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全面剖析通讯基站的电磁辐射问题
前言 随着移动通信的飞速发展，网络建设也加速进行。人们身边的基站数量也越来越多，分布越来越密集。那么基站是否产生辐射，对我们的身体是否会有影响呢？带着这些问题，我们对生活中的电磁环境做了深入的研究，并完成了本报告。在报告里，我们将对以下几个问题进行讨论和讲解，并通过测试和分析，得出科学的结论。 电磁波、电磁辐射是广泛存在的 我们生活在一个复杂的电磁环境中，不仅有自然界中雷电、天体等带来的电磁波，还有大量的人工磁场。随着科技的发展，大量的电子电气设备走入了我们的生活，在为生活提供便利的同时，也增加了电磁辐射。 电磁波和电磁辐射的本质 电磁波与声音、光的本质类似，都是一种能量的波动传播，不同之处在于声波的频率较低，在30Hz到30kHz之间，光波频率较高，在3.85×1020～7.69×1020Hz之间，而我们用来进行移动通信信号传递的电磁波频率在4×108Hz 到2×109Hz之间。 移动通信所发射电磁波的频率和强度对人体的影响 公众对自身生活环境的质量要求越来越高，对身边环境中的种种不利因素，都会进行维权行动。移动通信基站的电磁辐射也成为公众关心的问题，由于专业知识的不熟悉以及一些有失偏颇论调的影响，公众对移动通信基站容易产生误解，谈“辐射”色变。由此引起的纠纷已成为影响构建和谐社会的重要问题之一。 通过监测研究，我们将得到科学的结论 生活中的电磁环境状况究竟怎样？移动通信行业对人体健康有什么影响？这并不能从“常识”判断。国际上的研究显示，一定强度的电磁波辐射是可能危害人们健康的。我们依据科学原理，由专业的工程师采用国际和国家通用的监测方法、国际先进的测量设备对广州市部分地区的基站周边电磁环境进行了监测和研究，将监测数据与国家电磁防护标准限值进行对比分析，详解人们生活环境周边基站的电磁辐射问题。 第一章 电磁辐射基本原理 一、 电磁辐射概述 1.电磁辐射的概念 1.1辐射 辐射是一种自然现象，自然界中的一切物体，只要温度在绝对温度零度（约为 1.2电磁波 人们不应对电磁波感到陌生，其实人类一直生活在电磁环境里，地球本身就是一个大磁场（静场），其表面的热传递和雷电都产生电磁辐射，阳光也是一种电磁辐射。此外，其他星球也自外层空间源源不断地产生电磁辐射。 电磁波在日常生活中无时无刻不在，从物理学的角度来看，电磁波是电磁场的一种运动形态。下图为实际测量数据通过仿真软件(MATLAB)模拟空间电磁场某一时刻的分布状态图。
图1-1 空间电磁场某一时刻分布状态模拟图 电可以生成磁，磁也能带来电，变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场，这就是电磁场，而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波，所以电磁波也常称为电波。 1.3电磁波的表示 对于描述电磁波的特征，频率或波长是表达其内在特质的重要单位。 频率：电磁波在一秒钟内电磁波振动方向改变的次数。 波长：电磁波每个周期的相对距离，可以通过电磁波的传输速度除以频率算出。低频率的电磁波有着较长的波长，高频率的电磁波有着较短的波长。如果以频率来表达具体的电磁波，其单位有Hz（赫兹）、kHz（千赫）、MHz（兆赫），它们之间的关系是1MHz=1,000kHz=1000,000Hz。 1.4无线电波的划分 频率从3kHz到3000GHz左右频谱范围内的电磁波，称为无线电波。其具体波段划分参见表1-1，各个波段的相应应用参见图1-2所示。 表1-1无线电波波段划分
1.5电磁波的传播 电磁波传播不依靠电线，也不像声波那样，必须依靠空气媒质，有些电磁波能够在地球表面传播，有些能够在空间直线传播，也能够从大气层上空反射传播，有些甚至能穿透大气层，飞向遥远的宇宙空间。 任何一种无线电信号传输系统均由发信部分、收信部分和传输媒质三部分组成。传输无线电信号的媒质主要有地表、对流层和电离层等，这些媒质的电特性对不同波段的无线电波的传播有着不同的影响。 2.电磁辐射的普遍性 从前面的分析可知，只要温度在绝对零度以上的物体均会产生辐射，而电磁辐射是普遍存在的，其来源分为自然来源和人造来源两类。顾名思义，前者是指由大自然自身的力量产生的电磁辐射，如地球南北两极产生的电磁辐射、雷雨天气中局部电荷积累产生的电磁辐射等；后者则是指由人类活动产生的电磁辐射，如电灯、电脑、彩电、冰箱、电磁炉、微波炉等电器的工作原理都是利用电磁波、电磁能，均为低频辐射，移动电话、无绳电话、微波炉、广播电视发射塔、雷达和移动通讯基站、各类理疗仪等产生的微波辐射等等。总之，电磁辐射无处不在，人类本身就生活在一个充满电磁辐射的环境中。 二、 电磁辐射的分类 从对人体是否有害的角度看，电磁辐射可分为两类：一类为电离辐射；另一类则为非电离辐射。
