周紅華,黃辰,肖偉劍,陳向進,蘭景權(quán),許志剛,汪倍吉
(1.福建省廈門環(huán)境監(jiān)測中心站,福建廈門 361022; 2.廈門市環(huán)境監(jiān)測站,福建廈門 361021)
自1996年起,《電磁輻射監(jiān)測儀器和方法》(HJ/T 10.2—1996)[1]提供了微波遠場軸向功率密度計算方法。COS T231—WI等其他傳播損耗模型提供的修正已被國外多學(xué)者發(fā)展和評價[2],國內(nèi)研究包括近場效應(yīng)[3]也在跟進[4-6]。根據(jù)國內(nèi)外基站環(huán)境監(jiān)管現(xiàn)狀[7-11],生態(tài)環(huán)境部推出《移動通信基站電磁輻射環(huán)境監(jiān)測方法》(HJ 972—2018)[12],但仍難以實現(xiàn)移動通信基站空間電磁輻射任意點預(yù)測計算并可視化。
根據(jù)相關(guān)文獻,本項目通過系統(tǒng)測試與研究,找到一種自動確定通信基站電磁輻射超限范圍的方法,通過數(shù)學(xué)簡化天線方向性衰減函數(shù),實現(xiàn)空間任意點簡化計算;通過三維仿真建模在計算機中實現(xiàn)可視化。通過簡單地輸入基站相關(guān)信息及修正參數(shù),顯示和評估移動通信基站每個天線電磁輻射空間限值等值面的預(yù)測邊界,垂直方向上空間和地面1.7m高度最大預(yù)測曲線,從而實現(xiàn)對移動通信基站建設(shè)項目電磁輻射影響的直觀可視化預(yù)測評價。
本項目可視化研究成果可以促進大型通信基站電磁輻射環(huán)境保護管理,在環(huán)評選址時就從基站布局的源頭上做好預(yù)測,調(diào)整基站電磁輻射分布,避免集中疊加效應(yīng),減輕對環(huán)境的影響,緩解公眾對通信基站電磁輻射的擔(dān)憂、減少投訴和公共資源消耗,因此具有重要的理論價值、經(jīng)濟價值與實踐指導(dǎo)意義。
根據(jù)相關(guān)文獻,基站天線遠場主瓣軸向功率密度計算公式調(diào)整為:
Pd=K×Pt×G/(4π×r2)
(1)
式中,Pd為遠場軸向功率密度(單位:W/m2),Pt為饋入天線端口的發(fā)射功率(單位:W) ,G為天線增益(單位:倍數(shù)),r為預(yù)測點至發(fā)射天線中心點的距離(單位:m),修正系數(shù)K為各種損耗引起的實測值與計算值的比值。
空間任意位置的功率密度計算需乘方向性函數(shù)Fn(θ,φ)。方向性函數(shù)計算和工程應(yīng)用均使用具體天線說明書的已測試方向圖。
發(fā)現(xiàn)依據(jù)天線輻射單元波束主波瓣強度衰減一半對應(yīng)的角度為半功率角的特性,根據(jù)天線使用頻率、天線方向圖水平、半功率角度,首創(chuàng)天線固有的垂直方向性衰減函數(shù)可簡化表達式為:
cosyθ1/2=0.5;y=lg(0.5)/lg(cosθ1/2)
(2)
首創(chuàng)天線固有的水平方向性衰減函數(shù)的簡化表達式為:
cosxφ1/2=0.5;x=lg(0.5)/lg(cosφ1/2)
(3)
式(2)中, 2θ1/2表示天線輻射主瓣的固有垂直半功率角(單位:°),θ1/2表示該固有垂直半功率角的一半,y為對應(yīng)于垂直半功率角的方向性衰減影響因子,y取整數(shù);式(3)中,2φ1/2表示天線輻射主瓣的固有水平半功率角(單位:°),φ1/2表示該固有水平半功率角的一半,x表示對應(yīng)于水平半功率角的方向性衰減影響因子,x取整數(shù)。
首創(chuàng)簡化的方向性衰減函數(shù)的數(shù)學(xué)式表達為:
(4)
式中,φ為水平面的水平傾角度(單位:°),θ為垂直面的垂直下傾角度(單位:°)。公式(4)極大地拓展和簡化了對空間電磁輻射各方向的計算。
若只求垂直面最大值,方向性衰減函數(shù)可表達為:
(5)
