电信装置射频电磁场暴露评估方法与计算*

［谈儒猛 武彤］

电信装置射频电磁场暴露评估方法与计算*

［谈儒猛 武彤］

针对电信发射装置给出了电磁场（EMF）人体暴露的基本评估程序和计算示例。详细讨论了电信装置EMF暴露的评估要求、评估区域、评估方法（计算和测量）、评估程序和缓解技术，并结合应用实际给出简单计算示例。为评判电信装置是否符合EMF安全限值提供技术指导和方法学指南。

电磁场（EMF）人体暴露 符合性评估 计算

谈儒猛

中国电信股份有限公司广州研究院。

武彤

中国计量科学研究院。

1 引言

评估人体暴露于射频电磁场（RF-EMF）的方法很多，每种方法各有所长又各有不足，如何根据实际情况选择和使用合适的方法，在实践中非常重要。基于当前已发布暴露符合性标准，为评估人体暴露于电信装置周边射频电磁场提供技术指导和方法学指南。

2 EMF暴露限值

电磁场暴露的安全限值一般分为基本限值和参考（或导出）限值。基本限值规定的是人体对电磁场生理反应的基本数量级。基本限值适用于身体处于场强中的情况。人体暴露的基本限值采用比吸收率（SAR）、比吸收能量（SA）和电流密度来表示。

由于基本量很难直接测出，所以大多数标准文件也给出了电场、磁场和功率密度的导出（参考）限值。不过有些情况下，EMF暴露产生的SAR、SA和感应电流密度可能会超过导出限值，但却低于基本限值。导出限值适用于人身的存在不会影响电磁场的情况。

国际上，大多数标准文件使用两套并行限值，其中非受控的/普通公众的暴露限值要低于受控的/职业的暴露限值。

必须强调的是暴露限值不是发射限值；暴露限值适用于工作人员或普通公众人员可到达的地点。因此，可以通过限制人员进入场强超出安全限值的地区来达到要求。

3 电信装置EMF安全限值的符合性要求

为符合限值的要求，应采取以下步骤：

（1）确定适用的符合性限值。

（2）确认安装设备是否需要进行EMF暴露评估。

（3）如果需要评估EMF暴露，可以采取计算或测量的方法。

（4）如果EMF暴露评估表明在人能够到达的区域可能超出相关的暴露限值，则应采取缓解/防范措施。

3.1 确定电信装置的评估必要性

本文中的电信装置分为有意EMF发射器和无意EMF发射器。典型的有意发射器一般连接辐射电磁能量的天线。

3.1.1 无意发射器

无意发射器的杂散发射可能产生EMF。这些杂散发射的场强是由EMC发射标准来限制。通常，属于无意发射器的电信设备产生的场强大大低于ICNIRP和国家标准规定的安全限值。EMC规定的限值低于EMF安全限值几个数量级。即使设备在某些频率上超过了EMC发射限值，经验表明它所产生的场强仍然低于安全限值几个数量级。所以，无意发射的电信设备不需要用EMF安全评估来确定是否符合EMF安全限值。

3.1.2有意发射器

有意发射器利用电磁场来进行信号传输。它们可能在某些区域产生超过安全限值的电磁场，取决于负载功率、增益、频率和发射天线的方位和方向性。在决定是否需要以及采用何种适当的评估方法进行暴露评估时，就需要考虑这些参数和安装工作环境。本文按照暴露区域的划分提供了一种风险评估方法。

3.2 EMF暴露的评估区域

如果已经确定由于有意发射器的存在而需要进行EMF暴露评估，则应在所有可能发生EMF人体暴露的区域进行暴露评估。评估目的是将可能的EMF暴露划分为以下3种区域：

（1）符合区：可能的EMF暴露低于受控的/职业的暴露的适用限值，也低于非受控的/普通公众的暴露的适用限值。

（2）职业区：可能的EMF暴露低于受控的/职业的暴露的适用限值，但超过了非受控的/普通公众的暴露的适用限值。

（3）超标区：可能的EMF暴露超过了受控的/职业的暴露的适用限值，也超过了非受控的/普通公众的暴露的适用限值。

对于多数装置而言，超标区和职业区都是人员不能随便进入的（例如人站在面对天线的方向），或只有在特殊情况下才能接近。本文提供的风险评估程序主要关注普通公众的暴露和工作人员在正常工作中的暴露场如图1所示。

