0.   引言

5G大规模使用多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技术，在速率、容量、时延和可靠性方面相较于2G、3G、4G等有巨大提高，极大地促进了矿井云计算、大数据和人工智能等技术的发展^[1-2]。5G技术为煤矿智能化建设提供了重要的技术支撑^[3-6]，但其采用的频段较高，而高频电磁波在煤矿井下衰减大，导致信号覆盖距离短。为了实现煤矿井下5G信号覆盖，有2种方法：① 增大5G通信基站的布置密度，但同时也增加了矿用5G通信系统的复杂度和维护量，使系统抗故障能力降低。② 增大基站天线的发射功率，但目前国标对射频设备的射频功率有严格规定，使得5G通信设备难以在煤矿井下推广。

5G通信设备辐射的电磁波经金属结构耦合后导致放电，在最恶劣条件下可能引起瓦斯等爆炸性气体发生爆炸。2002年英国制定了用于评价射频辐射与易燃气体安全性的指南：BS 6656:2002《Assessment of inadvertent ignition of flammable atmospheres by radio-frequency radiation-Guide》^[7]。我国也制定了相关标准：GB 3836.1−2021《爆炸性环境 第1部分 设备 通用要求》^[8]规定，煤矿井下爆炸性环境中使用的无线发射设备的射频阈功率（发射器的有效输出功率与天线增益的乘积）不得大于6 W；《中华人民共和国安全生产法》和《煤矿安全生产规程》^[9]等规定，纳入安全标志管理、未取得煤矿矿用产品安全标志的产品不得使用。

国内关于射频电磁波安全性的研究尚处于起步阶段。李静^[10]研究了电磁场对瓦斯燃烧的影响，得出电磁场对瓦斯有助燃作用。彭霞^[11]研究得出射频辐射场中刮擦射频放电火花点燃瓦斯气体的门限功率为0.168 W。孙继平等^[12]提出了近场磁耦合共振和远场电磁波辐射谐振能量耦合2种电磁波能量耦合方式，并通过计算得出了安全距离。刘晓阳等^[13]针对环形的金属结构，结合矿井射频设备辐射功率阈值规定，证明了工作频率超过890 MHz的射频设备是安全的。范思涵等^[14]通过建立近场能量耦合等效电路，推导出近场耦合危险系数表达式。梁伟峰等^[15]研究认为文献[8]中对射频设备辐射功率的规定引自国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）发布的IEC 60079-0:2017《Explosive atmospheres-Part 0: Equipment-General requirements》，缺乏试验验证，有必要进行相关研究，提出更合理的煤矿井下连续无线电波防爆安全功率阈值。孙继平等^[16]进一步指出， IEC在参考欧盟标准时错误地将无线电磁波安全防爆点火功率阈值直接修改为射频设备的辐射功率。张勇^[17]针对电磁波辐射近场区的放电情况进行仿真分析，得出在近场区域金属结构的断点处可以感应到较大电势差，但不会发生击穿空气的放电情况。

目前判断点燃瓦斯的最低点火能采用的标准是GB 3836.27−2021《爆炸性环境 第27部分 静电危害 试验》。该标准规定：甲烷−空气最易引燃体积比为8.0%～8.6%，最小点燃能量为0.28 mJ。但电磁环境和静电环境中的引燃情况不一样，静电环境中发生电火花需要尖端电压达到上万伏，而井下射频设备射频功率较小，所产生的电磁环境中金属结构无法感应到上万伏电压，2种环境的放电条件有很大差别，因此不应选择最小点燃能量为0.28 mJ作为判断标准。而本安电路中放电电路的电火花是在低电压下产生，与电磁环境中金属结构放电相似，因此应选择本安电路中判断引燃甲烷混合气体的功率和能量标准。由于半波振子为最易耦合电磁波能量的天线结构，选择半波振子结构的金属导体作为研究对象，研究等效半波振子的金属结构吸收电磁波产生的放电能量是否会点燃瓦斯等爆炸性气体，为评价5G通信系统射频天线辐射出的电磁波能量在爆炸性气体环境中是否会导致安全隐患提供依据。

