蜂窩移動(dòng)通信基站電磁輻射對(duì)人體影響的探討

0 引言

到目前為止，人類真正開(kāi)始認(rèn)識(shí)和自覺(jué)地應(yīng)用電磁波只有100年左右的歷史。而現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)也從上世紀(jì)20年代才開(kāi)始發(fā)展起來(lái)，無(wú)線電新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，大大促進(jìn)了各類無(wú)線電發(fā)射設(shè)備的增加，其中GSM數(shù)字蜂窩移動(dòng)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(dòng)手機(jī)用戶數(shù)量需求，各大通信運(yùn)營(yíng)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(kāi)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(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)（ICNIRP）、美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)（ANSI/IEEE）等組織提出了電磁輻射對(duì)人體影響的安全標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)也頒布了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)電磁輻射程度制定了嚴(yán)格的法規(guī)。本文根據(jù)個(gè)人在蜂窩基站電磁場(chǎng)輻射的監(jiān)測(cè)工作中積累的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)電磁場(chǎng)輻射對(duì)人體組織的影響和安全問(wèn)題進(jìn)行探討。

1 無(wú)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(jiǎn)稱電磁輻射。當(dāng)電磁輻射穿過(guò)人體時(shí)，其能量會(huì)被人體吸收，如果這種能量過(guò)大，將會(huì)對(duì)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(huì)產(chǎn)生一定的影響。

目前，電磁輻射源的來(lái)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(tái)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(duì)熱量吸收的度量單位，反映了電磁輻射對(duì)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(jì)量率，單位為W/kg。在本文中，SAR主要用來(lái)評(píng)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(chǎng)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(cè)量組織中總的均方根RMS電場(chǎng)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(guó)際組織IEEE、FCC、Safety Code 6、ICNIRP都對(duì)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(guó)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(cè)量方法》等，由于所針對(duì)的測(cè)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(cè)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(cè)量系統(tǒng)的選取

3.1 測(cè)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(chǎng)強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)TS-EMF對(duì)蜂窩基站的場(chǎng)強(qiáng)和功率密度進(jìn)行測(cè)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(guò)多地在測(cè)量中轉(zhuǎn)動(dòng)天線進(jìn)行測(cè)量。

圖1 系統(tǒng)連接圖

3.2 測(cè)量系統(tǒng)工作要求

測(cè)量系統(tǒng)的工作條件必須嚴(yán)格按照測(cè)試系統(tǒng)所要求的工作條件進(jìn)行，便攜式場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)TS-EMF要求：

（1）頻率范圍為30MHz～3GHz；

（2）測(cè)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(duì)濕度為95%。

3.3 測(cè)試系統(tǒng)的校準(zhǔn)與測(cè)量包設(shè)置

為了達(dá)到比較好的測(cè)試準(zhǔn)確性，需要對(duì)TS-EMF測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行單獨(dú)校準(zhǔn)，通過(guò)校準(zhǔn)，對(duì)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(chǔ)在RFEX軟件數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)包中，當(dāng)儀器在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，校準(zhǔn)值將自動(dòng)計(jì)算到測(cè)量結(jié)果中，這樣可以充分保證測(cè)量值的準(zhǔn)確性。

我們以設(shè)置GSM900參數(shù)包為例，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的主要參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置。對(duì)GSM900的蜂窩系統(tǒng)，測(cè)量的分辨率帶寬RBW＝200kHz，軌跡模式為maxhold，駐留時(shí)間DT=5000ms，測(cè)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(guò)RFEX軟件，可以自動(dòng)測(cè)試出需要的結(jié)果數(shù)據(jù)。

測(cè)量控制RFEX軟件提供了三種不同的測(cè)量模式：(a)單次測(cè)量，(b)均值和峰值測(cè)量(6分鐘為周期)，(c)長(zhǎng)期測(cè)量。單次測(cè)量：通常用來(lái)得到一個(gè)快速的、大體的認(rèn)識(shí)或是現(xiàn)場(chǎng)顯示一個(gè)實(shí)際值來(lái)作為討論的基礎(chǔ)，選擇單次測(cè)量模式，所有被選中的測(cè)量包都會(huì)被測(cè)量一次，并且測(cè)量結(jié)果將顯示在EXCEL報(bào)表中；均值和峰值測(cè)量：該測(cè)量模式主要是搜尋某一特定區(qū)域的最大場(chǎng)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(huì)導(dǎo)致場(chǎng)強(qiáng)的空間分布不均，要在戶外或者室內(nèi)測(cè)量最大場(chǎng)強(qiáng)值，該方法將是首選的方法。

4 系統(tǒng)測(cè)試方法及數(shù)據(jù)分析

4.1 測(cè)量位置選取要求

由于測(cè)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(huì)導(dǎo)致場(chǎng)強(qiáng)的不均勻性分布，因此，測(cè)量位置的選取對(duì)于我們所要進(jìn)行的測(cè)量來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

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

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

（2）測(cè)試點(diǎn)應(yīng)盡量避開(kāi)高大建筑物、樹(shù)木、高壓電線及交通干線；

（3）進(jìn)行地面測(cè)量時(shí)，測(cè)量高度取1.7 m，測(cè)量高層建筑時(shí)，應(yīng)在陽(yáng)臺(tái)或室內(nèi)選點(diǎn)；

