CN107087286B - 一种窗户面向通信基站的室内电磁辐射预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种窗户面向通信基站的室内电磁辐射预测方法，其步骤如下：通过弗林斯传输公式、基站的发射功率、增益、距离等信息，并把基站发射天线作为初始相位的参考点，结合发散球面波的表达式，计算出室外基站电磁波传播到窗户面上某点位电场的幅度与相位；建立X‑Y‑Z三维坐标系，窗户中心为坐标原点，窗户面位于XOY平面，将窗户看做一个衍射孔径，采用基尔霍夫衍射原理，预测室内任一位置的电磁辐射强度。本发明将通信基站的详细参数、电磁波传播的幅度和相位考虑在内，并与基尔霍夫衍射原理相结合，能够准确的预测窗户面向基站的室内电磁辐射强度。

Description

一种窗户面向通信基站的室内电磁辐射预测方法
技术领域
本发明涉及一种窗户面向通信基站的室内电磁辐射预测方法。
背景技术
近年来，随着通信技术的迅猛发展和手机的大量普及，兴建了大量的移动通信基站,加大了环境中的电磁辐射暴露水平，人们对此产生了广泛的担忧。大多时间人们都呆在室内，因此精确的预测基站周边室内环境中的电磁辐射强度具有很大的意义。然而大量的室内辐射预测方法仅仅只是在室外的基础上多加了个建筑物的损耗，而在实际情况中，房子一般都有窗户，由于窗户的存在，会导致室内的电磁辐射分布发生巨大的变化，靠近窗户的地方的辐射肯定比远离窗户的要大。若要准确的预测室内各个位置的辐射分布情况，必须要考虑建筑物窗户的影响。
目前针对通信基站室内电磁辐射的预测，文献《Determination of exposure dueto mobile phone base stations in an epidemiological study》(Neitzke H P,Osterhoff J,Peklo K,et al.Determination of exposure due to mobile phone basestations in an epidemiological study.[J].Radiation Protection Dosimetry,2007,124(1):35-9.)把室外基站辐射传播到室内环境的衰减分成了三部分：室外空间的自由传播，室外基站到建筑物之间障碍物的影响，辐射穿透墙壁产生的损耗。这样结合了基站的增益、发射功率、距离等信息来预测基站周边室内环境中的辐射暴露情况，但是没有考虑窗户的影响。文献《Modelling indoor electromagnetic fields(EMF)from mobile phonebase stations for epidemiological studies》(Beekhuizen J,Vermeulen R,Eijsden MV,et al.Modelling indoor electromagnetic fields(EMF)from mobile phone basestations for epidemiological studies[J].Environment International,2014,67(2):22-26.)首先对一个城市的多个地点进行数据统计，再采用NISMap软件来模拟室内电磁辐射分布情况，但在处理建筑物对辐射的衰减时，把墙壁或者窗户当做一个固定值损耗值来处理，这样只能得到室内的某个点的电磁辐射强度，不能反映室内的整体辐射分布情况。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种窗户面向通信基站的室内电磁辐射预测方法，该方法把窗户看做一个孔径，采用基尔霍夫衍射原理来分析，能够准确的预测室内各个位置的电磁辐射强度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种窗户面向通信基站的室内电磁辐射预测方法，包括以下步骤：
1)、通过弗林斯传输公式、基站的发射功率、增益、距离信息，并把基站发射天线作为初始相位的参考点，结合发散球面波的表达式，计算出室外基站电磁波传播到窗户面上某点位电场的幅度与相位；
2)、建立X-Y-Z三维坐标系，窗户中心为坐标原点，窗户面位于XOY平面，将窗户看做一个衍射孔径，采用基尔霍夫衍射原理，预测室内任一位置的电磁辐射强度；
上述的一种窗户面向通信基站的室内电磁辐射预测方法，所述步骤1)中，窗户面上某点位电场的幅度与相位表达式为：