1.   金属结构耦合电磁波条件与方式

煤矿井下巷道狭小，电气设备密集，存在易耦合电磁波的金属结构。在电磁波辐射过程中，辐射场中的金属导体接收并积累电磁波能量，在终端或不连续断点处感应出电压，射频辐射功率越大或离发射机越近，金属结构感应出的电压越高，耦合的能量越大。若金属结构中存在断裂点，由于其接触面积极小，能量相对集中，在短时间内可以释放大量能量，就有可能引爆周围瓦斯等爆炸性气体。因此，发生瓦斯爆炸必须满足4个条件：① 足够强的电磁辐射，取决于射频设备的辐射功率及射频源距离。② 易接收电磁波的金属结构，如井下设备上的金属环、金属杆。③ 适当的瓦斯浓度，甲烷−空气混合气体最易引燃体积比为8.0%～8.6%。④ 有效放电时间内的放电能量达到瓦斯气体的最低点火能，放电能量与放电功率缺一不可。

为研究5G通信系统射频基站与金属结构耦合能量的关系，将射频基站和等效半波振子天线的金属结构类比于发射天线和接收天线的关系，将放电结构类比为负载，耦合电磁波的能量使用天线相关的理论^[18-19]进行分析，如图1所示。

图  1  金属结构耦合电磁波

Figure  1.  Metal structure coupled electromagnetic wave

下载: 全尺寸图片 幻灯片

等效半波振子天线的金属结构在断点处发生放电时的等效电路如图2所示。${U_0}$为等效半波振子天线的金属结构感应电动势，$ {U}_{0}=E{h}_{{\rm{e}}}F $，E为接收天线处电场强度，${h_{\rm{e}}}$为半波振子的有效长度，F为归一化方向函数；Z为等效半波振子天线金属结构接收回路的输入阻抗；${{\rm{Z}}_{\rm{g}}}$为放电结构的等效阻抗。

图  2  金属结构放电等效电路

Figure  2.  Discharge equivalent circuit of metal structure

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.   放电形式分析

金属结构耦合电磁波能量并在断裂点处发生放电，由于外界条件不同，放电形式也有所不同。正常状态下，空气具有良好的电气绝缘特性，当外界条件改变（通过加压、加热等方式）时，空气变为导体，导致间隙内有电流流过，即出现放电现象^[20]。气体放电按放电阶段可分为非自持放电和自持放电：非自持放电是气体放电的初始阶段，放电能量小，不足以成为引燃源；自持放电是气体放电的维持阶段，放电形式包括汤逊放电、电晕放电、辉光放电、火花放电和电弧放电等，其中火花放电和电弧放电是引燃爆炸性气体混合物的主要放电形式^[21]。

2.1   高压击穿空气火花放电

高压击穿空气火花放电：一般是在气体间隙两端加上足够大的电压，在间隙内形成强大电场，导致间隙内的带电粒子迅速定向移动，在移动过程中与不带电粒子发生碰撞，形成多次电子崩，之后形成导通带，大量带电粒子沿着导通带继续移动，形成电流，即发生了空气放电。发生放电的最小电压称为击穿电压。

火花放电释放的能量主要分为2个部分：放电电子束散失的能量和电极表面传导的能量^[21]。放电电子束散失的能量是点燃可燃性气体的主要能量来源，电极间隙越小，放电电子束散失的能量占比越小，放电火花越难点燃可燃性气体。气体间隙为微纳米量级时点燃甲烷−空气混合气体需要的能量更多，因此，这种情况下的高压击穿放电不在讨论范围内。

气体间隙为毫米量级时，均匀电场中的击穿电压可通过经验公式计算：

式中：${U_{\rm{k}}}$为击穿电压，kV；$\delta $为空气相对密度；l为气体间隙长度，cm； P为气体压强，kPa；$ {T_0} $为标准热力学温度，293 K；$ {P_0} $为1个标准大气压， 101.325 kPa；T为气体热力学温度，K。

将式（2）代入式（1），得

根据式（3），当放电条件为标准大气压、标准热力学温度时，气体间隙为毫米量级时击穿电压为几千伏乃至上万伏。

文献[7]指出金属结构吸收空间中电磁波感应到的电压较小，且GB 3836.1−2021《爆炸性环境 第1部分：设备 通用要求》规定井下射频设备的射频阈值是6 W，因此，金属结构吸收电磁波后感应到的电压远小于气体间隙为毫米量级时的击穿电压，可以认为在井下低功率射频设备产生的电磁波环境中金属结构不会发生高压击穿空气的放电火花。

2.2   低压分断电路电弧放电

低压分断电路电弧放电：电路发生断裂时，断裂处金属的接触面积急剧变小，电流密度迅速增大，导致接触点处的温度迅速上升，当温度达到金属的熔点时，便在接触点形成液态金属，炽热的金属表面加剧了电子的热发射，促使间隙内发生电子崩；同时，间隙距离很小，接触点间的电场强度很高，达到了场致电子发射条件，也促使间隙内发生电子崩。2种电子发射方式加强了间隙内的电子崩，促使金属结构发生电弧放电。

