地鐵站臺民用通信系統電磁環境安全評估

李 瑾

(蘭州交通大學 光電技術與智能控制教育部重點實驗室，蘭州 730070)

近年來，地鐵乘客的語音通信需求迅速增長，地鐵民用通信系統采用天線實施無線信號覆蓋，確保滿足乘客的通信需求，在地鐵站臺形成了復雜的射頻電磁環境[1].地鐵站臺電磁環境是否對人體有健康影響，這一問題成為大眾關注的焦點.

目前，科研工作者對軌道交通系統電磁現象開展了大量研究，主要集中在列車供電系統、無線信號覆蓋、系統抗電磁干擾等方面.文獻[2]提出一種非對稱方式的高鐵列車無線電能傳輸系統，通過仿真分析及實驗平臺驗證了可行性.文獻[3]通過測量研究了地鐵環境下無線信號覆蓋性能.文獻[4]結合實例研究了信號系統電磁干擾與抗電磁干擾故障處理問題.文獻[5]通過軌道交通站內電磁輻射分布的仿真計算與測量，對地鐵站內強、弱電設備電磁環境中電氣設備的合理布局提出建議.

人體暴露于射頻電磁場可能引發大腦、心血管系統、神經系統等損害[6-7]，環境射頻電磁場作為一種潛在危險因素，對生物體健康存在風險[8].國際癌癥研究機構將射頻電磁輻射列為2B類致癌物[9].國際非電離輻射防護委員會(international commission on non-ionizing radiation protection,ICNIRP)制定了電磁輻射限值的導則[10].針對交通工具電磁環境的健康影響問題，學者們開展了電動汽車無線充電環境的安全性研究[11-12]、高鐵車廂、地鐵司機室電磁暴露研究[13-14].乘客暴露于地鐵站臺高頻電磁環境中是否存在健康風險，這一研究課題具有重要的現實意義.

城市公共區域的環境電磁暴露中900 MHz頻段輻射源暴露占比最高[15].本文選取地鐵站臺民用通信系統900 MHz工作頻段，采用有限元電磁仿真軟件HFSS設計天線，建立站臺模型，結合實地測量，得到了站臺候車區域不同位置的電場強度分布，并對站臺電場強度的仿真與實測進行對比.對比結果表明，測量值均低于ICNIRP導則公眾電磁暴露電場強度限值.

1 基于電磁仿真軟件HFSS的電磁場強度模擬方法

1.1 HFSS功能簡介

HFSS是Ansys公司的全波三維電磁仿真軟件，該軟件采用有限元法進行數值計算，功能強大，界面友好.地鐵站臺民用通信系統電磁環境的研究實質上是天線產生的時變電磁場分布問題，即求解麥克

韋方程組的問題，方程組的微分形式如式(1)～(4)所示.

(1)

(2)

·B=0,

(3)

·D=ρ.

(4)

式中：H為磁場密度，單位A/m；E為電場強度，單位V/m；B為磁通量密度，單位Wb/m2；D為電位移，單位C/m2；J為電流密度，單位A/m2；ρ為電荷密度，單位C/m3.

有限元法先將求解區域離散，對每個離散單元建立微分方程并線性化，再聯立整體的線性方程組，最后求解邊值問題，得到地鐵站臺空間電場強度分布.HFSS軟件采用自適應網格剖分，自動剖分精確有效的網格，生成離散化模型，憑借其計算可靠、準確的優勢，HFSS在天線設計、無線通信的仿真計算方面有廣泛應用[16].

1.2 模擬過程

地鐵站臺民用通信系統吸頂天線安裝在站臺上方天花板處，如圖1所示.天線工作在806～960 MHz、1 710～2 700 MHz 2個頻段，性能參數見表1.吸頂天線結構為雙錐天線的變形結構[17]，具有小型化、易于安裝等優點，多用于室內信號覆蓋.