另外,根據(jù)文獻[5]及基本電磁學(xué)和天線工程學(xué),地面電磁輻射計算考慮旁瓣影響,垂直面近似采用均勻直線陣的方向性函數(shù),對照推導(dǎo)歸一化方向性基礎(chǔ)函數(shù)為:
(6)
簡化天線等效發(fā)射功率P為:
(7)
1.3.1對于空間功率密度限值對應(yīng)的各等值位置距離,由式(1)推導(dǎo)的表達式為:
(8)
式中,Pd0表示給定功率密度限值(單位:W/m2),其他同上。
1.3.2對于同方向某天線垂直方向空間上任意點功率密度,簡化計算公式為:
(9)
(10)
式中,Pd1表示通信基站某點電磁輻射功率密度(單位:W/m2),si表示空間上某點距離基站水平距離(單位:m),hj表示空間上某點距離基站天線的高差(單位:m),r表示空間上某點距離基站天線的距離(單位:m),其他同上。
①全反射(反射系數(shù)為1);②不考慮直射波與地面反射波的相位差,采用能量相加。
推導(dǎo)計算距地面1.7m高電磁輻射功率密度的表達式為:
Pd2=(P/4πr2)×Fn″(θ,φ)
(11)
若僅考慮垂直面最大值,疊加地面反射系數(shù)的方向函數(shù)為:
Fn″(θ,φ)=Fn(θ,φ)φ=0+Fn(θ2,φ)φ=0×(r/r2)2
(12)
式中,Pd2表示通信基站地面1.7m高某點電磁輻射功率密度(單位:W/m2),r2為地面反射波從輻射波瓣位置距中心點經(jīng)地面至預(yù)測點的傳播路徑,θ2為預(yù)測點反射波的地面投射角,其他同上。
由圖1分析可知,方向性函數(shù)Fn′(θ)簡化計算,在旁瓣附近位置,最大相對Fn(θ)偏差小于10%,絕對值偏差小于功率密度1 μW·cm-2,其余曲線部分幾乎重合,因此較低精度要求可用。
對于不同參數(shù)高差和下傾角,計算曲線如圖1(a)~(d)所示。對于地面多天線疊加影響,根據(jù)每層天線分別精確計算疊加,如圖1(e)所示。根據(jù)實際地貌影響測試值還可輸入調(diào)整反射系數(shù)。
圖1 海滄1#基站天線270°功率密度最大值預(yù)測及實測6分鐘平均及瞬時最大值Fig.1 270° measured power density and instantaneous maximum prediction of Haicang 1# base station antenna
評價標(biāo)準(zhǔn):依據(jù)《電磁環(huán)境控制限值》(GB 8702—2014)[7],在30MHz~3000MHz頻率段,電磁輻射公眾曝露總限值為電場12V/m、功率密度40μW·cm-2。關(guān)鍵目標(biāo)是保護人體頭部,即距地面1.7m處或公眾可能站立位置的電磁輻射不超過標(biāo)準(zhǔn)限值。依據(jù)《輻射環(huán)境保護管理導(dǎo)則 電磁輻射環(huán)境影響評價方法與標(biāo)準(zhǔn)》(HJ/T 10.3—1996)[14]中4.2的內(nèi)容,單個項目的影響限制在功率密度限值的1/5作為評價標(biāo)準(zhǔn)。
測試方法:依據(jù)《輻射環(huán)境保護管理導(dǎo)則 電磁輻射監(jiān)測儀器和方法》(HJ/T 10.2—1996)[1]和《移動通信基站電磁輻射環(huán)境監(jiān)測方法》(HJ 972—2018)[12],距地面1.7m,按6分鐘平均測試各測點的功率密度值及最大值。
設(shè)計特色外場測試方法:因外場智能天線的網(wǎng)絡(luò)負荷隨接入手機數(shù)字需求自動調(diào)整而少滿負荷,為有效測得各頻段最大值,在同一發(fā)射直線方向,距測試儀器2m外,移動電信手機同時播放視頻、互通電話,持續(xù)6分鐘,測得地面1.7m高處的電磁輻射隨距離變化的6分鐘平均值和瞬時最大值,模擬計算按業(yè)務(wù)波強度計算最大值,以實測最大值驗算理論最大值。
測試設(shè)備:電磁輻射選頻分析儀SRM3006、探頭K-1054(27MHz-3GHz)、探頭E-0141(420MHz-6GHz)、測試電場限值為20V。