（4）測(cè)量時(shí)間應(yīng)選擇在用戶使用手機(jī)高峰期；

（5）讀數(shù)為每個(gè)測(cè)量點(diǎn)連續(xù)讀5次，每次測(cè)量時(shí)間不小于15s，并讀取穩(wěn)定狀態(tài)的最大值。但測(cè)量起伏過(guò)大時(shí)，應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)測(cè)量時(shí)間。

4.2 輻射測(cè)量

經(jīng)過(guò)以上步驟的連接和設(shè)置之后，并結(jié)合測(cè)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(cè)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(guó)聯(lián)通公司和中國(guó)移動(dòng)公司的GSM900MHz頻段的網(wǎng)絡(luò)覆蓋整個(gè)社區(qū)，人們大部分時(shí)間都暴露在這樣的環(huán)境中。并且我們時(shí)常接到該社區(qū)群眾對(duì)基站電磁輻射對(duì)其身體影響的投訴。于是，根據(jù)情況，我們?cè)谌丝诿芗瘏^(qū)域選擇8個(gè)不同的位置，運(yùn)用便攜式場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)TS-EMF對(duì)蜂窩基站的場(chǎng)強(qiáng)和功率密度進(jìn)行測(cè)量。

通過(guò)對(duì)GSM900頻段信號(hào)的多次測(cè)量，最大值場(chǎng)強(qiáng)在距離基站50m的辦公樓內(nèi)測(cè)到。在辦公樓內(nèi)，采用均值和峰值測(cè)量模式得到的測(cè)量圖如圖2所示。圖（a）表示該位置GSM900頻段被測(cè)信號(hào)的的場(chǎng)強(qiáng)峰值頻譜，圖2（b）表示該位置GSM900頻段被測(cè)信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)峰值分布情況。

圖2 (a)場(chǎng)強(qiáng)峰值頻譜圖 (b)場(chǎng)強(qiáng)峰值分布(GSM900MHz頻段)

4.3 測(cè)量結(jié)果分析

除了通過(guò)對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度、功率密度的測(cè)量外，我們?cè)黾恿藢?duì)SAR的計(jì)算來(lái)評(píng)估輻射對(duì)人體暴露量的影響，本文重點(diǎn)探討SAR對(duì)人體大腦的影響。由（1）式可知，測(cè)量人體組織中電場(chǎng)強(qiáng)度E可通過(guò)測(cè)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(kù)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(chǎng)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(gè)指標(biāo)來(lái)衡量電磁輻射對(duì)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(guó)標(biāo)規(guī)定的限值。我們分別對(duì)在社區(qū)8個(gè)位置測(cè)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(duì)限值千分比

我們發(fā)現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)、功率密度最大值均出現(xiàn)在辦公樓位置，電場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度在居民2號(hào)樓處測(cè)到，電場(chǎng)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(chǎng)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(cè)量方法》標(biāo)準(zhǔn)。因此，該社區(qū)的電磁輻射不會(huì)對(duì)人體造成傷害。由于該被測(cè)量小區(qū)是我國(guó)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(guó)現(xiàn)存的蜂窩基站在符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的情況下不會(huì)因?yàn)殡姶泡椛鋵?duì)人體造成傷害。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要地探討了蜂窩基站電磁輻射對(duì)人體暴露的影響，并測(cè)量了典型小區(qū)各測(cè)量位置的電場(chǎng)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的前提下，蜂窩移動(dòng)通信基站對(duì)人體是安全的。但對(duì)于測(cè)量位置還存在其他無(wú)線通信系統(tǒng)諸如GSM1800、WLAN等的射頻場(chǎng)，還需要綜合評(píng)估其對(duì)人體的影響。

參考文獻(xiàn)

[1] 《電磁輻射防護(hù)規(guī)定》(GB8702-88)，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，1998

[2] 《電磁輻射暴露限值和測(cè)量方法》

[3] 熊 皓，《電磁波傳播與空間環(huán)境》，電子工業(yè)出版社

[4] 王一平，郭宏福，《電磁波》，西安電子科技大學(xué)出版社

[5] 夏躍兵，“無(wú)線電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)與分析”，《中國(guó)無(wú)線電》2006年第6期47頁(yè)－52頁(yè)

[6] 姜維國(guó)，卜立軍，王學(xué)誠(chéng)，“GSM移動(dòng)通信基站電磁輻射污染狀況研究”，《環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與技術(shù)》2006年第5期35頁(yè)—36頁(yè)

[7] Federal Communications Commission (FCC), 2006. FCC web site on Tissue Dielectrics . http://www.fcc.gov/fcc-bin/dielec.sh

[8] Md. Rafiqul Islam, Othman O. Khalifa, etc “Radiation Measurement from Mobile Base Station at a University Campus in Malaysia”, American Journal of Applied Sciences 3 (4) 1781-1784, 2006

[9] ICNIRP, (1998): “Guidelines for limiting exposure to time-varying electric, magnetic, and electromagnetic fields (up to 300GHz)”, Health Physics 74(4), pp.494-522