测仪器和方法》(HJ/T 10.2-1996)中关于微波远场轴向功率密度计算公式进行计算:

其中,P——发射机平均功率(单位为瓦,w),G——天线增益(倍数),r——天线与被测点距离(单位为米,m)。

若考虑天线方向图的影响,式(1)可修正为:

其中,f2(θ, φ)为归一化功率方向函数,θ为垂直面上与天线轴向的夹角,φ为水平面上与天线轴向的夹角。

对于TD-SCDMA系统基站,由于采用了智能天线,其电磁辐射水平的计算与上述系统差异很大。在智能天线系统中,每个波束跟踪一个用户,当用户移动时,波束的方向也发生变化,因此不存在固定的主射方向,即电磁辐射的最大辐射方向。——在系统满负载、所有用户都集中在同一位置时,这个方向上的电磁辐射水平最大(此时,所有阵元辐射能量均集中在这一位置,赋形增益最大)。且TD-SCDMA系统采用时分双工技术,即上下行链路工作在相同频率[2]。若考虑上下行链路的差异,计算公式由式(1)修正为:

其中,Pi为阵元发射功率,Gi、GW分别为阵元增益和赋形增益,Du为下行时隙在子帧中的比例(时隙占空比)。

以典型GSM基站和TD-SCDMA基站为例,其电磁辐射水平与水平距离及高差的关系见图1、图2,基站参数见表1、表2。

由图1可见,在典型GSM基站天线轴向(高差0m),离天线水平距离15m以外的区域电磁辐射水平小于《电磁辐射防护规定》(GB8702-1988)中30MHz～3GHz频段公众照射功率密度导出限值40µw/cm2;离天线水平距离33m以外的区域电磁辐射水平小于《辐射环境保护管理导则——电磁辐射环境影响评价方法与标准》(HJ/T 10.3-1996)中的管理目标值8.0µw/cm2。随着高差的增加,上述电磁辐射水平逐渐减小,在高差6m时,天线远场中的电磁辐射水平均小于8.0µw/cm2。由图2可见,典型TD-SCDMA基站天线远场中的电磁辐射水平均小于40µw/cm2;离天线净空距离14m以外,电磁辐射水平小于8.0µw/cm2。另根据广东省环境辐射监测中心对广州市主城区移动通信基站周围公众活动区域的抽测数据,公众活动区的电磁辐射水平约80%小于0.80µw/cm2,94%小于4.0µw/cm2。由此可见,移动通信基站周围环境中的电磁辐射处于一个较低的水平。

3 人体吸收剂量

3.1 生物电磁学剂量

目前生物电磁学中通常采用比吸收率(SAR,Specific Absorption Rate)即“生物体单位时间、单位质量所吸收的电磁辐射能量(单位w/kg)”作为表征机体对电磁能量吸收的剂量学量。

当场值达到稳定后,人体内分布SAR(r)计算式为:

其中,σ(r)为生物体组织内r点处的等效电导率(单位为西门子每米,S/m),ρ(r)为生物组织内r点处质量密度(单位为千克每立方米,kg/m3),为生物组织内r点处的电场强度(单位为伏特每米,V/m)。

局部平均比吸收率SARa和全身平均比吸收率WBA-SAR可由分布比吸收率SARav(r)外推得到,即

当计算对象为生物组织、器官或某一区域时,计算结果即为对应组织、器官或区域的SARa;当计算对象为整个生物体时,计算结果即为WBA-SAR[3]。

3.2 吸收剂量计算

本文采用美国REMCOM公司开发的基于时域有限差分法(FDTD,Finite-Difference Time-Domain)的三维全波电磁场仿真软件XFDTD来仿真计算公众暴露于移动通信基站电磁场中体内SAR的分布。暴露条件为:功率密度4.0µw/cm2,频率900MHz、1800MHz和2100MHz,正弦连续波均匀暴露。人体模型电磁参数来源于REMCOM公司,详见表3[4]:

由式(4)、(5)及图3(a)可见,在相同暴露条件下,全身及主要组织器官分布SAR最大值、1g组织平均SAR最大值、10g组织平均SAR最大值、平均SAR逐次降低。

由图3(b)可见,在相同暴露条件下,在全身组织与器官中,肌肉、脂肪、大脑及肾脏等组织器官的平均SAR相对较大;900MHz下大脑、眼睛、肺部、肾脏、肝脏等组织器官的平均SAR值大于1800MHz和2100MHz下的平均SAR;而脂肪1800MHz和2100MHz下的平均SAR则大于900MHz下的平均SAR;900MHz下的全身平均SAR大于1800MHz和2100MHz下的全身平均SAR。可以得出,人体对电磁波能量的吸收与电磁波的频率有关,随着电磁波入射频率的上升,人体对电磁波能量的吸收由体内逐渐转向体表。人体对900MHz电磁波能量的吸收要大于对1800MHz和2100MHz电磁波能量的吸收。

暴露水平4µw/cm2,频率900MHz、1800MHz和2100MHz下的全身平均SAR分别为2.0×10-4w/kg,1.8×10-4w/kg和1.7×10-4w/kg,比国标《电磁辐射防护规定》(GB8702-1988)、国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)《限制时变电场、磁场和电磁场(300GHz以下)暴露的导则(1998)》(简称ICNIRP导则)和电气与电子工程师学会/国际电磁安全委员会(IEEE/ICES)《关于人体暴露到3kHz～3GHz射频电磁场安全水平》(IEEE C95.1-2005)的公众暴露基本限值低两个数量级(表4)。

4 结束语

电磁场作用于生物体,能引起两类生物效应:一类是使其温度升高,并由此而引起生理和病理的变化,叫做热效应(thermal effect);另一类是指通过使生物体温度升高的热作用以外的方式改变生理生化过程,叫做非热效应(non-thermal effect)[5]。IEEE C95.1标准和ICNIRP导则射频段的基本限值均是在已确定的电磁场热效应的基础上制订的,GB8702-1988暴露限值是在国际标准、导则的基础上加了个安全因子(1/4)得到的。根据本文计算结果,公众暴露于移动通信基站电磁场中,全身平均SAR远低于上述标准中的公众暴露基本限值。在低于这些标准限值的暴露下,是否存在着非热效应,移动通信基站这种长期、低强度电磁场暴露对人体健康和环境存在何种潜在影响已成为生物电磁学的研究热点。

参考文献

[1]刘学观,郭辉萍. 微波技术与天线[M]. 西安:西安电子科技大学出版社,2006.

[2]张传福,彭灿,李巧玲,等. TD-SCDMA通信网络规划与设计[M]. 北京:人民邮电出版社,2006.

[3]牛中奇,侯建强,周永军,等. 生物电磁剂量学及人体吸收电磁剂量的数值分析[J]. 中国生物医学工程学报,2006,

25(5):580-584.

[4]Mart`nez-B`urdalo M, Mart`n A, Anguiano M, et al. On the safety assessment of human exposure in the proximity of cellular communications base-station antennas at 900, 1800 and 2170 MHz[J]. Physics in medicine and biology,2005(50):4125-4137.

[5]Frohl Ich H. What are non-thermal electric biological effects?[J]. Bioelectromagnetics, 1982,3(1):45-46. ★

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