蜂窩移動(dòng)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(lèi)真正開(kāi)始認識和自覺(jué)地應用電磁波只有100年左右的歷史。而現代移動(dòng)通信技術(shù)也從上世紀20年代才開(kāi)始發(fā)展起來(lái)，無(wú)線(xiàn)電新技術(shù)的不斷出現，大大促進(jìn)了各類(lèi)無(wú)線(xiàn)電發(fā)射設備的增加，其中GSM數字蜂窩移動(dòng)通信系統以其頻譜利用率高和系統容量大而得到廣泛應用。為了能更好地服務(wù)并滿(mǎn)足日益增加的移動(dòng)手機用戶(hù)數量需求，各大通信運營(yíng)商建設了大量的蜂窩網(wǎng)基站。從城市的高樓建筑屋頂到居民小區，從農村的高山到丘陵，蜂窩基站的建設數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(huà)題。

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

1 無(wú)線(xiàn)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)射到空間的現象，簡(jiǎn)稱(chēng)電磁輻射。當電磁輻射穿過(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 )對人體健康構成危害，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：雷達系統、電視和廣播發(fā)射系統、射頻感應及介質(zhì)加熱設備、射頻及微波醫療設備、各種電加工設備、通信發(fā)射臺站、衛星地球通信站、大型電力發(fā)電站、輸變電設備、高壓及超高壓輸電線(xiàn)、地鐵列車(chē)及電氣火車(chē)以及大多數家用電器等。

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(lái)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(chǎng)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為組織傳導率 ；

E為測量組織中總的均方根RMS電場(chǎng)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(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 現行電磁輻射執行標準

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。

我國現行的電磁輻射執行標準，主要沿用的是《電磁輻射防護規定》(GB8702-88)、《環(huán)境電磁波衛生標準》(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(shí)踐中選擇的標準也不盡相同。根據實(shí)踐測量的需要，部分內容如表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 測量系統的選取

3.1 測量系統的選取

我們使用羅德與施瓦茨(RS)公司生產(chǎn)的便攜式場(chǎng)強測量系統TS-EMF對蜂窩基站的場(chǎng)強和功率密度進(jìn)行測量，該系統由全向球形探頭天線(xiàn)(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(xiàn)具有等方向的特性，因此我們不需要考慮發(fā)射系統的極化和方向，也就不必過(guò)多地在測量中轉動(dòng)天線(xiàn)進(jìn)行測量。

圖1 系統連接圖

3.2 測量系統工作要求

測量系統的工作條件必須嚴格按照測試系統所要求的工作條件進(jìn)行，便攜式場(chǎng)強測量系統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 測試系統的校準與測量包設置

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

我們以設置GSM900參數包為例，對測量系統的主要參數進(jìn)行合理設置。對GSM900的蜂窩系統，測量的分辨率帶寬RBW＝200kHz，軌跡模式為maxhold，駐留時(shí)間DT=5000ms，測量周期6分鐘，參考電平值91dBμV。進(jìn)行合理的設置和校準后，通過(guò)RFEX軟件，可以自動(dòng)測試出需要的結果數據。

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(cháng)期測量。單次測量：通常用來(lái)得到一個(gè)快速的、大體的認識或是現場(chǎng)顯示一個(gè)實(shí)際值來(lái)作為討論的基礎，選擇單次測量模式，所有被選中的測量包都會(huì )被測量一次，并且測量結果將顯示在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域的最大場(chǎng)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(huì )導致場(chǎng)強的空間分布不均，要在戶(hù)外或者室內測量最大場(chǎng)強值，該方法將是首選的方法。

4 系統測試方法及數據分析

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和快速衰落，以及大量散射波和吸收體在周?chē)拇嬖?，?huì )導致場(chǎng)強的不均勻性分布，因此，測量位置的選取對于我們所要進(jìn)行的測量來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

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

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

（2）測試點(diǎn)應盡量避開(kāi)高大建筑物、樹(shù)木、高壓電線(xiàn)及交通干線(xiàn)；

（3）進(jìn)行地面測量時(shí)，測量高度取1.7 m，測量高層建筑時(shí)，應在陽(yáng)臺或室內選點(diǎn)；

（4）測量時(shí)間應選擇在用戶(hù)使用手機高峰期；

（5）讀數為每個(gè)測量點(diǎn)連續讀5次，每次測量時(shí)間不小于15s，并讀取穩定狀態(tài)的最大值。但測量起伏過(guò)大時(shí)，應適當延長(cháng)測量時(shí)間。

4.2 輻射測量

經(jīng)過(guò)以上步驟的連接和設置之后，并結合測量位置的選取要求，本文選擇安順市委大院金鐘社區輻射測試作為探討實(shí)例。金鐘社區人口比較密集，政府機關(guān)辦公以及群眾日常生活均在此區，目前，有中國聯(lián)通公司和中國移動(dòng)公司的GSM900MHz頻段的網(wǎng)絡(luò )覆蓋整個(gè)社區，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)常接到該社區群眾對基站電磁輻射對其身體影響的投訴。于是，根據情況，我們在人口密集區域選擇8個(gè)不同的位置，運用便攜式場(chǎng)強測量系統TS-EMF對蜂窩基站的場(chǎng)強和功率密度進(jìn)行測量。

通過(guò)對GSM900頻段信號的多次測量，最大值場(chǎng)強在距離基站50m的辦公樓內測到。在辦公樓內，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(chǎng)強峰值頻譜，圖2（b）表示該位置GSM900頻段被測信號的場(chǎng)強峰值分布情況。

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

4.3 測量結果分析

除了通過(guò)對電場(chǎng)強度、功率密度的測量外，我們增加了對SAR的計算來(lái)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(chǎng)強度E可通過(guò)測量得到，其他關(guān)于人體腦組織的組織密度ρ和組織傳導率σ可在FCC數據庫中查詢(xún)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)強暴露指數IE、功率密度暴露指數IP、SAR暴露指數ISAR三個(gè)指標來(lái)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中國標規定的限值。我們分別對在社區8個(gè)位置測得的數據進(jìn)行了整理，結果如表4所示。

表4 最大峰值相對限值千分比

我們發(fā)現場(chǎng)強、功率密度最大值均出現在辦公樓位置，電場(chǎng)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(chǎng)強度在居民2號樓處測到，電場(chǎng)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‰。

本次試驗數據表明，市委大院的金鐘社區各位置的電場(chǎng)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，該社區的電磁輻射不會(huì )對人體造成傷害。由于該被測量小區是我國較為典型的密集型使用蜂窩基站的社區，我們可以初步斷定，目前我國現存的蜂窩基站在符合國家標準的情況下不會(huì )因為電磁輻射對人體造成傷害。

5 結束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要地探討了蜂窩基站電磁輻射對人體暴露的影響，并測量了典型小區各測量位置的電場(chǎng)強度、功率密度及比吸收率SAR，實(shí)驗結果表明這些參數均符合要求。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(dòng)通信基站對人體是安全的。但對于測量位置還存在其他無(wú)線(xiàn)通信系統諸如GSM1800、WLAN等的射頻場(chǎng)，還需要綜合評估其對人體的影響。

參考文獻

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