根據(jù)文獻[1-4],測試FDD-LTE小基站天線系統(tǒng),在電波暗室中恒定發(fā)射功率情況下,測試不同軸向距離每點位置功率密度。
實驗對象為FDD制式諾基亞瓦級RRU設(shè)備,因設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊,損耗可忽略不計,預(yù)取饋線、插頭等損耗Lk為-1dB。因設(shè)備每75字節(jié)發(fā)出6字節(jié)的廣播波束,因此網(wǎng)絡(luò)負荷為6/75=8%。其他運行參數(shù):單載波輸出(控制)功率5W/載波/通道、單載波、2通道、信道資源轉(zhuǎn)換100%、功率控制100%、天線能效80%、天線增益Gt為11dBi 、±45°交叉極化、天線長度0.274 m 、帶固定工作電調(diào)下傾角6°、中心頻率1870MHz、發(fā)射波長0.16m、近場范圍0.9359 m。目前因智能手機普及,網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用增加,低頻復(fù)用,F(xiàn)DD制式因其下行速度快將逐步替代原GSM制式等成為主要方式。
測試結(jié)果,修正系數(shù)K或修正損耗系數(shù)Lk是個變量,因距離、不同天線、不同載波數(shù)接入而不同,需根據(jù)實際修正。對于FDD常用天線經(jīng)驗修正損耗系數(shù)(眾數(shù)),移動取-4.7dB,電信和聯(lián)通取-3dB,該天線擬合至20m的試驗結(jié)果為-1.55dB。
實地測試海滄某處20m高抱桿基站3層典型天線,3天測試共4組數(shù)據(jù)(第3層雙頻)。數(shù)據(jù)處理如圖1所示。
由圖1分析可以看出,4組測試的單天線各頻率最大值數(shù)據(jù)如圖1(a)~(d)所示,符合按各垂直半功率角衰減、按下傾角、業(yè)務(wù)波束強度、雙射線預(yù)測計算規(guī)律。Fn’(θ)簡化計算的修正最大絕對值小于1μW·cm-2。
4組測試的天線總和最大值數(shù)據(jù)圖1(e)所示,符合按分天線雙射線計算疊加規(guī)律。兩組計算在輻射主瓣角度位置均涵蓋戶外實測值,預(yù)測計算合理。
外場抽測96座抱桿基站,采集含本底值192組數(shù)據(jù)。為方便驗證,不計多桿共址數(shù)據(jù),不計測試背景組數(shù)據(jù),列10組典型有效數(shù)據(jù),每點位置6分鐘平均值、最大值及模擬計算相關(guān)數(shù)據(jù)的比值見表1。
表1 廈門海滄通信基站電磁輻射及本底值測試抽樣
由表1統(tǒng)計可知,基站電磁輻射影響預(yù)測平均值最大為7.09μW·cm-2,實測天線和值最大為3.65μW·cm-2;實測總值最大為22.6μW·cm-2;實測本底值為4.70μW·cm-2~20.07μW·cm-2,均小于限值40μW·cm-2,各區(qū)域電磁輻射低于標(biāo)準(zhǔn)限值,符合環(huán)保要求。實測最大值與分天線修正最大值計算后疊加值的比值,最大103.43%,最小83.35%,50%時不低于91.16%,80%時不低于97.09%,95%時不低于99.81%,戶外實測最大值驗算理論計算最大值合格。
實測平均值與分天線修正計算后疊加平均值的比值,最大99.64%,最小36.09%,50%時不超71.65%,80%時不超90.33%,95%時不超95.66%。外場輻射與天線實際網(wǎng)絡(luò)負載率有關(guān),隨時間變化,不宜長時間滿載;多天線更難長時間同時滿載;TDD制式的空間定向業(yè)務(wù)波束增益偏大3dB~6dB,以平均時間空間計不超標(biāo)。而基站網(wǎng)絡(luò)負載率不僅與時間有關(guān),與建設(shè)位置也有很大關(guān)系,人群密集且發(fā)射天線少的基站網(wǎng)絡(luò)負載率就會偏高。模型預(yù)設(shè)網(wǎng)絡(luò)負荷100%,允許按照網(wǎng)絡(luò)負載隨時間、建設(shè)地點等不同輸入變化參數(shù)修正。
