CN107271791A - 一种墙壁面向通信基站的室内电磁辐射预测方法 - Google Patents

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，计算出室外基站电磁波传播到建筑物墙壁某点位电场强度的表达式；根据建筑物与基站的位置信息、建筑物的墙壁材质并与穿透理论模型相结合，得到室内各个位置的电磁辐射分布情况。本发明将通信基站的详细参数、建筑物墙壁的材质考虑在内，并与穿透理论模型相结合，能够准确的预测墙壁面向通信基站的室内电磁辐射强度。

Description

一种墙壁面向通信基站的室内电磁辐射预测方法

技术领域

本发明涉及一种墙壁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，基站天线发射的电磁波在穿过墙壁时会发射折射和反射，不同建筑物墙壁材质的不同会导致室内电磁辐射强度有很大的差异，若要准确的预测室内各个位置的辐射分布情况，必须要考虑建筑物墙壁的影响。

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，没有考虑建筑物材质的影响和折射影响。文献《Modelling indoor electromagnetic fields(EMF)from mobilephone base stations for epidemiological studies》(Beekhuizen J,Vermeulen R,Eijsden M V,et al.Modelling indoor electromagnetic fields(EMF)from mobilephone base stations 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，把墙壁当做一个固定值损耗值来处理，同样没有考虑建筑物材质的影响和折射影响。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种墙壁面向通信基站的室内电磁辐射预测方法，该方法采用穿透理论模型来分析，考虑了建筑物材质和折射因素，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：一种墙壁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、距离等信息，计算出室外基站电磁波传播到建筑物墙壁某点位电场强度的表达式；

2)、根据建筑物与基站的位置信息、建筑物的墙壁材质与穿透理论模型相结合，得到室内各个位置的电磁辐射分布情况；

上述的一种墙壁面向通信基站的室内电磁辐射预测方法，所述步骤1)中，室外通信基站电磁波传播到建筑物墙壁某点位电场强度的表达式为：

其中，E是建筑物墙外某点位的电场强度，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，R₁是基站发射天线到室外墙壁穿透点的距离，单位为m。

上述的一种墙壁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，E_P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，R₁是基站发射天线到室外墙壁穿透点的距离，单位为m，R₂是基站电磁波穿过墙壁内部的距离，单位为m，R₃是接收点到室内墙壁穿透点的距离，单位为m，T₁和T₂分别表示从自由空间到墙壁和从墙壁到自由空间的传输系数，其具体表达式为：

其中，η_o和η₂表示自由空间和墙壁媒介的波阻抗，单位为Ω，θ_i和θ_t表示基站到墙壁的入射角和折射角。

k₁和k₂分别表示自由空间和墙壁媒介的相位常量，其计算公式为：

其中，ω表示电磁波的角频率，μ₀表示自由空间的磁导率，单位为H/m，ε₀表示自由空间的介电常数，单位为F/m，ε_r表示墙壁媒介的相对介电常数，单位为F/m，δ表示墙壁媒介的损耗角，δ的表达式为σ/ωε₀ε_r。

α₁和α₂分别表示墙壁媒介的衰减和室内环境的衰减，单位为dB/m，其α₁的表达式为：

本发明的有益效果是：

1.不仅考虑到了建筑物墙壁的材质和折射角，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，根据基站与墙壁的位置，建立X-Y-Z三维坐标系，室外基站与坐标原点在X轴向的距离为32米，在Y轴向为30米，在Z轴向为16米，可知基站Q的坐标为(-32,30，16)。空气的相对介电常数ε_r为1F/m，电导率σ为0s/m，墙壁材质是普通的钢筋混凝土，其相对介电常数ε_r为7F/m，电导率σ为0.01s/m，墙壁厚度d＝28cm。室内的衰减系数α₂取0.3dB/m。基站天线的发射功率为20W，增益为16dBi(39.8倍)。测量设备是便携式频谱分析仪(KEYSIGHT N9918A)和接收天线(HyperLOG 60180)。

本发明一种墙壁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、距离等信息，计算出室外基站电磁波传播到建筑物墙外电场强度的表达式；

