蜂窩移動通信基站電磁輻射對人體影響的探討

0 引言

到目前為止，人類真正開始認識和自覺地應(yīng)用電磁波只有100年左右的歷史。而現(xiàn)代移動通信技術(shù)也從上世紀20年代才開始發(fā)展起來，無線電新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，大大促進了各類無線電發(fā)射設(shè)備的增加，其中GSM數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)以其頻譜利用率高和系統(tǒng)容量大而得到廣泛應(yīng)用。為了能更好地服務(wù)并滿足日益增加的移動手機用戶數(shù)量需求，各大通信運營商建設(shè)了大量的蜂窩網(wǎng)基站。從城市的高樓建筑屋頂?shù)骄用裥�區(qū)，從農(nóng)村的高山到丘陵，蜂窩基站的建設(shè)數(shù)量及其覆蓋的密度均在不斷增加，人們也逐步開始關(guān)注電磁污染的話題。

基于人體安全考慮，世界衛(wèi)生組織（WHO）、國際非電離輻射防護委員會（ICNIRP）、美國國家標準機構(gòu)（ANSI/IEEE）等組織提出了電磁輻射對人體影響的安全標準。我國也頒布了相應(yīng)的標準，對電磁輻射程度制定了嚴格的法規(guī)。本文根據(jù)個人在蜂窩基站電磁場輻射的監(jiān)測工作中積累的實際經(jīng)驗，對電磁場輻射對人體組織的影響和安全問題進行探討。

1 無線電電磁波輻射

1.1 電磁波輻射

電磁波輻射是指能量以電磁波的形式由輻射源發(fā)射到空間的現(xiàn)象，簡稱電磁輻射。當電磁輻射穿過人體時，其能量會被人體吸收，如果這種能量過大，將會對人體健康構(gòu)成危害，人體暴露在這樣的電磁輻射環(huán)境中，會產(chǎn)生一定的影響。

目前，電磁輻射源的來源通常有以下幾種：雷達系統(tǒng)、電視和廣播發(fā)射系統(tǒng)、射頻感應(yīng)及介質(zhì)加熱設(shè)備、射頻及微波醫(yī)療設(shè)備、各種電加工設(shè)備、通信發(fā)射臺站、衛(wèi)星地球通信站、大型電力發(fā)電站、輸變電設(shè)備、高壓及超高壓輸電線、地鐵列車及電氣火車以及大多數(shù)家用電器等。

1.2 人體組織暴露量指標

1.2.1 比吸收率

比吸收率（SAR）作為人體組織對熱量吸收的度量單位，反映了電磁輻射對人體的影響程度。SAR定義為生物體每單位質(zhì)量所吸收的電磁輻射功率，也即吸收計量率，單位為W/kg。在本文中，SAR主要用來評估人體組織某部位處的比吸收率，該位置的比吸收率SAR與電場強度E的關(guān)系可用式（1）表示：

（1）。

其中：P為吸收功率密度，單位為W/m2 ；

ρ為組織密度，單位為kg/m3 ；

σ為組織傳導(dǎo)率 ；

E為測量組織中總的均方根RMS電場強度，

單位為V/m。

1.2.2 功率密度（P）

功率密度指在空間某點上電磁波的量值，用單位面積上的功率表示，單位用W/m2表示。

2 現(xiàn)行電磁輻射執(zhí)行標準

目前，國際組織IEEE、FCC、Safety Code 6、ICNIRP都對公眾和職業(yè)暴露給出了最高頻率到300 GHz的暴露限值。

我國現(xiàn)行的電磁輻射執(zhí)行標準，主要沿用的是《電磁輻射防護規(guī)定》(GB8702-88)、《環(huán)境電磁波衛(wèi)生標準》(GB9175-88)及《電磁輻射暴露限值和測量方法》等，由于所針對的測量要求不同，在實踐中選擇的標準也不盡相同。根據(jù)實踐測量的需要，部分內(nèi)容如表1和表2所示。