Figure GDA0002190416530000011
其中，E是窗户面上某点位电场，包含了幅度与相位信息，单位为V/m，P是发射天线的发射功率，单位为W，G是发射天线的增益，单位为dBi，R是发射天线到窗户面上某一点的距离，单位为m，k是天线发射的电磁波的波数，具体表达式为2π/λ，λ是电磁波的波长。
上述的一种窗户面向通信基站的室内电磁辐射预测方法，所述步骤2)中，室内任一位置的电磁辐射值为：
其中，EP是室内某预测点P的电磁辐射强度，单位为V/m，P是发射天线的发射功率，单位为W，G是发射天线的增益，单位为dBi，R是发射天线到窗户面上某一点的距离，单位为m，k是天线发射的电磁波的波数，具体表达式为2π/λ，λ是电磁波的波长，r是室内预测点到窗户面的距离，单位为m，是r的方向向量，
Figure GDA0002190416530000023
是R的方向向量，代表窗户面的法向量，
Figure GDA0002190416530000025
是方向向量
Figure GDA0002190416530000026
与窗户法向量夹角的余弦值，
Figure GDA0002190416530000028
是方向向量
Figure GDA0002190416530000029
与窗户法向量
Figure GDA00021904165300000210
夹角的余弦值，a和b分别表示的是窗户的长和宽,单位为m，x、y是窗户面上的坐标，其取值范围为:
Figure GDA00021904165300000211
本发明的有益效果是：
1.不仅考虑到了基站发射电磁波的幅度和相位的变化，也考虑到了窗户的影响，同时又结合了基站的具体参数，能够准确的预测出室内各个位置的电磁辐射强度。
2.可让人们充分了解室内的辐射分布情况，并指导基站环境影响评价与环境保护。
附图说明
图1为本发明的场景模型图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
本发明主要是分析基站周边室内环境的电磁辐射强度，所以测量地点选在基站附近的普通居民楼。图1为本发明的场景模型图，基站位于楼顶，根据基站与窗户的位置，建立X-Y-Z三维坐标系，室外基站与窗户的距离在X轴向为16米，在Z轴向为50米，基站的高度比窗户中心高11米，可知基站Q的坐标为(16,11，-50)。窗户的长和宽分别为1.2米和1.5米，即a为1.2米，b为1.5米。基站天线的发射功率为20W，增益为16dBi。测量设备是便携式频谱分析仪(KEYSIGHT N9918A)和接收天线(HyperLOG 60180)。
本发明一种窗户面向通信基站的室内电磁预测方法，包括以下步骤：
1)、通过弗林斯传输公式、基站的发射功率、增益、距离信息，并把基站发射天线作为初始相位的参考点，结合发散球面波的表达式，计算出室外基站电磁波传播到窗户面上某点位电场的幅度与相位；
2)、建立X-Y-Z三维坐标系，窗户中心为坐标原点，窗户面位于XOY平面，将窗户看做一个衍射孔径，采用基尔霍夫衍射原理，预测室内任一位置的电磁辐射强度；
所述步骤1中，通过弗林斯传输公式、基站的发射功率、增益、距离信息，并把基站发射天线作为初始相位的参考点，结合发散球面波的表达式，计算出室外基站电磁波传播到窗户面上某点位电场的幅度与相位，包括以下内容：
本实施例中，基站天线发出的球面波的表达式为e-jkR/R，k是天线发射的电磁波的波数，具体表达式为2π/λ，λ是电磁波的波长，本实施例中分析的是GSM信号，其中心频率为956.6MHz，所以波数
Figure GDA0002190416530000031
基站天线的发射功率P＝20W，增益G＝16dBi(39.8倍)，计算出基站到窗户面上的距离为R处包含幅度和相位信息的电场场强度为：
Figure GDA0002190416530000032
所述步骤2中，建立X-Y-Z三维坐标系，窗户中心为坐标原点，窗户面位于XOY平面，将窗户看做一个衍射孔径，采用基尔霍夫衍射原理，预测室内任一位置的电磁辐射强度，包括以下内容：
将窗户看做一个衍射孔径，采用基尔霍夫衍射原理，室内任一位置的电磁辐射值为：
Figure GDA0002190416530000033
其中，EP是室内某预测点P的电磁辐射强度，单位为V/m，P是发射天线的发射功率，单位为W，G是发射天线的增益，单位为dBi，R是发射天线到窗户面上某一点的距离，单位为m，k是天线发射的电磁波的波数，具体表达式为2π/λ，λ是电磁波的波长，r是室内预测点到窗户面的距离，单位为m，