2)、根据建筑物与基站的位置信息、建筑物的墙壁材质与穿透理论模型相结合，得到室内各个位置的电磁辐射分布情况；

所述步骤1中，通过弗林斯传输公式、基站的发射功率、增益、距离等信息，计算出室外基站电磁波传播到建筑物墙外电场强度的表达式，包括以下内容：

本实施例中，基站天线的发射功率P＝20W，增益G＝16dBi(39.8倍)，计算出基站发射天线到建筑物室外墙壁穿透点距离为R₁处电场场强度为：

所述步骤2中，根据建筑物与基站的位置信息、建筑物的墙壁材质与穿透理论模型相结合，得到室内各个位置的电磁辐射分布情况，包括以下内容：

根据图1的场景示意图，以建筑物靠近基站的角落为坐标原点，建立X-Y-Z三维坐标系，单位为米，室外基站天线的坐标为Q(-32,30,16)，假设室内接收天线的坐标为P(x_r,y_r,z_r)，室外基站发射的电磁波与建筑物交点的坐标为H(x,y,z)，根据它们之间的坐标关系，建立如下方程：

墙壁的Y轴坐标为0，可得：

t＝0-y_r/30-y_r

x＝t(-32-x_r)+x_r

y＝t(30-y_r)+y_r

z＝t(16-z_r)+z_r

基站到建筑物墙壁面上的距离R₁为：

基站天线发射电磁波入射到建筑物的入射角的余弦为：

基站电磁波穿过墙壁内部的距离R₂为：

接收点到室内墙壁穿透点的距离R₃为：

自由空间和墙壁的波阻抗η₀、η₂分别是377欧和154欧，可以计算出自由空间到墙壁和从墙壁到自由空间的传输系数T₁、T₂分别为：

本实施例中分析的是GSM信号，其中心频率为956.6MHz，所以角频率ω＝2πf＝6·10⁹，自由空间的磁导率μ₀、介电常数ε_o表示为：

μ₀＝4π×10^-7H/m

所以自由空间和墙壁媒介的相位常量分别为：

墙壁衰减系数

所以室内P点的电磁辐射强度为：

由上述数学表达式可知，R₁、R₂、R₃都是关于墙壁穿透点坐标的函数，只要知道室内预测点P的具体坐标数值就能得到墙壁穿透点的坐标，就可计算出室内预测点P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(2，2，1.2)，P₂的坐标为(3，3，1.2)，P₃的坐标为(4，4，1.2),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)
			P1	0.96	0.79
P2	0.61	0.45
			P3	0.39	0.28

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 (3)

1.一种墙壁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、距离等信息，计算出室外基站电磁波传播到建筑物墙壁某点位电场强度的表达式；

2)、根据建筑物与基站的位置信息、建筑物的墙壁材质与穿透理论模型相结合，得到室内各个位置的电磁辐射分布情况。

2.如权利要求1所述的一种墙壁面向通信基站的室内电磁辐射预测方法，所述步骤1)中，其特征在于，室外通信基站电磁波传播到建筑物墙壁某点位电场强度的表达式为：

其中，E是建筑物墙外某点位的电场强度，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，R₁是基站发射天线到室外墙壁穿透点的距离，单位为m。

3.如权利要求1所述的一种墙壁面向通信基站的室内电磁辐射预测方法，所述步骤2)中，其特征在于，室内任一位置的电磁辐射强度为：

其中，E_P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，R₁是基站发射天线到室外墙壁穿透点的距离，单位为m，R₂是基站电磁波穿过墙壁内部的距离，单位为m，R₃是接收点到室内墙壁穿透点的距离，单位为m，T₁和T₂分别表示从自由空间到墙壁和从墙壁到自由空间的传输系数，其具体表达式为：

其中，η_o和η₂表示自由空间和墙壁媒介的波阻抗，单位为Ω，θ_i和θ_t表示基站到墙壁的入射角和折射角。

k₁和k₂分别表示自由空间和墙壁媒介的相位常量，其计算公式为：

其中，ω表示电磁波的角频率，μ₀表示自由空间的磁导率，单位为H/m，ε₀表示自由空间的介电常数，单位为F/m，ε_r表示墙壁媒介的相对介电常数，单位为F/m，δ表示墙壁媒介的损耗角，δ的表达式为σ/ωε₀ε_r。

α₁和α₂分别表示墙壁媒介的衰减和室内环境的衰减，单位为dB/m，其α₁的表达式为：

。