大功率甚低頻天線陣列電磁輻射安全防護(hù)距離研究?

石昕陽 王彥碧 黃 波 謝 朦

（武漢船舶通信研究所 武漢 430205）

1 引言

甚低頻通信已廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)距離水下通信、遠(yuǎn)距離導(dǎo)航、無線心跳頻率檢測器、地球物理學(xué)研究和災(zāi)害救援等軍民用領(lǐng)域，能夠解決遠(yuǎn)距離和大深度通信難題。大功率天線陣列是甚低頻發(fā)信系統(tǒng)的主要裝備之一，其工作頻段為幾千赫茲到幾十千赫茲，發(fā)射功率為幾百千瓦到數(shù)兆瓦特不等。

歐美等科技強(qiáng)國非常重視甚低頻發(fā)信天線陣列的研究，目前亞歐美開發(fā)實(shí)用的甚低頻發(fā)信天線陣列共有近30套，表1列出了以美國為代表的甚低頻通信天線陣列的構(gòu)型、工作頻率和發(fā)射功率。

表1 美國甚低頻發(fā)信天線陣列一覽表

卡特勒（Cutler，MA.）甚低頻發(fā)信系統(tǒng)的天線陣列為兩個(gè)分隔且完全一樣的傘狀“北陣列”和“南陣列”組成，每一個(gè)陣列由13個(gè)金屬天線桅桿通過電纜線水平連接到中心天線桅桿組成六角形雪花狀。該天線陣列的發(fā)射頻率為24kHz，輸出功率為1.8MW。吉姆溪（Jim Creek，WA.）甚低頻發(fā)信系統(tǒng)的天線陣列由10個(gè)鏈狀電纜線（1719m～2652m不等）和12個(gè)61m高的塔架組成，發(fā)射頻率為24.8kHz，輸出功率為 1.2MW.拉莫爾（LaMoure，ND）甚低頻長波發(fā)信拉索式傘狀天線陣列的工作頻率為25.2kHz，輸出功率為1.6MW。盧阿盧阿萊（Lualualei，HI）甚低頻長波發(fā)信天線陣列的工作頻率為21.4kHz和23.4Hz，輸出功率1.7MW。美國海軍甚低頻電臺廣播網(wǎng)架設(shè)了11個(gè)500kW以上的甚低頻電臺，每個(gè)電臺的天線陣有7～26個(gè)鐵塔，塔高最高達(dá)383m。美國海軍“塔卡木”機(jī)載甚低頻發(fā)信天線采用一長一短的雙拖曳天線（7925m/1220m），其最大發(fā)射功率為250kW。澳大利亞哈羅德霍特（Harold E.Holt）甚低頻長波天線陣列由13個(gè)天線塔組成，其工作頻率為19.8kHz。波多黎各阿瓜達(dá)甚低頻發(fā)信天線陣列由三個(gè)拉索塔架構(gòu)成，其工作頻率為40.75kHz。冰島凱夫拉維克（Keflavik）甚低頻天線陣列工作頻率為37.5kHz。意大利錫戈內(nèi)拉（Sigonella）長波電臺天線陣列的工作頻率為45.9kHz。俄羅斯海軍的甚低頻長波天線陣列的工作頻率為 11.91kHz、20.2kHz和 21.1kHz、25kHz，其發(fā)射功率為450kW。

歐美各國較多關(guān)注的是大功率甚低頻發(fā)信天線的輻射效率和最大發(fā)信距離，而對甚低頻天線陣列布置在露天區(qū)域產(chǎn)生的高強(qiáng)輻射場會對電磁環(huán)境會造成的影響則較少研究，這種不利影響會對人員和設(shè)備造成嚴(yán)重電磁輻射危害［1～3］。