金属能否发生电弧放电与建弧电压的大小密切相关，金属的建弧电压随着熔点增大而增大^[22]，如镉的熔点比较低，建弧电压为11 V，钨的熔点比较高，建弧电压为15 V。一般金属（如铜、铁、铝）的建弧电压为11~15 V，文献[23]基于IEC标准的火花试验装置测得的建弧电压约为10 V。

尽管金属结构耦合空间中的电磁波感应到的电压比较小，但是感应到10 V左右电压并发生放电现象是非常有可能的。因此，金属结构耦合电磁波从而产生放电的形式应为低压分断电路电弧放电，文献[7]中也验证了这一点。

3.   放电能量分析

根据3GPP TS 38.104 V16.0.0《Base Station (BS) radio transmission and reception》，5G通信系统射频基站发射的电磁波频率为450~6 000 MHz，因此，金属结构耦合空间中的电磁波感应到的电压、电流都是高频，并有可能在金属结构终端或不连续断点处发生高频交流放电。高频交流放电等效电路如图3所示，$U_{\rm{g}} $为放电间隙两端的电压，${{\rm{R}}_{\rm{g}}}$为放电电阻，C为放电间隙之间的等效电容。

图  3  高频交流放电等效电路

Figure  3.  High-frequency AC discharge equivalent circuit

下载: 全尺寸图片 幻灯片

高频放电在放电间隙内存在2种电流：传导电流和位移电流，分别与等效电路中流过放电电阻${{\rm{R}}_{\rm{g}}}$的电流${i_{\rm{g}}}$和流过等效电容C的电流${i_2}$相对应^[20]。传导电流${i_{\rm{g}}}$为电弧电流，是放电能量的来源。位移电流${i_2}$为电极分离时所形成的电容间传递电场能量的等效电流，没有能量损耗。

金属结构耦合电磁波感应到的电压$ {U}_{0}= E{h}_{{\rm{e}}}F $。金属结构与射频源的距离不变，则金属结构处的电场强度E不变；金属结构的长度不变，则有效长度${h_{\rm{e}}}$不变；金属结构的位置不变，则归一化方向函数F不变。因此，金属结构的感应电压在放电过程中不会发生变化。

半波振子结构为谐振结构，该结构的输入阻抗为纯电阻，反射系数$\varGamma = 0$，此时耦合电磁波的能量最大，感应到的电流最大，是最有可能发生且放电能量最大的结构，因此本文选择长度为等效半波振子的金属结构进行分析。

等效半波振子天线的金属结构耦合电磁波导致放电的过程：半波长的金属结构耦合5G通信系统射频基站辐射的电磁波，在金属内部感应到高频电压和电流。在偶然情况下金属结构发生断裂，形成半波对称振子结构，在金属结构断裂间隙处形成放电阻抗${{\rm{Z}}_{\rm{g}}}$（由放电电阻${{\rm{R}}_{\rm{g}}}$和等效电容C组成）。阻抗${{\rm{Z}}_{\rm{g}}}$随着间隙的分离而逐渐增大，间隙两端的电压${U_{\rm{g}}}$也逐渐增大，当${U_{\rm{g}}}$增大到建弧电压时，间隙开始发生电弧放电，产生电弧电流${i_{\rm{g}}}$， ${i_{\rm{g}}} = \dfrac{{{U_{\rm{g}}}}}{{{R_{\rm{g}}}}}$。随着间隙继续分离，由于耦合到的能量不能维持电弧放电，电弧电流${i_{\rm{g}}}$逐渐减小，直至电弧消失，此时放电结束，电弧电流${i_{\rm{g}}} = 0$。整个放电过程中电弧放电的能量为

式中：${t'} $为总放电时间；t为时间。

将等效半波振子天线的等价高频电路与等价直流电路电弧放电情况进行比较，设高频电路电压的有效值等于直流电压，内阻相同，直流放电等效电路如图4所示，$U_{\rm{i}} $为电源电压，R为内阻。高频电路放电间隙存在放电电阻${{\rm{R}}_{\rm{g}}}$和等效电容C，而直流电路只存在放电电阻${{\rm{R}}_{\rm{g}}}$，因此，高频电路放电阻抗小于直流电路放电电阻。高频电路与直流电路的电源电压和内阻相等，根据分压公式，高频电路的放电电压小于直流电路的放电电压。根据式（4）可知，在电源电压和内阻相同的条件下，等效半波振子天线的等价直流电路电弧放电的能量大于其等价高频电路。

