石昕阳 王彦碧 黄 波 谢 朦

（武汉船舶通信研究所 武汉 430205）

1 引言

甚低频通信已广泛应用于远距离水下通信、远距离导航、无线心跳频率检测器、地球物理学研究和灾害救援等军民用领域，能够解决远距离和大深度通信难题。大功率天线阵列是甚低频发信系统的主要装备之一，其工作频段为几千赫兹到几十千赫兹，发射功率为几百千瓦到数兆瓦特不等。

欧美等科技强国非常重视甚低频发信天线阵列的研究，目前亚欧美开发实用的甚低频发信天线阵列共有近30套，表1列出了以美国为代表的甚低频通信天线阵列的构型、工作频率和发射功率。

表1 美国甚低频发信天线阵列一览表

卡特勒（Cutler，MA.）甚低频发信系统的天线阵列为两个分隔且完全一样的伞状“北阵列”和“南阵列”组成，每一个阵列由13个金属天线桅杆通过电缆线水平连接到中心天线桅杆组成六角形雪花状。该天线阵列的发射频率为24kHz，输出功率为1.8MW。吉姆溪（Jim Creek，WA.）甚低频发信系统的天线阵列由10个链状电缆线（1719m～2652m不等）和12个61m高的塔架组成，发射频率为24.8kHz，输出功率为 1.2MW.拉莫尔（LaMoure，ND）甚低频长波发信拉索式伞状天线阵列的工作频率为25.2kHz，输出功率为1.6MW。卢阿卢阿莱（Lualualei，HI）甚低频长波发信天线阵列的工作频率为21.4kHz和23.4Hz，输出功率1.7MW。美国海军甚低频电台广播网架设了11个500kW以上的甚低频电台，每个电台的天线阵有7～26个铁塔，塔高最高达383m。美国海军“塔卡木”机载甚低频发信天线采用一长一短的双拖曳天线（7925m/1220m），其最大发射功率为250kW。澳大利亚哈罗德霍特（Harold E.Holt）甚低频长波天线阵列由13个天线塔组成，其工作频率为19.8kHz。波多黎各阿瓜达甚低频发信天线阵列由三个拉索塔架构成，其工作频率为40.75kHz。冰岛凯夫拉维克（Keflavik）甚低频天线阵列工作频率为37.5kHz。意大利锡戈内拉（Sigonella）长波电台天线阵列的工作频率为45.9kHz。俄罗斯海军的甚低频长波天线阵列的工作频率为 11.91kHz、20.2kHz和 21.1kHz、25kHz，其发射功率为450kW。

欧美各国较多关注的是大功率甚低频发信天线的辐射效率和最大发信距离，而对甚低频天线阵列布置在露天区域产生的高强辐射场会对电磁环境会造成的影响则较少研究，这种不利影响会对人员和设备造成严重电磁辐射危害［1～3］。