图1 暴露区域划分示意图

3.3 EMF暴露水平的评估程序

评估暴露水平必须考虑到：

（1）最坏的发射条件；

（2）不同频率上同时存在的其它EMF源。所需考虑的技术参数如下：

（1）天线系统的最大EIRP2；

（2）天线增益G或相对数字增益F，包括最大增益和波束宽度；

（3）工作频率；

（4）装置的各种特性，例如天线位置、天线高度、波束方向和EMF人身暴露概率的评估。

为了运用上述评估方法和技术参数，需要先对电信装置进行等级划分，方法如下。

3.3.1 装置的分类

将发射器装置划分为以下3种类型：

（1）固有符合型：固有安全源产生的电磁场在距离源几厘米处符合相关的暴露限值。不需要采取特别的预防措施。

（2）正常符合型：正常符合型的装置，其源产生的EMF可能超过相关的暴露限值。然而在装置的正常运行中且这些源通常用于通信的时候，一般情况下，人员不可进入这些源的超标区。比如：充分高的塔上安装的天线，或指向卫星的窄波束地面站。对于这种正常符合型的装置，靠近发射器的维护人员可能需要采取预防措施。

（3）暂时符合型：对于该类装置要求采取特殊措施以符合限值。特殊措施见第5节。

3.3.2确定装置类型的方法

每个装置都应按第3.3.1节的定义类型分类。一般电信运营商使用的是有限组合的固定参数天线与配套设备。而且，多数发射器安装地址及暴露条件可能类似。因此，可以规定一套参考配置、参考暴露条件及相应的关键参数以便于场地类型的划分。

一种有效的方法如下：

（1）定义一套参考天线参数或天线类型。这些分类可以根据特定用途的发射器类型来定制。

（2）定义一套可达性条件。这些分类取决于人们对发射机附近不同区域的可达性而定。该分类可根据最常出现的提供特定服务或具有特定用途的安装环境来定制。

（3）对于每一种参考天线参数和可达性条件的组合，确定一个EIRP阈值。该EIRP阈值（可记为EIRPth）对应着一定可达性条件下参考天线产生的功率密度或场的暴露限值。该阈值可以按第3.3.3节和第4节中介绍的计算或测量方法来确定。倘若类型划分足够充分，对于大多数装置而言，该阈值只需确定一次。

（4）如果发射器属于固有符合型，则该装置源也属于固有符合源。无需考虑其安装方面问题。

（5）对于每一个站址，如果装置满足以下条件，则属于正常符合型：

其中，EIRPi是频率i下天线的瞬时平均辐射功率，EIRPTH，I是在特定天线参数和可达性条件下相应的EIRP阈值。对于多天线的装置，必须区分以下两个条件：

① 如果不同源的辐射方向图具有重叠（根据半功率波束宽度来确定），则相应最大时间平均EIRP应满足判据要求。

② 如果多源之间没有交叠，则各源独立考虑。

（6）凡是不满足正常符合型条件的场地均被视为暂时符合型。

对于无法明确使用以上分类方法的场地，就需要采用额外的计算或测量方法。

3.3.3 EIRPth阈值的确定方法

（1）对特定天线，可能产生暴露的每一观测点处，确定场强或功率密度。

（2）找出该装置暴露区域内的最大功率密度Smax。

（3）公式Smax= Slim给出了EIRPth阈值，其中Slim是相应频率下EMF暴露标准规定的相应限值。

该方法可以用第4.1节中的计算来实现，还可以用其他更精确的计算方法或测量方法实行。如果采用测量的方法，则需要在典型地点对每种可达性配置和天线类型的组合都进行测量。