图  4  直流放电等效电路

Figure  4.  DC discharge equivalent circuit

下载: 全尺寸图片 幻灯片

4.   仿真分析

利用COMSOL多物理场仿真软件对半波振子金属结构放电过程的间隙电压进行仿真。建立长23.75 mm、半径为1 mm的圆柱体和底半径为1 mm、高1 mm的圆锥体，圆柱体和圆锥体组合作为金属结构其中一臂，另一臂与之对应。2个圆锥体等效成放电结构，其两端点的电压为间隙电压。金属结构外部建立一个长100 mm、宽100 mm、高200 mm的空间。金属结构放电仿真模型如图5所示。

图  5  金属结构放电仿真模型

Figure  5.  Simulation model of metal structure discharge

下载: 全尺寸图片 幻灯片

4.1   高频放电间隙电压

选择金属铁作为研究对象，将金属结构放置在电场强度为1 000π V/m、频率为3 GHz的均匀电磁波空间中，金属结构的上臂按照0.01 mm/ms速度向上运动，模拟金属结构分离情况，如图6所示。通过测量两臂之间的电位差分析间隙电压的变化。

图  6  金属振子随时间变化

Figure  6.  Metal oscillator changes over time

下载: 全尺寸图片 幻灯片

根据COMSOL软件仿真结果，使用Origin软件进行数据处理，高频放电的间隙电压随时间变化曲线如图7所示。在金属结构分离的过程中，放电结构之间的接触面积逐渐减小，放电电阻${R_{\rm{g}}}$逐渐增大，间隙电压${U_{\rm{g}}}$随之增大，尤其在2个圆锥体的顶点分离时，金属结构之间的接触面积急剧减小，放电电阻${R_{\rm{g}}}$迅速增大，间隙电压${U_{\rm{g}}}$随之迅速增大，整个结构的大部分能量集中在圆锥体的顶点处，若能量达到放电限值，便会发生放电现象。

图  7  高频放电的间隙电压

Figure  7.  Gap voltage of high-frequency discharge

下载: 全尺寸图片 幻灯片

4.2   直流放电和高频放电间隙电压差值

同样选择金属铁作为研究对象，在金属结构上端加一个高电位，电位等于电磁波环境中金属结构两端感应到的电压有效值，根据${U_0} = E{h_{\rm{e}}}F$，电磁场环境中电场强度E=1 000π V/m，半波振子的有效长度${h_{\rm{e}}} = \dfrac{\lambda }{{\text{π}}}$，$\lambda $为电磁波波长，归一化方向函数$F=1$，因此高电位为100 V，下端接地电位为0。半波振子的输入阻抗${R_{\rm{a}}} = 73\;\Omega $，而直流电路中不存在类似电阻，因此在直流放电中金属结构需要串联73 Ω的电阻，以便与高频放电保持一致。金属结构的上臂按照0.01 mm/ms速度向上运动，模拟金属结构分离情况，通过测量两臂之间的电位差分析间隙电压的变化，并与高频放电间隙电压进行比较，得到直流与高频放电间隙电压差值随时间变化曲线，如图8所示。

图  8  直流与高频放电间隙电压差值

Figure  8.  Gap voltage difference between DC and high-frequency discharge

下载: 全尺寸图片 幻灯片

由图8可知：金属结构刚分离时，尽管接触面积在逐渐减小，但形成的电阻很小，放电结构两端的电压几乎不变，直流放电间隙电压与高频放电间隙电压的差值几乎为0；随着放电结构顶点处分离，接触面积接近0，此时电阻迅速增大，间隙电压随之增大，二者的电压开始有较大差值。直流放电间隙电压大于高频放电，与上文分析的结论一致，这是因为高频放电电路在放电结构之间形成类似电容的结构，电容与放电电阻并联后阻抗小于单独放电的电阻。

根据式（4），间隙电压${U_{\rm{g}}}$越大，放电能量越多。而能量是点燃瓦斯等爆炸性气体的关键，与交流或直流导致的放电无关，若等效半波振子天线等价直流电路电弧放电的能量小于瓦斯的最小点火能，可保证直流电路电弧放电不会使瓦斯发生爆炸，即等效半波振子天线等价高频电路电弧放电不会导致瓦斯爆炸，则在井下不会发生因金属结构耦合电磁波导致瓦斯爆炸的情况。