在电磁辐射危害方面，国际非电离防护委员会标 准 ICNIRP-2010［4］《Guidelines for limiting exposure to time-varying electric and magnetic fields》，详细规定了 1Hz～100kHz和 100kHz～300GHz频段电场和磁场的暴露限值、对人体的直接危害和间接危害效应模型和评价准则以及人体电磁辐射危害防护方法。英联邦标准British standard BS EN62311：2008《Assessment of electronic and electrical equipment related to human exposure restrictions for electromagnetic fields（0Hz～300GHz）》［5］，阐述了 0Hz～300GHz频段磁场、电场和电磁场对电子电气设备和人体的辐射限值和评估流程及方法，并采用“权重电路”模型，利用基于时域有限差分方法（FDTD）的仿真软件EMPIRE，计算了典型结构的感应电流密度和人体的比吸收率。IEEE-Std-C95.1-2005［6］和 IEEE-Std-C95.6-2002［7］IEEE Standard for Safety Levels with Respect to Human Exposure to Radio Frequency Electromagnetic Fields》，主 要 论 述 了0Hz～3kHz和3kHz～300GHz频段内，生物体所能承受的电场、磁场和电磁场辐射安全限值，限值指标主要以内部电场、比吸收率和电流密度为表征参数，该标准要求在3kHz～100kHz甚低频频段范围内的场强值不得高于614V/m（175.76dBuV/m），长时间活动将会对人员脑垂体、心肺、瞳孔等功能产生危害。GJB5313A-2017［8］《电磁辐射暴露限值和测量方法》重点关注的是测试区域的瞬时值和平均场强，在该标准表1“作业区瞬时暴露限值”中指出“3000Hz～100kHz频率范围内，电场强度限值为不超过170V/m”，在表4“生活区瞬时暴露限值”中指出“2.9kHz～57kHz频率范围内，电场强度不超过70V/m”，而GB8702～2014［9］《电磁环境控制限值》主要关注的是电磁辐射危害对人员伤害的积累效应，该标准表1“公共暴露控制限值”中要求“2.9kHz～57kHz频率范围内，电场强度不超过70V/m”，这与GJB5313A-2017 中规定相同。GB6364-2013［10］《航空无线电导航台（站）电磁环境要求》中，给出了工科医设备射频段干扰防护距离。

上述标准中仅给出了作业区和生活区内人员电磁辐射限值、测量方法和定性的防护措施，未定量地给出电磁辐射危害防护距离及其对应的具体防护方法。本文针对某型大功率甚低频天线阵列，仿真计算了天线阵列近场场强，构建了电场辐射危害防护距离模型，开展了辐射防护距离和区域划分试验验证工作。

2 大功率甚低频天线阵列构型

大功率甚低频发射天线阵列一般采用菱形水平天线构型，图1所示为某型天线阵列布局示意图，天线阵列经1＃至18＃塔架架设，塔架由缆绳打桩支撑（图中虚线）。长方形的中轴线为天线主馈线，馈线上馈电点均匀分布，长方形中均匀细线为天线本体。当天线尺寸与天线发射的电磁波长可比拟时，天线辐射效率最高，同时为提升天线辐射效率而设计的地网布局俯视图如图2所示，该地网系统可等效为完全纯导体，作为发射天线的镜像反射面。地网系统的金属面积与菱形发射天线的水平面积相当。

图1 大功率发射天线阵列构型示意图

图2 天线阵列地网俯视图

3 甚低频发射天线近场辐射仿真分析

甚低频发信天线可近似等效为由单极子天线组成的天线阵列，其电磁模型如图3所示，设天线长度为h，以原点为馈点，以垂直方向为z轴，x轴为地网，建立直角坐标系。

图3 甚低频发射天线简化模型示意图

根据天线和电磁场理论［11～12］，电场和磁场可由磁矢位表示为

磁矢位A可通过对天线电流进行积分计算得到，对单极线天线而言，磁矢位A只有z分量，即

式中：ρ为观察点到天线的水平距离；z为观察点的高度；I0为天线根部馈电电流。

图4 大功率甚低频发射天线阵列近区电场强度E随距离变化曲线（f=10kHz，r=0～100m～5000m，V/m）

利用电磁仿真软件CST2015对大功率发射天线的近区电场和磁场进行仿真计算，天线工作频率为10kHz，近区电场和磁场随距离变化归一化曲线如图4和图5所示。由图可见，大功率发射天线在工作频率为10kHz，发射功率为150kW时，近场电场场强值随着距离的增加而急剧衰减，距天线相位中心10m以内的场强值高达500V/m～2000V/m；距天线相位中心10m～40m范围内，电场值急剧下降并保持在200V/m～500V/m；距天线相位中心40m～100m范围内，电场值下降到60V/m至100V/m之间；距天线相位中心100m外，电场值将急剧衰减到20V/m以下。甚低频发射天线在工作频率为10kHz时，近场磁场值随着距离的增加而急剧衰减；距天线相位中心70m以内的磁场值可达110dBuA/m～150dBuA/m；距天线相位中心70m～500m范围内，磁场值保持在90dBuA/m至110dBuA/m；距天线相位中心500m外，磁场值将急剧衰减到60dBuA/m左右。

