1 引言

電磁環(huán)境研究的目標(biāo)是針對(duì)一切電磁輻射項(xiàng)目而言的。本文的研究對(duì)象為美國Cutler甚低頻發(fā)射天線，其利用甚低頻電磁波傳播穩(wěn)定、衰減較小以及對(duì)海水有一定的穿透能力的特點(diǎn)，擔(dān)負(fù)著水下通信指揮的業(yè)務(wù)。

由于美國Cutler對(duì)潛通信發(fā)射天線結(jié)構(gòu)龐大，發(fā)射功率巨大，在天線的近區(qū)能產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁場(chǎng)，因此，研究和分析天線近區(qū)感應(yīng)場(chǎng)的分布，對(duì)電磁環(huán)境研究和評(píng)價(jià)工作具有重要意義。

隨著環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，人們對(duì)暴露在電磁場(chǎng)中可能危及健康狀況的問題極為關(guān)心。國內(nèi)外現(xiàn)行的有關(guān)電磁環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要有以下幾種。中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB8702-1988電磁輻射防護(hù)規(guī)定，規(guī)定了頻率大于100kHz的職業(yè)、公眾照射導(dǎo)出限值，但是缺少對(duì)100kHz以下限值的規(guī)定；IEEE C95.1-2005標(biāo)準(zhǔn)由美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ANSI）和美國電子電氣工程師協(xié)會(huì)（IEEE）共同制定，標(biāo)準(zhǔn)采用了兩套獨(dú)立的限值體系，分別基于電刺激效應(yīng)和熱效應(yīng)，頻率范圍分別為3kHz~5MHz和100kHz~300GHz；ICNIRP-2010導(dǎo)則由國際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)（ICNIRP）制定，頻率范圍覆蓋1Hz~300GHz。本文擬采用的標(biāo)準(zhǔn)為ICNIRP-2010導(dǎo)則，按照ICNIRP2010，職業(yè)、公眾照射導(dǎo)出限值如表1和表2。

表1 職業(yè)照射導(dǎo)出限值

表2 公眾照射導(dǎo)出限值

甚低頻頻段的頻率范圍為(3~30)kHz，因此，電磁環(huán)境評(píng)價(jià)的職業(yè)照射電場(chǎng)和磁場(chǎng)限值分別為170V/m和80A/m，公眾照射電場(chǎng)和磁場(chǎng)限值分別為87V/m和5A/m。

本文以美國Cutler發(fā)射天線為研究對(duì)象，利用CAE電磁仿真軟件——FEKO軟件進(jìn)行天線幕下感應(yīng)場(chǎng)數(shù)值計(jì)算，考察天線感應(yīng)場(chǎng)分布情況，分析天線輻射場(chǎng)對(duì)工作人員以及公眾的影響。

2 仿真模型的建立

美國Cutler天線由2個(gè)分離的天線陣列組成，分別稱作南陣列和北陣列。該天線是頂裝單極天線，每一個(gè)陣列都有自己獨(dú)立的調(diào)諧裝置。發(fā)射可以通過單個(gè)陣列同時(shí)也可通過兩個(gè)陣列共同進(jìn)行。每一個(gè)陣列由6個(gè)鉆石型的極板組成，極板由電纜拉成，并由導(dǎo)線與13個(gè)接地塔相連。運(yùn)用FEKO建模的天線如圖3所示。

圖3 美國Cutler天線建模俯視圖

天線中央塔位于6個(gè)極板的中心，支撐6個(gè)極板，高300m。菱形極板對(duì)角線長(zhǎng)分別為1100m 和648m。每個(gè)極板由8根電纜將天線中心與一根電線相連并穿過極板的中心組成。每一個(gè)極板在接近極板中心頂點(diǎn)的位置，由兩組4根捆繞的饋線下拉而成。

在天線極板對(duì)應(yīng)的地面建有相應(yīng)的地網(wǎng)。在仿真中設(shè)地網(wǎng)面積為2700m×2400m，用導(dǎo)線拉成60m×60m的網(wǎng)格。

