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(rèn)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(jì)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(jìn)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(jī)用戶數(shù)量需求，各大通信運(yùn)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^(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(hù)委員會（ICNIRP）、美國國家標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)（ANSI/IEEE）等組織提出了電磁輻射對人體影響的安全標(biāo)準(zhǔn)。我國也頒布了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，對電磁輻射程度制定了嚴(yán)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(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對電磁場輻射對人體組織的影響和安全問題進(jìn)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(dāng)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(dá)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(biāo)

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(qiáng)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(qiáng)度，

單位為V/m。

1.2.2 功率密度（P）

功率密度指在空間某點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)

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(biāo)準(zhǔn)，主要沿用的是《電磁輻射防護(hù)規(guī)定》(GB8702-88)、《環(huán)境電磁波衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(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(shí)踐中選擇的標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同。根據(jù)實(shí)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(RS)公司生產(chǎn)的便攜式場強(qiáng)測量系統(tǒng)TS-EMF對蜂窩基站的場強(qiáng)和功率密度進(jìn)行測量，該系統(tǒng)由全向球形探頭天線(30MHz～3GHz)、RS FSH3(100kHz～3GHz)頻譜分析儀和控制軟件RS 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(jìn)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(yán)格按照測試系統(tǒng)所要求的工作條件進(jìn)行，便攜式場強(qiáng)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(zhǔn)與測量包設(shè)置

為了達(dá)到比較好的測試準(zhǔn)確性，需要對TS-EMF測試系統(tǒng)進(jìn)行單獨(dú)校準(zhǔn)，通過校準(zhǔn)，對天線因子和連接電纜損耗等的相關(guān)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)值將被存儲在RFEX軟件數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)包中，當(dāng)儀器在進(jìn)行測量時，校準(zhǔn)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(zhǔn)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(jìn)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(jìn)行合理的設(shè)置和校準(zhǔn)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(rèn)識或是現(xiàn)場顯示一個實(shí)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(qiáng)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(qiáng)的空間分布不均，要在戶外或者室內(nèi)測量最大場強(qiáng)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(dá)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(qiáng)的不均勻性分布，因此，測量位置的選取對于我們所要進(jìn)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(diǎn)應(yīng)盡量避開高大建筑物、樹木、高壓電線及交通干線；

（3）進(jìn)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(diǎn)；

（4）測量時間應(yīng)選擇在用戶使用手機(jī)高峰期；

（5）讀數(shù)為每個測量點(diǎn)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(dāng)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(shí)例。金鐘社區(qū)人口比較密集，政府機(jī)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(yùn)用便攜式場強(qiáng)測量系統(tǒng)TS-EMF對蜂窩基站的場強(qiáng)和功率密度進(jìn)行測量。

通過對GSM900頻段信號的多次測量，最大值場強(qiáng)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(qiáng)峰值頻譜，圖2（b）表示該位置GSM900頻段被測信號的場強(qiáng)峰值分布情況。

圖2 (a)場強(qiáng)峰值頻譜圖 (b)場強(qiáng)峰值分布(GSM900MHz頻段)

4.3 測量結(jié)果分析

除了通過對電場強(qiáng)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(diǎn)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(qiáng)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(qiáng)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(biāo)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(biāo)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(jìn)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(qiáng)、功率密度最大值均出現(xiàn)在辦公樓位置，電場強(qiáng)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(qiáng)度在居民2號樓處測到，電場強(qiáng)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(yàn)數(shù)據(jù)表明，市委大院的金鐘社區(qū)各位置的電場強(qiáng)度、功率密度和比吸收率SAR都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于GB8702-88及《電磁輻射暴露限值和測量方法》標(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn)的情況下不會因?yàn)殡姶泡椛鋵θ梭w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(qiáng)度、功率密度及比吸收率SAR，實(shí)驗(yàn)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(yán)格遵照國家標(biāo)準(zhǔn)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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