5.   等效半波振子天线电路放电的功率和能量

5.1   等效半波振子天线电路放电参数选取

由于半波振子结构为天然谐振结构，反射系数$\varGamma = 0$，能量耦合程度高，所以选择半波振子的金属结构进行最恶劣条件下的分析。根据天线理论，半波振子金属结构的接收功率为

式中${I_{\rm{m}}}$为金属结构感应电流的最大值。

在最严苛的条件下不考虑金属结构自身的电阻，此时${{\rm{R}}_{\rm{a}}}$为等效半波振子金属结构接收天线的输入电阻，即${R_{\rm{a}}} = 73\;\Omega $。半波振子金属结构的感应电压有效值为

根据上文分析，在电源与内阻相等的条件下，直流电路电弧放电能量大于高频交流电弧放电，因此，本文选择等效半波振子天线的直流放电电路来分析爆炸性环境中金属结构耦合能量的安全性。直流电路中，电源电压取金属结构感应电压的有效值，即${U_{\rm{i}}} = {U_0}$，内阻取金属振子接收天线的输入电阻，即$R=R_{{\rm{a}}}=73\; \Omega$。

5.2   等效半波振子天线电路放电功率和能量计算

煤矿井下主要考虑电弧放电对甲烷−空气混合气体的引燃，为了保证引燃能力判据的可靠性，须分析最危险工况下的放电特性，因此根据IEC火花试验规程，取其混合气体最易引燃的体积分数(8.0%～8.6%)，使用熔点低、易成弧的镉盘与不易受损的钨丝作为分离电极，在此工况下电弧放电引燃能力最强，得到的放电特性更加趋近极限值。

基于IEC安全火花试验装置的直流电路电弧放电等效电路与直流放电等效电路相同。

根据电弧放电等效电路，可得回路方程：

放电电阻消耗的放电功率为

根据功率最大定理，当$R_{{\rm{g}}}=R$时，放电功率$p_{\rm{g}}$有最大值，此时

放电前的初始电流为

放电前电源的输出功率为

直流电路发生放电前，电路仅由电源和内阻串联而成，金属结构未发生断裂时，等效电路仅由金属结构耦合电磁波产生的等效电源和金属结构本身的内阻串联而成，此时结构相同，且电源电压及内阻相同，因此直流电路发生放电前的电源输出功率${p_0}$等于金属结构未发生断裂时接收到的功率${p_{\rm{a}}}$。在分析矿井下爆炸性环境时，应取最严苛的条件进行分析，假设金属结构在断裂前全部接收发射天线辐射的能量，即金属结构的接收功率${p_{\rm{a}}}$等于发射天线的辐射功率${p_{\rm{S}}}$，发生放电前电源的输出功率${p_0}$等于发射天线的辐射功率${p_{\rm{S}}}$：

根据式(8)−式(11)可得放电功率最大值${p_{{\rm{g}}\max }}$等于发射天线辐射功率的1/4，即

直流电路电弧放电产生的能量为

GB/T 3836.1−2021《爆炸性环境 第1部分：设备 通用要求》中规定，I类设备（甲烷−空气混合气体环境）的热起燃时间为200 µs。因此，本文中$t' $取200 µs。因为${p_{\rm{g}}} \leqslant {p_{{\rm{g}}\max }}$，即$\displaystyle\int_0^{t'} {{p_{\rm{g}}}} t{\rm{d}}t \leqslant \displaystyle\int_0^{t'} {p_{{\rm{g}}\max }} t{\rm{d}}t$，所以放电能量满足以下条件：

式中${W_{{\rm{g}}\max} }$为直流电路电弧放电最大能量。

6.   瓦斯爆炸可能性分析

5G通信系统射频天线辐射的电磁波能量经等效半波振子金属结构接收，并经等效半波振子天线等价电路转换为电能，在等价电路出现断路等故障情况下，等价电路中的电能产生电弧放电。本文研究此时放电火花能量是否会超过瓦斯气体的点燃门限值，如果放电能量不超过点燃门限值，就可以得出井下金属结构的等效半波振子天线等价电路以5G通信系统射频基站为功率源的情况下是本质安全的，反之则是非本质安全的。

上文已分析得出金属结构等效半波振子天线等价直流电路的电弧放电能量大于等价高频电路，加上半波振子天线结构为最易耦合能量的结构，因此，可通过分析金属结构等效半波振子天线等价直流电路放电的安全性，来判断金属结构在5G通信系统射频辐射场中的安全性，进而推断出5G通信系统的安全辐射功率。