在電磁輻射危害方面，國際非電離防護(hù)委員會標(biāo) 準(zhǔn) ICNIRP-2010［4］《Guidelines for limiting exposure to time-varying electric and magnetic fields》，詳細(xì)規(guī)定了 1Hz～100kHz和 100kHz～300GHz頻段電場和磁場的暴露限值、對人體的直接危害和間接危害效應(yīng)模型和評價(jià)準(zhǔn)則以及人體電磁輻射危害防護(hù)方法。英聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)British standard BS EN62311：2008《Assessment of electronic and electrical equipment related to human exposure restrictions for electromagnetic fields（0Hz～300GHz）》［5］，闡述了 0Hz～300GHz頻段磁場、電場和電磁場對電子電氣設(shè)備和人體的輻射限值和評估流程及方法，并采用“權(quán)重電路”模型，利用基于時(shí)域有限差分方法（FDTD）的仿真軟件EMPIRE，計(jì)算了典型結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電流密度和人體的比吸收率。IEEE-Std-C95.1-2005［6］和 IEEE-Std-C95.6-2002［7］IEEE Standard for Safety Levels with Respect to Human Exposure to Radio Frequency Electromagnetic Fields》，主 要 論 述 了0Hz～3kHz和3kHz～300GHz頻段內(nèi)，生物體所能承受的電場、磁場和電磁場輻射安全限值，限值指標(biāo)主要以內(nèi)部電場、比吸收率和電流密度為表征參數(shù)，該標(biāo)準(zhǔn)要求在3kHz～100kHz甚低頻頻段范圍內(nèi)的場強(qiáng)值不得高于614V/m（175.76dBuV/m），長時(shí)間活動(dòng)將會對人員腦垂體、心肺、瞳孔等功能產(chǎn)生危害。GJB5313A-2017［8］《電磁輻射暴露限值和測量方法》重點(diǎn)關(guān)注的是測試區(qū)域的瞬時(shí)值和平均場強(qiáng)，在該標(biāo)準(zhǔn)表1“作業(yè)區(qū)瞬時(shí)暴露限值”中指出“3000Hz～100kHz頻率范圍內(nèi)，電場強(qiáng)度限值為不超過170V/m”，在表4“生活區(qū)瞬時(shí)暴露限值”中指出“2.9kHz～57kHz頻率范圍內(nèi)，電場強(qiáng)度不超過70V/m”，而GB8702～2014［9］《電磁環(huán)境控制限值》主要關(guān)注的是電磁輻射危害對人員傷害的積累效應(yīng)，該標(biāo)準(zhǔn)表1“公共暴露控制限值”中要求“2.9kHz～57kHz頻率范圍內(nèi)，電場強(qiáng)度不超過70V/m”，這與GJB5313A-2017 中規(guī)定相同。GB6364-2013［10］《航空無線電導(dǎo)航臺（站）電磁環(huán)境要求》中，給出了工科醫(yī)設(shè)備射頻段干擾防護(hù)距離。

上述標(biāo)準(zhǔn)中僅給出了作業(yè)區(qū)和生活區(qū)內(nèi)人員電磁輻射限值、測量方法和定性的防護(hù)措施，未定量地給出電磁輻射危害防護(hù)距離及其對應(yīng)的具體防護(hù)方法。本文針對某型大功率甚低頻天線陣列，仿真計(jì)算了天線陣列近場場強(qiáng)，構(gòu)建了電場輻射危害防護(hù)距離模型，開展了輻射防護(hù)距離和區(qū)域劃分試驗(yàn)驗(yàn)證工作。

2 大功率甚低頻天線陣列構(gòu)型

大功率甚低頻發(fā)射天線陣列一般采用菱形水平天線構(gòu)型，圖1所示為某型天線陣列布局示意圖，天線陣列經(jīng)1＃至18＃塔架架設(shè)，塔架由纜繩打樁支撐（圖中虛線）。長方形的中軸線為天線主饋線，饋線上饋電點(diǎn)均勻分布，長方形中均勻細(xì)線為天線本體。當(dāng)天線尺寸與天線發(fā)射的電磁波長可比擬時(shí)，天線輻射效率最高，同時(shí)為提升天線輻射效率而設(shè)計(jì)的地網(wǎng)布局俯視圖如圖2所示，該地網(wǎng)系統(tǒng)可等效為完全純導(dǎo)體，作為發(fā)射天線的鏡像反射面。地網(wǎng)系統(tǒng)的金屬面積與菱形發(fā)射天線的水平面積相當(dāng)。