4 EMF评估技术

本节给出了用于评估电信装置电磁场的方法。

4.1 计算方法

本节给出基础分析方法，各种情况下如何选择EMF暴露预测的数学方法可参见文献2。

4.1.1 感应近场区

在感应近场区，电场和磁场务必分开考虑。在没有干扰电磁场分布的物体时，如果已知电流分量，可以用准静态公式计算场强。

4.1.2 远场区

以下给出了保守估算场强和功率密度值的方法。

对于单个辐射天线，在用角度θ（与仰角互补）和φ（方位角）表示的方向上产生的近似功率密度可以用以下公式进行计算：

其中：

S（R，θ，φ）是功率密度，单位为W/m2

f（θ，φ）是天线的相对场方向图（0到1之间的正数）

EIRP 是天线的EIRP值，单位为W

ρ 是反射系数的绝对值（系数），考虑到地面反射波的影响。在某些情况下，反射波的暴露可能被阻挡，此时ρ应设置为0。

R 是辐射源中心点与假定被暴露人之间的距离

R’ 是辐射源中心点的镜像与假定被暴露人之间的距离

在地面附近，带撇号的变量与不带撇号的变量近似相等，因此地面功率可用下式计算：

其中：

F（θ，φ）是相对全向辐射天线的相对数字增益（0到1之间的正数）

用传导率σ、介电常数ε=κε0（ε0=真空介电常数，κ=相对介电常数）和入射余角Ψ表示的地面的反射系数ρ是：

反射波通常包括随入射余角变化而变化的垂直极化分量和水平极化分量，然而在很多实际应用中计算反射系数只需考虑入射波的主极化即可。

距离和角度的定义如图2所示。假设在点O对暴露进行评估。

图2 距离和垂直角的定义

对于在屋顶上安装的设备，由屋顶和墙壁的建筑材料导致辐射的衰减，其室内暴露可望降低10～20 dB。

电场和磁场采用以下公式计算：

其中η0=377Ω是自由空间固有阻抗。

上面两个公式在远场区成立。如果用于近场区可能产生不精确（过于保守）的结果。所以，这些公式可以用于评估是否符合EMF暴露限值。

4.2 测量方法

测量方法适用于场强很难计算和计算结果接近暴露限值的情况。文献2给出了用于验证是否符合EMF暴露标准要求的测量方法指南。另外，有关EMF测量的详细内容可参阅IEC 60657、IEC 61786和IEC 61566以及任何适用的国家标准。

4.3测量和计算方法的比较

测量方法需要测量设备和经验丰富的测量人员，测量基本限值需要通过人体头部模型和身体模型进行暴露评估，这种方法比较复杂且成本较高，通常在实验室进行。测量导出限值的方法更容易且成本更低，可用宽带测量方法，也可用选频测量方法。选频测量更为准确，但测量设备比较昂贵且时间成本较高。

通过测量方法评估暴露的主要优点有：

（1）它考虑了选定区域所有辐射源及其真实参数；

（2）它考虑了实际环境（反射、天线支撑硬件、障碍物等）；

（3）它考虑了真实环境下的同时暴露情况（不同电磁波的相位差）；

（4）在不完全了解辐射源的情况下可以完成评估（仅需清楚辐射源的频率范围）；

（5）可为感兴趣的群体进行现场测量示范。

主要缺点是：

（1）当有辐射源处于设计阶段时（新建或扩建），如不能安装临时发射机，则测量无法进行；

（2）通信设施的辐射水平与测量的时间（峰值时间或非峰值时间）相关，所以测量可能无法反映最大暴露水平或被低估。

（3）现场人员和测量设备的影响将增加电磁场分布的不确定性；

（4）很难确认在指定环境中所有辐射源均以最大EIRP工作；

（5）不同工作频段有不同的限值要求，故在多源环境中必须进行后期处理。

计算方法需要专业软件、有经验技术人员和与发射系统（天线）有关的数据。目前有很多商业软件包可以进行射频电磁场评估，可根据不同的模式提供不同级别的精度。一般来说，复杂的软件需要更多的数据输入（发射天线的参数）、对技术人员的资历要求更高，但评价结果更精确。

通过计算方法评估暴露的主要优点有：

（1）它可以包含拟建辐射源（尚未运营）；

（2）它可以评估最大可能暴露条件（EIRPs）下的最大暴露水平；

（3）可在不同复杂程度和精度水平的计算方法中根据需求进行选择；

（4）计算成本低于测量成本；

（5）计算可以仿真减轻暴露水平的技术方法，从而对发射环境参数变化对暴露水平的影响做出分析；

（6）计算可对无法进入的区域（如安全原因、无法进入等）进行评估；

（7）计算可以获得更多的结果数据，较容易获得整个区域的可视化结果（如水平或垂直截面图）。

计算方法的缺点是：

（1）为准确评估，必须有辐射天线的详细信息（几何形状、馈电布置、面板数据等）；

（2）不同物体的反射效应较难建模；

（3）该方法需要软件知识和使用经验；

（4）需要掌握天线理论的基本知识。

5 缓解技术

对于那些人可以进入，但是EMF超过了EMF暴露人身安全限值的地点，必须设法控制其EMF暴露。在其他装置特性不能改变时，一种有效控制暴露的方法，就是限制人们进入超出限值的区域。