图5 大功率甚低频发射天线阵列线近区磁场强度H随距离变化曲线（f=10kHz，r=0～100m～5000m，dBuA/m）

4 电磁辐射危害最小防护距离模型

ICNIP-2010、BS EN62311-2008、IEEEC95.6-2002、GJB5313A-2017和 GB8702-2014中仅论述了甚低频频段内的辐射暴露限值，本文提出并构建了一种甚低频频段内的电磁辐射最小防护距离模型，如式（7）～（9）所示。

式中，D为电磁辐射防护距离，单位为m；Ed为接收点处实际测量场强，单位为dBuV/m；Es0为相关标准中规定的干扰场强限值，单位为dBuV/m，例如GB8702-2014中规定2.9kHz～57kHz频率范围内生活区内的限值为70V/m即157dBuV/m；R为防护率，单位为dB，R表征接收设备正常工作的接收点处信号场强与同频道干扰场强的最小比值；Es为同频道干扰场强的峰值，单位为dBuV/m；A为干扰衰减率中的衰减指数。在甚低频段全向电磁辐射条件下，防护率R不小于9dB，衰减指数A值为3.0。以GJB5313A-2017甚低频内作业区瞬时暴露限值170V/m为例，即Es0等于165dBuV/m，当实际测试场强为400V/m，即172dBuV/m时，计算可得最小防护距离为55.48m。

5 试验验证

本项目采用粗测和细测相结合的方式，进行电磁辐射最小防护距离和区域划分验证试验。首先利用意大利Nadar公司NBM-550型场强测试系统（EHP-50D，5Hz-100kHz，编号E-0752）粗测，确定辐射量级后，再利用Agilent E4440A型频谱分析仪（9kHz～26.5GHz）加上 R&S HFHZ-Z2.335.4711.52型环天线（9kHz～30MHz）测试系统完成细测。具体的方法为：以大功率甚低频菱形水平天线阵列的地面投影中心点为中心，在2500m2矩形范围内，沿对角线方向，每间隔5m选取一个测试点，共计30个测试点，从 10kHz～30kHz频段内，每间隔 2kHz，测试不同发射功率条件下的电磁辐射综合场。图6为大功率甚低频天线阵列以单频点连续波方式，在发射频率为10kHz～18kHz之间、天线增益为2时，发射功率为100kW～140kW的近区辐射综合场随距离变化曲线。

图6 甚低频发射天线阵列电磁辐射综合场随距离变化曲线

由图6可见，甚低频天线阵列电磁辐射近场随距离的增加而急剧衰减，场强值从475V/m下降到75V/m；由前两个工况曲线对比可知，当发射功率不变时，甚低频阵列天线电磁辐射近场与频率依存性不高；由第2和第3工况曲线对比可知，发射频率不变时，甚低频阵列天线电磁辐射近场发射功率的增大而增大。

依据GJB5313A-2017作业区瞬时暴露限值不超过170V/m的要求，由图6可见，甚低频天线阵列在100kW～150kW发射时，其作业区内的最小防护距离约为38.7m，而由式（7）～（9）计算的最小防护距离为42.4m，两者误差为3.7m。综合公式计算和试验数据，可将42m作为甚低频天线阵列100kW～150kW大功率发射的安全作业区和危险区的临界距离。

6 结语

本文以某型甚低频天线阵列为研究对象，提出电磁辐射危害最小防护距离模型，通过电磁仿真分析和理论计算以及试验验证获知，大功率甚低频天线阵列近区综合场强值随着发射功率的增大而显著增大；其防护距离也随着发射功率和工作频率的不同而略有不同；100kW～150kW大功率甚低频天线阵列在GJB5313A-2017标准规定的作业区内的最小防护距离约为40m，40m半径范围内为作业危险区，其瞬时峰值场强远超过170V/m安全限值，人员长时活动将会对脑垂体、心肺、瞳孔等功能产生严重危害。