圖1 地鐵站臺天線Fig.1 Antenna of subway platform

表1 地鐵站臺民用通信系統天線性能參數

在HFSS軟件中建立民用通信系統天線的等效輻射源，天線結構如圖2所示，采用50 Ω同軸線饋電方式，設計指標滿足地鐵站臺的通信需求.

圖2 民用通信系統天線模型(單位：mm)Fig.2 Antenna model for civil communication system (units:mm)

圖3是地鐵站臺民用通信系統電磁環境的仿真模型.設置天花板為PVC材質，地面為混凝土，厚度分別是20 mm、10 mm.天線距離地面4 m，站臺寬度6 m，考慮到數值計算過程中模型尺寸對計算機硬件需求的影響，簡化仿真模型，站臺長度選取7 m.乘客候車區域在站臺高度2 m范圍內，在垂直地面的yz平面內設置4條仿真線，依次標記為a、b、c、d，高度間距0.5 m.在平行地面的xy平面內設置6條仿真線，水平間距1 m，沿y軸依次標記為e、f、g、h、i、j.計算仿真線上電場強度，以確定站臺乘客候車區域的電場強度分布.

圖3 地鐵站臺電磁環境仿真模型(單位：m)Fig.3 Electromagnetic environment simulation model of subway platform (units:m)

為了模擬開放的自由空間，在HFSS中建立尺寸為6.4 m×7.4 m×4.5 m的長方體模型，設置為空氣盒子，其邊界條件為輻射邊界，用以代替無限大空間.設置吸頂天線表面為理想電導體邊界條件.設置求解頻率為900 MHz，求解迭代精度為0.02，為了滿足求解效率與精度，選取二階基函數計算.

在HFSS軟件中剖分網格，得到地鐵站臺離散化模型如圖4所示，共剖分網格255 981個，其中站臺模型外的空氣盒子剖分網格223 337個，天花板剖分網格12 343個，地面剖分網格19 931個，天線剖分網格370個.

圖4 地鐵站臺離散化模型Fig.4 Discretization models of subway platform

2 電磁場強度實測

2.1 測試儀器

根據地鐵電磁環境電磁場強度測量原理，采用頻段可選的天線與頻譜分析儀、電磁場強度分析儀組合的方法[18]進行測量.在地鐵站臺乘客候車區域測量點的3個正交方向依次旋轉天線，選取電場強度最大值為測量值.測試設備性能參數見表2，德國E73電磁場強度分析儀與RIGOL DSA832E頻譜分析儀相互獨立.電磁場強度分析儀采用均值檢波，頻譜分析儀采用峰值檢波測量.

2.2 測點布置

選取運營中的國內某地鐵地下站臺為測量地點，測量頻段為地鐵站臺民用通信系統806～960 MHz，在候車區域選取2個測量點實施測量，確定空間的電場強度，以評估乘客的健康風險.地鐵站臺無線信號覆蓋采用吸頂天線，最小覆蓋半徑為7 m，示意圖如圖5所示.

表2 測試設備性能參數

圖5 地鐵站臺吸頂天線覆蓋示意圖(單位：m)Fig.5 Subway platform covered by ceiling antennas (units:m)

2.3 測試實現

現場測試設備如圖6所示.測量系統的輸入阻抗為50 Ω，忽略接收天線與場強儀之間的電纜損耗，空間電場強度值的計算公式為

E=K+A+107,

(5)

式中：A為頻譜分析儀或場強儀的信號強度讀數，單位為dBm；K是天線系數，單位為dB，隨頻率變化，由天線設備商提供；50 Ω測量系統的測量電壓與系統讀數的差值為107.測量前實施設備校準.