5.1 职业区

如果EMF超过了非受控的/普通公众的暴露限值，但没有超出职业暴露的限值，则应该限制普通公众进入，但可以允许工作人员进入该区域。采取设置障碍物、关闭封锁或设立适当的警示牌可以起到这种限制作用。对进入职业区的工作人员应给予警示。

建议尽量不要将永久性工作区设在职业区内。

5.2超标区

当EMF超过了职业暴露限值时，应限制工作人员和普通公众进入这些地方。如工作人员必需进入，可采取以下措施对暴露进行控制：

（1）暂时降低发射器的功率；

（2）控制暴露持续时间，使平均暴露值在安全限值以内；

（3）屏蔽或穿保护制服。

6 EMF暴露的简单评估计算示例

本节给出用于评估EMF暴露的简单预测计算示例。

6.1 地面上的暴露

站在地面上的人受到架空天线辐射时计算暴露的几何图如图3所示。

图3 计算地面上的暴露的布置示意图

天线的辐射中心离开地面的高度为h，计算目的是判定在高出地面2 m（近似于头的高度）、距离天线塔x的一点处的功率密度。假设主波束与地面平行，天线增益为轴对称（全向）。

为简化起见，规定h’=h-2［m］。利用三角学原理，

考虑到地面反射的因素，功率密度为：

若需用更严格的方法，可用因子4代替因子2.56（即：考虑反射系数为1）。

例如，如果天线属于半波偶极子，则相对数字增益可用下式表示：

那么，一个EIRP值为1000 W的源，其暴露功率在3个不同高度上与x的函数曲线如图4所示。

图4 地面功率密度对人与天线塔间距的计算结果图

6.2 附近建筑物上的暴露

站在天线塔附近建筑物上的人受到辐射时计算其暴露的几何图如图5所示。

图5 计算附近建筑物上的暴露的示意图

天线的辐射中心在距地面高h的地方，计算目的是评估在附近建筑物上高出屋顶2 m（近似于头的高度）的一点处的功率密度。建筑物高为h2，与天线塔的距离为x，最严重的暴露预计发生在距天线塔最近的屋顶的边缘。假设主波束与地面平行，天线增益为轴对称（全向）。

同样，为简化上述情况，规定h’=h-h2-2。利用三角学原理，则：

在这种情况下，可以忽略地面的反射，因为反射波可能受到建筑物影响而产生衰减，因此，功率密度为：

例如：如果天线属于半波偶极子，则相对数字增益用以下形式表示：

那么，一个EIRP值为1000 W的源，其暴露功率作为x的函数，在3个不同的相对高度Dh=h-h2上与x的函数曲线图如图6所示。

图6 楼面功率密度对建筑物与天线塔间距的计算结果图

7 小结

暴露评估有多种方法，每种方法各有优缺点。不同方法具有不同程度的复杂性和精度。计算和测量的不确定度取决于所使用的方法。一般情况下，最好的方法是先从最简单方法、较为不精确方法（测量或计算）开始。如果暴露水平接近暴露限值，那么应该使用更复杂的方法，提供更高的精度，但需要更精确的数据输入、更好的工具和更有经验的人员。

送到检测及提醒平台，一种是利用彩铃平台（嵌入彩铃用户的呼叫流程，能实时获取呼叫信令的能力，将疑似诈骗号码发出的呼叫信息发往短信或者是语音平台。

对于提醒还有客户端提醒，与目前各类手机管家类似，本文不再赘叙。

3.3 疏导

另外与拦截对应的还有疏通，特别是一些群发录音型的诈骗电话，将其疏导到自动应答平台，也不愧为一种好办法，其处理原则与拦截类似。

4 结束语

基于信令等通话记录而非通话内容的电话诈骗检测与防范技术日益发展，但是诈骗分子的手段与技术日新月异，同时在“通信自由”紧箍咒下运营商更是处处制肘。相信随着相关法律的完善以及公安机关与运营商之间的合作的进一步深入，各项防范措施也可以真正得到落实，造福社会。

1法制与社会.电信诈骗的分析与对策.邝军坤.2010.6

2《腾讯2016年第二季度反电信网络诈骗大数据报告》

10.3969/j.issn.1006-6403.2016.10.003

本文受到国家科技支撑项目“射频电磁环境暴露量计量标准及测量技术研究（No.2013BAK12B07）”资助。

（2016-10-12）