Figure GDA0002190416530000034
是r的方向向量，
Figure GDA0002190416530000035
是R的方向向量，
Figure GDA0002190416530000036
代表窗户面的法向量，
Figure GDA0002190416530000037
是方向向量
Figure GDA0002190416530000038
与窗户法向量
Figure GDA0002190416530000039
夹角的余弦值，
Figure GDA00021904165300000310
是方向向量
Figure GDA00021904165300000311
与窗户法向量
Figure GDA00021904165300000312
夹角的余弦值，a和b分别表示的是窗户的长和宽,单位为m，x、y是窗户面上的坐标，其取值范围为:
Figure GDA00021904165300000313
根据图1的场景示意图，设室内预测点P的坐标(x1,y1,z1)，那么：
将
Figure GDA00021904165300000315
和
Figure GDA00021904165300000316
的具体表达式带人上式，室内预测点P的电磁辐射强度Ep进一步简化为：
Figure GDA00021904165300000317
由上述数学表达式可知，只要给出预测点P的具体坐标数值，则可计算出P点的电磁辐射值。本实施例中选取了三个预测点P1、P2、P3进行计算，并将预测值与实际测量值相比较检验预测效果，P1的坐标为(1，0，1.73)，P2的坐标为(0，0，2)，P3的坐标为(-1，0，1.73),通过上述计算公式得出预测值。同时我们对这三个点位进行了测试，预测结果和实际测量结果如表1所示：
表1预测值与测量值的对比
预测点 预测值(V/m) 测量值(V/m)
P<sub>1</sub> 1.63 1.38
P<sub>2</sub> 1.04 0.87
P<sub>3</sub> 0.26 0.22
从数据对比上可以看出，测量值和预测值非常接近，证实本发明所使用方法的有效性。

Claims (1)

1.一种窗户面向通信基站的室内电磁辐射预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、通过弗林斯传输公式、基站的发射功率、增益、距离信息，并把基站发射天线作为初始相位的参考点，结合发散球面波的表达式，计算出室外基站电磁波传播到窗户面上某点位电场的幅度与相位；
室外通信基站电磁波传播到窗户面上某点位电场的幅度与相位的表达式为：
其中，E是窗户面上某点位电场，包含了幅度与相位信息，单位为V/m，P是发射天线的发射功率，单位为W，G是发射天线的增益，单位为dBi，R是发射天线到窗户面上某一点的距离，单位为m，k是天线发射的电磁波的波数，具体表达式为2π/λ，λ是电磁波的波长；
2)、建立X-Y-Z三维坐标系，窗户中心为坐标原点，窗户面位于XOY平面，将窗户看做一个衍射孔径，采用基尔霍夫衍射原理，预测室内任一位置的电磁辐射强度；
室内任一位置的电磁辐射强度为：
Figure FDA0002190416520000012
其中，EP是室内某预测点P的电磁辐射强度，单位为V/m，P是发射天线的发射功率，单位为W，G是发射天线的增益，单位为dBi，R是发射天线到窗户面上某一点的距离，单位为m，k是天线发射的电磁波的波数，具体表达式为2π/λ，λ是电磁波的波长，r是室内预测点到窗户面的距离，单位为m，是r的方向向量，
Figure FDA0002190416520000014
是R的方向向量，
Figure FDA0002190416520000015
代表窗户面的法向量，
Figure FDA0002190416520000016
是方向向量
Figure FDA0002190416520000017
与窗户法向量夹角的余弦值，
Figure FDA0002190416520000019
是方向向量
Figure FDA00021904165200000110
与窗户法向量夹角的余弦值，a和b分别表示的是窗户的长和宽,单位为m，x、y是窗户面上的坐标，其取值范围为:
Figure FDA00021904165200000112
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