金属振子结构在矿井5G辐射场中的安全功率分析

煤矿井下存在瓦斯等易燃易爆气体,5G无线通信系统基站天线辐射出的电磁波被井下金属结构吸收,在金属结构断点处产生放电火花,当电火花能量达到瓦斯气体的最小点火能时可能发生爆炸,限制了5G技术在煤矿井下的应用。为了评估5G无线通信基站射频功率的安全性,通过分析金属结构耦合电磁波的方式,得到射频功率、最大辐射场强与距离的关系;以最小点火能为安全判定标准,得出天线负载的接收功率小于2.625 W时,可确保不会引起瓦斯爆炸;分析得出煤矿井下应优先选择700 MHz作为5G工作频段;通过分析方向性系数,得出应选择臂长与波长比为0.65的对称振子天线金属结构进行研究,对称振子天线金属结构安全电场强度为202.9 V/m,最小安全距离为0.2 m。仿真结果表明:在距离发射天线小于0.2 m的区域电场分布极不均匀,在距离发射天线大于0.2 m的区域电场分布较均匀;在距离发射天线大于0.2 m的区域导致瓦斯爆炸的最小射频功率为27.45 W。

矿井5G电磁波辐射能量安全性研究

煤矿井下无线射频设备发出的电磁波能量耦合到金属结构上的储能元件中,一旦金属结构存在断点并发生通断接触,积聚的电磁波能量产生的放电火花就可能引起瓦斯爆炸,5G采用大规模多输入多输出(MIMO)技术,存在多个发射天线之间的功率叠加问题,增大了点燃瓦斯气体的可能性。针对该问题,分析了电磁波辐射能量与金属结构的耦合过程,得出了金属负载谐振时放电火花点燃瓦斯气体的条件:如果放电火花在100μs内释放的能量超过0.28 mJ,则能够点燃瓦斯气体。利用射线追踪法建立了巷道电磁波能量传播模型,通过电磁仿真软件Wireless insite在5G频段下对单天线和多天线射频设备进行仿真,结果表明:电磁波能量以辐射形式传播,工作频率在700 MHz以上的单天线射频设备发出的电磁波能量是本质安全的,而4T4R(4发4收)多天线射频设备与金属结构之间的最小安全距离为0.25 m。