图1-2 电磁波频谱 图1-2是电磁波的频谱，最右方是“电离辐射”（核爆炸、核电站意外、X射线、伽玛射线），电离辐射的频率及光子能量极高（超过10eV），能将电子击离分子（电离），使人的DNA突变，诱发癌症。它不但能杀死一定范围内的生物，而且其辐射也会存在很长一段时间，这种残余的辐射对人体健康是非常有害，并且有累积作用，所以一般人对这种“电离辐射”都心存恐惧。 低于紫外光线频率的电磁波（包括可见光）其光子能量不足以产生电离，故称为“非电离辐射”，这部分的电磁波是安全的，我们平时生活中的太阳光就是在这个区间内。而太阳光对我们人类来说是不可或缺的，适当的照射可以促进体内钙质的吸收，调节日常生活的周期。 移动通信所使用的电磁波属于微波的范畴，比可见光的频率要低。这频率内的电磁波不会引起电离辐射。 三、 电磁辐射对人体的影响 1.电磁辐射对人体的三种效应 一般来说，电磁辐射对人体的作用主要是热效应、非热效应和累积效应等。 l 热效应 人体70%以上是水，水分子受到一定强度电磁波辐射后相互摩擦，引起机体升温，从而影响体内器官的工作温度。 l 非热效应 人体的器官和组织都存在微弱的电磁场，它们是稳定和有序的，一旦外界电磁场的干扰强度过大，处于平衡状态的微弱电磁场将有可能受到影响甚至破坏。 l 累积效应 热效应和非热效应作用于人体后，人体尚未来得及自我恢复之前（通常所说的人体承受力——内抗力），若再次受到过量电磁波辐射的长期影响，其影响程度就会发生累积。 2.电磁波影响人体的过程 当人体处在移动电话和基站无线电波下时，大部分能量将由人体反射或绕过人体，但还是会有部分能量将被人体表皮组织吸收。 电磁场的出现，身体内的一些分子（类似水）将开始游移或旋转。通过“摩擦”产生热量。如果无线电波密度相当高，热量可能会相当大，从而造成一定危害。但移动通信系统所使用的能量非常低，因而无线电波吸收所引起的表皮组织热量会相当小，不会被察觉。 体内所吸收的电磁波射频能量的数量用特定吸收率 (SAR) 来衡量。SAR 的表示单位为瓦特/千克(W/kg)。 3.低功率的辐射对人体的影响 目前已经确认，射频电磁辐射量如果达到足够高的水平就可以对生物组织加热从而造成潜在的破坏，主要是因为人体不能承受由此产生的过多热量。 但是，研究表明人们日常生活中的射频电磁辐射还远远低于那个能够产生热量并能提高人体体温的数值。 到目前为止，流行病学（人口研究学）方面还没有确切的证据证明低功率射频电磁辐射值（场强低于能产生不可忽略热量的场强）能对生物体产生危害。尽管有些研究表明低功率射频电磁辐射值会产生一些生物效应，但是没有证据表明这些效应可能对人类健康构成威胁，即使是长时间辐射。 第二章 移动通信系统与电磁辐射 手机、小灵通、无线数据卡等无线通信设备为生活提供了便利，同时也带来了电磁环境安全的忧虑，要正确认识和分析电磁辐射问题，就要先认识和了解移动通信的基本原理和电磁波在其中扮演的角色。 1.移动通信的原理 移动通信工作的原理是：通过空间电磁波传输信号，移动用户与基站相连接，再经过基站的控制，每个移动用户之间或者用户与网络之间实现互联互通。 移动通信系统基站的射频部分主要包括基站设备和天馈系统。天馈系统包括一些射频放大器、电缆和天线。它的作用是：一方面将基站发出的射频信号进行能量调整，通过天线发射给用户；另一方面将用户发出的载有语音数据业务的信号接收下来发送给基站。基站设备被放置在移动运营商的机房中，其运转产生的电磁辐射都被机房所屏蔽，不会泄露出去，对居民的生活没有影响。 2.常用通信天线 天线是任何一个无线电通信系统都不可缺少的重要组成部分。合理地选择和正确地使用天线，可以取得较远的通信距离和良好的通信效果。 2.1天线的作用 各类无线电设备所要执行的任务虽然不同，但天线在设备中的作用却是基本相同的。任何无线电设备都是通过无线电波来传递信息，因此就必须有能辐射或接收电磁波的装置。而天线的主要作用就是辐射和接收电磁波。 2.2移动通信天线的分类 基站天线基本可以分为两种：定向天线和全向天线，定向天线从外形上看是板状的，而全向天线从外形上来看是一个长的圆柱形。通过天线的方向图可以了解天线的特性。 对于全向天线，图2-1为全向天线的外观和发射能量的示意图，它在进行信号发射的时候我们测量了一下周围的电磁场强度，可以看到天线水平面和垂直面的电场强度波形。