在以上數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,充分考慮系統(tǒng)的復(fù)雜性、可擴展性、可重用性、易操作性,分析系統(tǒng)的構(gòu)成。根據(jù)需求,將系統(tǒng)劃分為參數(shù)設(shè)定及數(shù)據(jù)管理、目標(biāo)限值空間電磁輻射等值面預(yù)測計算三維模型、地面1.7m高處水平面及對應(yīng)距離建筑物表面垂直面電磁輻射功率密度最大輪廓預(yù)測計算曲線、地圖植入及多基站共地圖組合展示等5個分系統(tǒng)。可調(diào)整模型參數(shù)包括:限值標(biāo)準(zhǔn)、地面反射系數(shù)、基站發(fā)射功率、載波數(shù)、通道數(shù)、網(wǎng)絡(luò)負荷、信道資源轉(zhuǎn)換率、功率控制、饋線、插頭等損耗dB、天線能效、天線增益dBi、天線垂直半功率角、下傾角、測試高差等。模型預(yù)設(shè)按網(wǎng)絡(luò)負荷100%,天線水平半功率角默認(rèn)65°,需要時可調(diào)整模型計算。該通信基站電磁輻射可視化仿真預(yù)測系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)成開放式三維軟件系統(tǒng)《ER預(yù)測者》V1.0版,用戶可根據(jù)現(xiàn)場情況自行開發(fā)。如果只針對單一基站,可以直接在模型上調(diào)整參數(shù)、更換谷歌地圖截屏完成。
軟件系統(tǒng)采用 “大腦+脊椎神經(jīng)系統(tǒng)” 特色仿生控制,集中“大腦”處理數(shù)據(jù),減少數(shù)據(jù)層間交通時間;單向輸入、輸出數(shù)據(jù),保障數(shù)據(jù)流通的“脊椎神經(jīng)系統(tǒng)”高速公路,緩解計算數(shù)據(jù)擁堵。
仿真結(jié)果反饋,能充分暴露原天線發(fā)射方案中的缺陷,進行事先的可行性和效率性評估,重新調(diào)整方案參數(shù),如天線發(fā)射方向、下傾角度等,優(yōu)化控制多天線,避開或減弱電磁輻射集中疊加,達到降低電磁輻射環(huán)境影響的目標(biāo)。
由表1可知,實測本底最大值占限值約50%,分析其他組分,屬電視、WIFI、航空導(dǎo)航等。若網(wǎng)絡(luò)處于滿負荷,疊加本底值,基站地面最大電磁輻射有可能超過標(biāo)準(zhǔn)限值,天線下傾角對地面影響顯著。
以11#基站為例,預(yù)測模型展示移動通信基站電磁輻射環(huán)境影響的三維立體預(yù)測結(jié)果,見圖2。
圖2 11#基站電磁輻射環(huán)境影響立體評價Fig.2 11# stereo evaluation of environmental impact of base station electromagnetic radiation
由表1和圖2可以看出,單天線限值等值面限值范圍距地垂直高度遠高于1.7m;曲線展示地面1.7m起始高度電磁輻射預(yù)測值,疊加本底值17.6μW·cm-2,低于上方限值功率密度40μW·cm-2標(biāo)準(zhǔn)線;最近大樓水平距離50m處,垂直面電磁輻射預(yù)測值曲線疊加本底值,目測也未超限值;多天線最大電磁輻射環(huán)境影響評價合格。
通過以上研究,修正了軸向計算的準(zhǔn)確度,發(fā)現(xiàn)了合適的數(shù)學(xué)表達式,科學(xué)有效地表征和簡化了方向性函數(shù),極大地拓展和簡化了對空間電磁輻射各方向的計算。通過以實測最大值統(tǒng)計分析,驗證成功預(yù)測最大值,部分本底值占到限值50%以上。開發(fā)完成通信基站電磁輻射可視化仿真預(yù)測系統(tǒng),使最大電磁輻射強度預(yù)測準(zhǔn)確并可視化,對基站快速選址、電磁輻射環(huán)境影響可視化評價及環(huán)境保護可視化有極大的參考價值,具有一定的社會效益。