圖1 大功率發(fā)射天線陣列構(gòu)型示意圖

圖2 天線陣列地網(wǎng)俯視圖

3 甚低頻發(fā)射天線近場輻射仿真分析

甚低頻發(fā)信天線可近似等效為由單極子天線組成的天線陣列，其電磁模型如圖3所示，設(shè)天線長度為h，以原點(diǎn)為饋點(diǎn)，以垂直方向?yàn)閦軸，x軸為地網(wǎng)，建立直角坐標(biāo)系。

圖3 甚低頻發(fā)射天線簡化模型示意圖

根據(jù)天線和電磁場理論［11～12］，電場和磁場可由磁矢位表示為

磁矢位A可通過對天線電流進(jìn)行積分計(jì)算得到，對單極線天線而言，磁矢位A只有z分量，即

式中：ρ為觀察點(diǎn)到天線的水平距離；z為觀察點(diǎn)的高度；I0為天線根部饋電電流。

圖4 大功率甚低頻發(fā)射天線陣列近區(qū)電場強(qiáng)度E隨距離變化曲線（f=10kHz，r=0～100m～5000m，V/m）

利用電磁仿真軟件CST2015對大功率發(fā)射天線的近區(qū)電場和磁場進(jìn)行仿真計(jì)算，天線工作頻率為10kHz，近區(qū)電場和磁場隨距離變化歸一化曲線如圖4和圖5所示。由圖可見，大功率發(fā)射天線在工作頻率為10kHz，發(fā)射功率為150kW時(shí)，近場電場場強(qiáng)值隨著距離的增加而急劇衰減，距天線相位中心10m以內(nèi)的場強(qiáng)值高達(dá)500V/m～2000V/m；距天線相位中心10m～40m范圍內(nèi)，電場值急劇下降并保持在200V/m～500V/m；距天線相位中心40m～100m范圍內(nèi)，電場值下降到60V/m至100V/m之間；距天線相位中心100m外，電場值將急劇衰減到20V/m以下。甚低頻發(fā)射天線在工作頻率為10kHz時(shí)，近場磁場值隨著距離的增加而急劇衰減；距天線相位中心70m以內(nèi)的磁場值可達(dá)110dBuA/m～150dBuA/m；距天線相位中心70m～500m范圍內(nèi)，磁場值保持在90dBuA/m至110dBuA/m；距天線相位中心500m外，磁場值將急劇衰減到60dBuA/m左右。

圖5 大功率甚低頻發(fā)射天線陣列線近區(qū)磁場強(qiáng)度H隨距離變化曲線（f=10kHz，r=0～100m～5000m，dBuA/m）

4 電磁輻射危害最小防護(hù)距離模型

ICNIP-2010、BS EN62311-2008、IEEEC95.6-2002、GJB5313A-2017和 GB8702-2014中僅論述了甚低頻頻段內(nèi)的輻射暴露限值，本文提出并構(gòu)建了一種甚低頻頻段內(nèi)的電磁輻射最小防護(hù)距離模型，如式（7）～（9）所示。

式中，D為電磁輻射防護(hù)距離，單位為m；Ed為接收點(diǎn)處實(shí)際測量場強(qiáng)，單位為dBuV/m；Es0為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的干擾場強(qiáng)限值，單位為dBuV/m，例如GB8702-2014中規(guī)定2.9kHz～57kHz頻率范圍內(nèi)生活區(qū)內(nèi)的限值為70V/m即157dBuV/m；R為防護(hù)率，單位為dB，R表征接收設(shè)備正常工作的接收點(diǎn)處信號場強(qiáng)與同頻道干擾場強(qiáng)的最小比值；Es為同頻道干擾場強(qiáng)的峰值，單位為dBuV/m；A為干擾衰減率中的衰減指數(shù)。在甚低頻段全向電磁輻射條件下，防護(hù)率R不小于9dB，衰減指數(shù)A值為3.0。以GJB5313A-2017甚低頻內(nèi)作業(yè)區(qū)瞬時(shí)暴露限值170V/m為例，即Es0等于165dBuV/m，當(dāng)實(shí)際測試場強(qiáng)為400V/m，即172dBuV/m時(shí)，計(jì)算可得最小防護(hù)距離為55.48m。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