表1 人體組織比吸收率（SAR）限值

表2 射頻微波輻射暴露限值

3 測量系統(tǒng)的選取

3.1 測量系統(tǒng)的選取

我們使用羅德與施瓦茨(R&S)公司生產(chǎn)的便攜式場強測量系統(tǒng)TS-EMF對蜂窩基站的場強和功率密度進行測量，該系統(tǒng)由全向球形探頭天線(30MHz～3GHz)、R&S FSH3(100kHz～3GHz)頻譜分析儀和控制軟件R&S RFEX(安裝在筆記本電腦)三部分組成，如圖1所示。三軸探頭天線具有等方向的特性，因此我們不需要考慮發(fā)射系統(tǒng)的極化和方向，也就不必過多地在測量中轉(zhuǎn)動天線進行測量。

圖1 系統(tǒng)連接圖

3.2 測量系統(tǒng)工作要求

測量系統(tǒng)的工作條件必須嚴格按照測試系統(tǒng)所要求的工作條件進行，便攜式場強測量系統(tǒng)TS-EMF要求：

（1）頻率范圍為30MHz～3GHz；

（2）測量范圍為1mV/m～100V/m；

（3）工作溫度為0℃ ～50℃（電池供電情況下）；

（4）相對濕度為95%。

3.3 測試系統(tǒng)的校準與測量包設(shè)置

為了達到比較好的測試準確性，需要對TS-EMF測試系統(tǒng)進行單獨校準，通過校準，對天線因子和連接電纜損耗等的相關(guān)數(shù)據(jù)校準值將被存儲在RFEX軟件數(shù)據(jù)的校準包中，當儀器在進行測量時，校準值將自動計算到測量結(jié)果中，這樣可以充分保證測量值的準確性。

我們以設(shè)置GSM900參數(shù)包為例，對測量系統(tǒng)的主要參數(shù)進行合理設(shè)置。對GSM900的蜂窩系統(tǒng)，測量的分辨率帶寬RBW＝200kHz，軌跡模式為maxhold，駐留時間DT=5000ms，測量周期6分鐘，參考電平值91dBμV。進行合理的設(shè)置和校準后，通過RFEX軟件，可以自動測試出需要的結(jié)果數(shù)據(jù)。

測量控制RFEX軟件提供了三種不同的測量模式：(a)單次測量，(b)均值和峰值測量(6分鐘為周期)，(c)長期測量。單次測量：通常用來得到一個快速的、大體的認識或是現(xiàn)場顯示一個實際值來作為討論的基礎(chǔ)，選擇單次測量模式，所有被選中的測量包都會被測量一次，并且測量結(jié)果將顯示在EXCEL報表中；均值和峰值測量：該測量模式主要是搜尋某一特定區(qū)域的最大場強值，由于電磁波傳播在非理想環(huán)境條件下存在反射等因素的影響，會導(dǎo)致場強的空間分布不均，要在戶外或者室內(nèi)測量最大場強值，該方法將是首選的方法。

4 系統(tǒng)測試方法及數(shù)據(jù)分析

4.1 測量位置選取要求

由于測量環(huán)境往往達不到理想狀態(tài)，輻射電磁波傳播存在陰影效應(yīng)和快速衰落，以及大量散射波和吸收體在周圍的存在，會導(dǎo)致場強的不均勻性分布，因此，測量位置的選取對于我們所要進行的測量來說至關(guān)重要。

應(yīng)以基站為中心200m范圍內(nèi)選擇測量位置，在測量蜂窩基站電磁輻射環(huán)境時要求：

（1）測量環(huán)境氣候條件應(yīng)盡量避開大風(fēng)、雨、雪、冰雹天氣；

（2）測試點應(yīng)盡量避開高大建筑物、樹木、高壓電線及交通干線；

（3）進行地面測量時，測量高度取1.7 m，測量高層建筑時，應(yīng)在陽臺或室內(nèi)選點；

（4）測量時間應(yīng)選擇在用戶使用手機高峰期；

（5）讀數(shù)為每個測量點連續(xù)讀5次，每次測量時間不小于15s，并讀取穩(wěn)定狀態(tài)的最大值。但測量起伏過大時，應(yīng)適當延長測量時間。