外观 垂直面方向图 水平面方向图 图2-1全向天线的外观和发射能量示意图 由图形可以发现，全向天线在水平面上做360度的覆盖，在垂直面上的能量主要集中在水平的方向上，上下两个方向上面的能量非常小。通过方向图可以建立这样一个观念，就是在天线脚下的电磁波强度很小，这就是移动通信工作者们常说的“塔下黑”。因此，那些“头顶上”安装了基站的居民不必为此感到烦恼和紧张。 接下来介绍定向天线，也从天线方向图的角度来了解一下。 从图2-2所示的定向天线性能示意可以看到，水平面上定向天线有一定的指向性，在垂直面上和全向天线一样，能量都集中在水平方向上，垂直方向上没有能量的发射。
外观 垂直面方向图 水平面方向图 图2-2 定向天线的外观和发射能量示意图 3.基站 基站（Base Station，BS）是移动通信中组成蜂窝小区的基本单元，完成移动通信网和移动通信用户之间的通信和管理功能。图2-3为基站的功能示意图。
图2-3 基站功能示意图
图2-4 基站样式示意图 4.科学认识通信基站电磁辐射 在移动通信的发展过程中，针对移动通信基站电磁辐射问题的反应最为强烈，基站建设与其监测管理成为社会热点问题。居民通常担心大型的天线所发出的电磁波会对身体健康产生影响。由此产生心理上的恐惧，这种心理恐惧造成了对移动通信发展的误解甚至阻碍。面对由此引起的种种猜测与质疑，各省、市辐射环境监测管理站会同移动通信工程建设主管单位按照国家颁发的标准，对每一个基站都进行了监测，并分析了基站分布密度与其辐射功率之间的关系。 由于移动通信基站目标大，往往使人们对基站电磁辐射对环境的影响产生疑问。实践证明，就全国而言，城市中的任何一栋大楼顶部或附近都建有移动通信铁塔，而且上面挂满了各种各样的天线，对应的机房内充满了各种现代通信设备。然而全国职业病防治或各种癌症发病率的统计数据却显示，此类疾病还没有集中于通信工程技术人员的迹象。因此，公众没有必要担心基站的电磁辐射。 此外，我国政府在有关电磁辐射环境保护方面是有严格标准的，移动通信运营部门的整套设备以及技术参数也是按照国家标准进行控制的，相应的监管部门会定期检测。
移动通信基站电磁辐射监测需要借助专用的电磁辐射分析仪 (上图为意大利微纳德NHT-310 宽频场强仪、宽频电磁辐射分析仪) 对通信基站的抵制源于对基站工作原理的认识误区。许多人认为，基站越多辐射强度越大。于是，不可避免的出现了一种矛盾局面：一方面众多的手机用户希望移动通信信号覆盖越紧密越好，以保证自己的通话质量；另一方面，又对基站的电磁辐射过分敏感，担心影响健康，阻止通信部门进行通信网络建设。 目前在我国应用的是集当今各种现代通信技术与通信理论为一体的高科技通信技术。手机持有者在“移动”的过程中能随时接通电话，并保持清晰、稳定的通话效果，是因为手机与基站及基站控制器之间，借助无线信道，进行着通信信息、控制信号、测试信号等的智能控制。 基站和手机的辐射功率都并不是固定的，而是自适应调节的，发射功率的大小是随它们之间的距离而变化的。根据蜂窝式移动通信理论，每个基站负责自己小区内的信号覆盖，移动通信基站密度越高，每个基站的覆盖半径越小，基站发射较小强度的电磁波就可以完成覆盖。相应每个基站电磁辐射强度越低；手机距离移动通信基站越近，手机在使用过程中对通话者电磁辐射当量就越低、越安全。 这好比老师向同学们讲课一样，如果在小的教室里，老师不需要很大的声音就可以让全班的同学都可以听到，第一排和最后一排的同学感觉差不多，而换了大的教室，老师再用小教室里讲课的声音就会出现问题，后面一排的同学就会听不清楚，而老师放大了声音讲，第一排的同学又会觉得声音太大。老师的位置就好比基站，而同学们就好比基站周围的手机，教室好比基站覆盖的区域，教室小，代表着基站覆盖的区域小，老师讲话的声音可以很温和，也就是调低基站的发射功率，而基站覆盖区域大了，就只能提高发射功率了，这样不仅会带来大的电磁辐射，对网络的覆盖也不好。 如果你工作或生活的地区信号较差，手机长期在“一格”信号中使用时，你就应主动与移动电话网络运营商反映了，要求他们在你的周围多建一些基站，这样才会有一个完整、优质的网络来为你服务。基站密度大些，不仅对你的手机的接通率、通话质量和手机电池的寿命有利，更有利于身体健康。
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