3 結果對比

民用通信系統天線工作在900 MHz頻段時，具體分析仿真線上的電場強度如圖7所示.由圖7(a)可知，垂直面電場強度范圍為0.002～0.077 V/m，

最大值分布在仿真線d上，最小值分布在仿真線a上，隨著仿真線高度降低，電場強度衰減.圖7(a)水平距離為3.5 m的中心點位于天線正下方，4條仿真線的電場強度在此點都出現較小值，這是因為在天線正下方只有反射波或繞射波形式的電磁輻射存在，4條仿真線由橫軸3.5 m中心點向左右兩側方向延伸時，電場強度先增大，再出現減小趨勢.由圖7(b)可知，水平面電場強度在6條仿真線上的分布基本一致，范圍在0.003～0.072 V/m，說明在站臺內同一高度的平面上電場強度變化較小.

圖6 現場測試設備Fig.6 Measurement equipment

圖7 地鐵站臺仿真線電場強度分布Fig.7 Electric field intensity distribution on simulation lines on subway platform

地鐵站臺候車區域電場強度如圖8所示，電場強度最大值為0.082 V/m，電場強度主要分布在0.017～0.076 V/m.

圖8 地鐵站臺電場強度分布Fig.8 Electric field intensity distribution on subway platform

為了分析距離天線更遠的計算場域，將圖3中吸頂天線沿著y軸負方向移動至(0,-3.5,4)，仿真分析站臺空間的電場強度分布變化.仿真可知，電場強度大小主要分布在0.003～0.064 V/m范圍內，電場強度沿著遠離天線的方向衰減.

RIGOL DSA832E頻譜分析儀測量數據截屏如圖9所示.E73電磁場強度分析儀與頻譜分析儀的測量結果見表3，民用通信系統天線信號強度范圍為-59～-30 dBm，最大值與最小值相差倍數為1.97倍，電場強度為0.003～0.090 V/m，最大值與最小值相差倍數為30倍.

文獻[15]測量得到900 MHz的電場強度值為0.080 V/m，本文對應頻率的測量值為0.023 V/m，在同一數量級，驗證了測量的可靠性.電場強度實測結果0.003～0.090 V/m與仿真結果0.017～0.076 V/m分布基本一致.

圖9 頻譜分析儀測量數據Fig.9 Measurement data of spectrum analyzer

4 結果評價

與地鐵職業工作人員不同，普通人群在地鐵系統電磁環境的暴露下，對相關風險并未采取預防措施，乘客包括所有年齡段和不同健康情況的個體.針對公眾群體，ICNIRP導則制定了電磁環境中公眾電磁暴露限值，公眾暴露限值比職業暴露更加嚴格.ICNIRP導則規定當頻率f為400～2 000 MHz時，公眾電磁暴露電場強度限值計算式為1.375f1/2.將測量結果與ICNIRP限值作比較，見表4.由表4可知，民用通信系統900 MHz頻段內的電場強度均低于ICNIRP公眾電磁暴露限值，測量值與限值的比值在7.42e-05～2.22e-03倍之間，在此環境下，乘客在地鐵站臺候車不會遭受電磁暴露風險.

對地鐵站臺民用通信系統天線900 MHz頻段輻射下的地鐵站臺電磁環境進行測量和仿真計算，得到乘客候車區域電場強度分布，結果表明：

表3 地鐵站臺民用通信系統天線測量值

表4 地鐵站臺民用通信系統天線測量值與ICNIRP限值對比

1) 在地鐵站臺乘客候車區域測量得到信號電平范圍為-59～-30 dBm，轉換為電場強度為0.003～0.090 V/m.HFSS軟件仿真得到站臺候車區域電場強度分布在0.017～0.082 V/m，測量與仿真結果基本一致.驗證了測量方法與HFSS數值計算的一致性和可靠性.

2) 測量所得地鐵站臺候車區域電場強度為0.003～0.090 V/m，低于ICNIRP導則制定的公眾電磁暴露限值，測量值所在頻段對應的限值為40.440～42.358 V/m，測量值與限值的比值低于2.22e-03倍.

3) 地鐵站臺除了民用通信系統900 MHz頻段的電磁輻射源，還有其他頻段射頻電磁輻射源，有待進一步完善測量與模擬數據，這是下一步地鐵站臺電磁環境安全性評估的工作方向.