3 CAE仿真結(jié)果分析

3.1單個(gè)天線獨(dú)立工作

當(dāng)在19.8kHz的頻率點(diǎn)，激勵(lì)功率為500kW時(shí)，單個(gè)天線獨(dú)立工作時(shí)，距離地面1.5m的平面上天線幕下感應(yīng)場(chǎng)的色度分布如圖4所示。

圖4 單個(gè)天線獨(dú)立工作時(shí)，天線幕下感應(yīng)場(chǎng)的色度分布圖

由圖4可知，當(dāng)單個(gè)天線獨(dú)立工作時(shí)，處于工作狀態(tài)下的天線幕下的感應(yīng)電場(chǎng)很大，而閑置的天線幕下的感應(yīng)電場(chǎng)很小。整個(gè)天線幕下的感應(yīng)磁場(chǎng)都很小，都遠(yuǎn)小于5A/m。因此，只需要考察感應(yīng)電場(chǎng)的影響。

單個(gè)天線獨(dú)立工作時(shí)，距離地面1.5m的平面上天線幕下的感應(yīng)電場(chǎng)等強(qiáng)線分布如圖5所示。

圖5 單個(gè)天線獨(dú)立工作時(shí)，天線幕下感應(yīng)電場(chǎng)的等強(qiáng)線分布圖

3.2兩付天線同時(shí)工作

當(dāng)在19.8kHz的頻率點(diǎn)，激勵(lì)功率都為500kW時(shí)，兩付天線同時(shí)工作時(shí)，距離地面1.5m的平面上天線幕下感應(yīng)場(chǎng)的色度分布如圖6所示。

圖6 兩付天線同時(shí)工作時(shí)，天線幕下感應(yīng)場(chǎng)的色度分布圖

由圖6可知，當(dāng)兩付天線同時(shí)工作時(shí)，兩付天線幕下的感應(yīng)電場(chǎng)都很大，由于天線的不對(duì)稱性導(dǎo)致兩付天線幕下的感應(yīng)場(chǎng)呈現(xiàn)出不對(duì)稱性。整個(gè)天線幕下的感應(yīng)磁場(chǎng)都很小，都遠(yuǎn)小于 5A/m。因此，只需要考察感應(yīng)電場(chǎng)的影響。

兩付天線同時(shí)工作時(shí)，距離地面1.5m的平面上天線幕下的感應(yīng)電場(chǎng)等強(qiáng)線分布如圖7所示。

圖7 兩付天線同時(shí)工作時(shí)，天線幕下感應(yīng)電場(chǎng)的等強(qiáng)線分布圖

3.3輻射場(chǎng)危害區(qū)域分析

表3為單個(gè)天線獨(dú)立工作時(shí)，距離地面1.5m的平面上天線幕下感應(yīng)電場(chǎng)超過限值的面積；表4為兩付天線同時(shí)工作時(shí)，距離地面1.5m的平面上天線幕下感應(yīng)電場(chǎng)超過限值的面積。

表3 單個(gè)天線獨(dú)立工作時(shí)，天線幕下感應(yīng)電場(chǎng)超限值的面積

表4 兩付天線同時(shí)工作時(shí)，天線幕下感應(yīng)電場(chǎng)超限值的面積

1）超過職業(yè)照射導(dǎo)出限值的區(qū)域

當(dāng)單個(gè)天線獨(dú)立工作時(shí)，超過職業(yè)照射導(dǎo)出限值的區(qū)域?yàn)樵谝蕴幱诠ぷ鳡顟B(tài)下的天線中心為原點(diǎn)、半徑為0.81km的圓形區(qū)域內(nèi)，其他區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度均小于該職業(yè)照射導(dǎo)出限值170V/m。