本項(xiàng)目采用粗測和細(xì)測相結(jié)合的方式，進(jìn)行電磁輻射最小防護(hù)距離和區(qū)域劃分驗(yàn)證試驗(yàn)。首先利用意大利Nadar公司NBM-550型場強(qiáng)測試系統(tǒng)（EHP-50D，5Hz-100kHz，編號E-0752）粗測，確定輻射量級后，再利用Agilent E4440A型頻譜分析儀（9kHz～26.5GHz）加上 R&S HFHZ-Z2.335.4711.52型環(huán)天線（9kHz～30MHz）測試系統(tǒng)完成細(xì)測。具體的方法為：以大功率甚低頻菱形水平天線陣列的地面投影中心點(diǎn)為中心，在2500m2矩形范圍內(nèi)，沿對角線方向，每間隔5m選取一個(gè)測試點(diǎn)，共計(jì)30個(gè)測試點(diǎn)，從 10kHz～30kHz頻段內(nèi)，每間隔 2kHz，測試不同發(fā)射功率條件下的電磁輻射綜合場。圖6為大功率甚低頻天線陣列以單頻點(diǎn)連續(xù)波方式，在發(fā)射頻率為10kHz～18kHz之間、天線增益為2時(shí)，發(fā)射功率為100kW～140kW的近區(qū)輻射綜合場隨距離變化曲線。

圖6 甚低頻發(fā)射天線陣列電磁輻射綜合場隨距離變化曲線

由圖6可見，甚低頻天線陣列電磁輻射近場隨距離的增加而急劇衰減，場強(qiáng)值從475V/m下降到75V/m；由前兩個(gè)工況曲線對比可知，當(dāng)發(fā)射功率不變時(shí)，甚低頻陣列天線電磁輻射近場與頻率依存性不高；由第2和第3工況曲線對比可知，發(fā)射頻率不變時(shí)，甚低頻陣列天線電磁輻射近場發(fā)射功率的增大而增大。

依據(jù)GJB5313A-2017作業(yè)區(qū)瞬時(shí)暴露限值不超過170V/m的要求，由圖6可見，甚低頻天線陣列在100kW～150kW發(fā)射時(shí)，其作業(yè)區(qū)內(nèi)的最小防護(hù)距離約為38.7m，而由式（7）～（9）計(jì)算的最小防護(hù)距離為42.4m，兩者誤差為3.7m。綜合公式計(jì)算和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可將42m作為甚低頻天線陣列100kW～150kW大功率發(fā)射的安全作業(yè)區(qū)和危險(xiǎn)區(qū)的臨界距離。

6 結(jié)語

本文以某型甚低頻天線陣列為研究對象，提出電磁輻射危害最小防護(hù)距離模型，通過電磁仿真分析和理論計(jì)算以及試驗(yàn)驗(yàn)證獲知，大功率甚低頻天線陣列近區(qū)綜合場強(qiáng)值隨著發(fā)射功率的增大而顯著增大；其防護(hù)距離也隨著發(fā)射功率和工作頻率的不同而略有不同；100kW～150kW大功率甚低頻天線陣列在GJB5313A-2017標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的作業(yè)區(qū)內(nèi)的最小防護(hù)距離約為40m，40m半徑范圍內(nèi)為作業(yè)危險(xiǎn)區(qū)，其瞬時(shí)峰值場強(qiáng)遠(yuǎn)超過170V/m安全限值，人員長時(shí)活動(dòng)將會對腦垂體、心肺、瞳孔等功能產(chǎn)生嚴(yán)重危害。