4.2 輻射測量

經(jīng)過以上步驟的連接和設(shè)置之后，并結(jié)合測量位置的選取要求，本文選擇安順市委大院金鐘社區(qū)輻射測試作為探討實例。金鐘社區(qū)人口比較密集，政府機關(guān)辦公以及群眾日常生活均在此區(qū)，目前，有中國聯(lián)通公司和中國移動公司的GSM900MHz頻段的網(wǎng)絡(luò)覆蓋整個社區(qū)，人們大部分時間都暴露在這樣的環(huán)境中。并且我們時常接到該社區(qū)群眾對基站電磁輻射對其身體影響的投訴。于是，根據(jù)情況，我們在人口密集區(qū)域選擇8個不同的位置，運用便攜式場強測量系統(tǒng)TS-EMF對蜂窩基站的場強和功率密度進行測量。

通過對GSM900頻段信號的多次測量，最大值場強在距離基站50m的辦公樓內(nèi)測到。在辦公樓內(nèi)，采用均值和峰值測量模式得到的測量圖如圖2所示。圖（a）表示該位置GSM900頻段被測信號的的場強峰值頻譜，圖2（b）表示該位置GSM900頻段被測信號的場強峰值分布情況。

圖2 (a)場強峰值頻譜圖 (b)場強峰值分布(GSM900MHz頻段)

4.3 測量結(jié)果分析

除了通過對電場強度、功率密度的測量外，我們增加了對SAR的計算來評估輻射對人體暴露量的影響，本文重點探討SAR對人體大腦的影響。由（1）式可知，測量人體組織中電場強度E可通過測量得到，其他關(guān)于人體腦組織的組織密度ρ和組織傳導(dǎo)率σ可在FCC數(shù)據(jù)庫中查詢得到，如表3所示。

表3 人體腦組織電離屬性

目前，一般用場強暴露指數(shù)IE、功率密度暴露指數(shù)IP、SAR暴露指數(shù)ISAR三個指標來衡量電磁輻射對人體暴露的影響。IE=E/E0，IP=P/P0，ISAR=SAR/SAR0。其中，E0、P0、SAR0為表2中國標規(guī)定的限值。我們分別對在社區(qū)8個位置測得的數(shù)據(jù)進行了整理，結(jié)果如表4所示。

表4 最大峰值相對限值千分比

我們發(fā)現(xiàn)場強、功率密度最大值均出現(xiàn)在辦公樓位置，電場強度為0.42 V/m，這是限制值的35‰；功率密度為14.8×10-5W/m2，這是限制值的0.37‰；SAR為1.31×10-4W/kg，這是限制值的0.131‰。而最小電場強度在居民2號樓處測到，電場強度為0.13V/m，這是限制值的10.9‰；功率密度為3.18×10-5W/m2，這是限制值的0.08‰；SAR為1.28×10-5W/kg，這是限制值的0.013‰。

本次試驗數(shù)據(jù)表明，市委大院的金鐘社區(qū)各位置的電場強度、功率密度和比吸收率SAR都遠遠低于GB8702-88及《電磁輻射暴露限值和測量方法》標準。因此，該社區(qū)的電磁輻射不會對人體造成傷害。由于該被測量小區(qū)是我國較為典型的密集型使用蜂窩基站的社區(qū)，我們可以初步斷定，目前我國現(xiàn)存的蜂窩基站在符合國家標準的情況下不會因為電磁輻射對人體造成傷害。

5 結(jié)束語

本文簡要地探討了蜂窩基站電磁輻射對人體暴露的影響，并測量了典型小區(qū)各測量位置的電場強度、功率密度及比吸收率SAR，實驗結(jié)果表明這些參數(shù)均符合要求。從中我們可以分析得出，在嚴格遵照國家標準的前提下，蜂窩移動通信基站對人體是安全的。但對于測量位置還存在其他無線通信系統(tǒng)諸如GSM1800、WLAN等的射頻場，還需要綜合評估其對人體的影響。

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