當(dāng)兩付天線同時(shí)工作時(shí)，超過職業(yè)照射導(dǎo)出限值的區(qū)域分別分布在以左側(cè)天線為中心、半徑為0.69km的圓形區(qū)域和以右側(cè)天線為中心、半徑為0.90km的圓形區(qū)域內(nèi)，其他區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度均小于該職業(yè)照射導(dǎo)出限值170V/m。

整個(gè)發(fā)射天線在以上兩種工作狀態(tài)下，天線幕下的感應(yīng)磁場(chǎng)都遠(yuǎn)小于職業(yè)照射導(dǎo)出限值80A/m。

2）超過公眾照射導(dǎo)出限值的區(qū)域

當(dāng)單個(gè)天線獨(dú)立工作時(shí)，超過公眾照射導(dǎo)出限值的區(qū)域?yàn)樵谝蕴幱诠ぷ鳡顟B(tài)下的天線中心為原點(diǎn)、半徑為0.96km的圓形區(qū)域內(nèi)，其他區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度均小于該公眾照射導(dǎo)出限值87V/m。

當(dāng)兩付天線同時(shí)工作時(shí)，超過公眾照射導(dǎo)出限值的區(qū)域分別分布在以左側(cè)天線為中心、半徑為0.90km的圓形區(qū)域和以右側(cè)天線為中心、半徑為1.02km的圓形區(qū)域內(nèi)，其他區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度均小于該公眾照射導(dǎo)出限值87V/m。

整個(gè)發(fā)射天線在以上兩種工作狀態(tài)下，天線幕下的感應(yīng)磁場(chǎng)都遠(yuǎn)小于公眾照射導(dǎo)出限值5A/m。

4 結(jié)論

本文CAE電磁仿真軟件——FEKO，對(duì)美國Cutler發(fā)射天線兩種工作狀態(tài)下的天線幕下感應(yīng)場(chǎng)進(jìn)行了全面的研究。從CAE仿真結(jié)果可以看出，超過職業(yè)和公眾照射限值的區(qū)域均在天線幕下，得出具體結(jié)論如下：

1）當(dāng)單個(gè)天線獨(dú)立工作時(shí)，超過職業(yè)照射導(dǎo)出限值的區(qū)域?yàn)樵谝蕴幱诠ぷ鳡顟B(tài)下的天線中心為原點(diǎn)、半徑為0.81km的圓形區(qū)域內(nèi)，其他區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度均小于該職業(yè)照射導(dǎo)出限值170V/m；超過公眾照射導(dǎo)出限值的區(qū)域?yàn)樵谝蕴幱诠ぷ鳡顟B(tài)下的天線中心為原點(diǎn)、半徑為0.96km的圓形區(qū)域內(nèi)，其他區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度均小于該公眾照射導(dǎo)出限值87V/m。

2）當(dāng)兩付天線同時(shí)工作時(shí)，超過職業(yè)照射導(dǎo)出限值的區(qū)域分別分布在以左側(cè)天線為中心、半徑為0.69km的圓形區(qū)域和以右側(cè)天線為中心、半徑為0.90km的圓形區(qū)域內(nèi)，其他區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度均小于該職業(yè)照射導(dǎo)出限值170V/m；超過公眾照射導(dǎo)出限值的區(qū)域分別分布在以左側(cè)天線為中心、半徑為0.90km的圓形區(qū)域和以右側(cè)天線為中心、半徑為1.02km的圓形區(qū)域內(nèi)，其他區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度均小于該公眾照射導(dǎo)出限值87V/m。

3）整個(gè)發(fā)射天線在以上兩種工作狀態(tài)下，天線幕下的感應(yīng)磁場(chǎng)都遠(yuǎn)小于公眾照射導(dǎo)出限 5A/m。

通過FEKO軟件進(jìn)行建模和計(jì)算，不僅能夠真實(shí)的模擬復(fù)雜的大規(guī)模、高功率設(shè)備的正常工作，而且能夠通過矩量法精確計(jì)算模型的感應(yīng)場(chǎng)、輻射場(chǎng)等所需參數(shù)，對(duì)電磁環(huán)評(píng)工作有重要意義。