点燃瓦斯的本质是由于金属断点在极小空间中短时间内释放了大量能量，与放电方式无关；尽管电磁环境中金属结构耦合电磁波产生的放电属于高频放电，本安电路的安全性判别原则针对直流或低频电路，但点燃瓦斯的本质是一样的，因此，本文选用本安电路的判别原则判断安全性。

按照本安电路的安全性判别原则，放电能量与功率均须是本质安全的，电弧功率极限值${p_{{\rm{g}}\max }}$应小于临界引燃功率$ p_{{\rm{M IC}}} $，热起燃时间内放电的总能量${W_{\rm{g}}}$应小于临界引燃能量$ W_{{\rm{MIC}}} $，即

若金属结构等效半波振子天线等价直流电路产生放电的功率和能量满足上面2个条件，就可以保证电路是本质安全的，同时也可保证在井下以等效半波振子天线等价直流电路所对应的辐射功率为辐射源功率的5G通信系统是本质安全的。

6.1   临界引燃功率

文献[24]通过在爆炸性环境中进行试验，给出了甲烷体积分数为8.0%～8.6%的甲烷−空气混合气体环境中纯电阻直流本安电路的最小引燃曲线，即分断电极放电时不同电源电压${U_{\rm{i}}}$可以点燃甲烷−空气混合气体的最小点燃电流${I_{{\rm{MIC}}}}$的变化曲线。文献[25]经幂函数回归分析得出最小点燃电流为

临界引燃功率为

要保证金属结构等效半波振子天线等价直流电路是本质安全的，必须满足${p_{{\rm{g}}\max }} ＜ {p_{{\rm{MIC}}}}$，即

已知R=73 Ω，等价电路电源电压应满足${U_{\rm{i}}}$＜58.68 V，根据式（10）−式（13），5G通信系统射频天线的安全辐射功率应满足$p_{{\rm{S}}}$＜47.17 W。

6.2   临界引燃能量

要保证金属结构等效半波振子天线等价直流电路是本质安全的，不仅需要满足${p_{{\rm{g}}\max }} ＜ {p_{{\rm{MIC}}}}$，还要满足${W_{\rm{g}}} ＜ {W_{{\rm{MIC}}}}$，根据式（15），若满足${W_{{\rm{g}}\max }} ＜ {W_{{\rm{MIC}}}}$，则可保证${W_{\rm{g}}} ＜ {W_{{\rm{MIC}}}}$。根据文献[17]，甲烷体积分数为8.3%±0.3%的甲烷−空气混合气体的最小点燃能量是525 µJ，即临界引燃能量$ W_{{\rm{MIC}}} $ = 525 µJ。若$W_{{\rm{g}} \max }$＜525 µJ，则可满足$ W_{{\rm{g}}}＜ W_{ {{\rm{MIC}} }} $，根据式（16），应满足${W_{{\rm{g}}\max }} = \dfrac{1}{4}\displaystyle\int_0^{t'} {{p_{\rm{S}}}} t{\rm{d}}t$＜525 µJ，式中${t'} = 200$ µs。经计算，5G通信系统射频天线的辐射功率$p_{{\rm{S}}}$＜10.5 W时，将不会点燃爆炸性的瓦斯气体，证明了5G通信系统射频天线的本安辐射功率是10.5 W。

6.3   结果分析

通过分析金属结构等效半波振子天线等价直流放电电路的安全性，计算出5G通信系统射频基站的安全辐射功率。根据本安电路的要求，从功率安全的角度考虑，射频设备的辐射功率需满足$p_{{\rm{S}}}$＜47.17 W；从能量安全的角度考虑，射频设备的辐射功率需满足$ p_{{\rm{S}}} $＜10.5 W。根据本安判别条件需同时满足功率和能量安全的判别式可知，5G通信系统射频基站的辐射功率满足$ p_{{\rm{S}}} $＜10.5 W时，可保证井下不会因金属结构耦合电磁波导致瓦斯爆炸。根据GB/T 3836.1−2021《爆炸性环境 第1部分：设备 通用要求》规定，煤矿井下瓦斯爆炸性环境中使用的无线射频设备的射频阈功率不得大于6 W，本文通过分析计算证明射频设备辐射功率阈值为6 W是安全可靠的，同时可将5G通信系统射频基站的安全辐射功率提高到10.5 W。

7.   结论

1） 通过分析井下金属结构耦合5G通信系统射频基站辐射的电磁波，得出其导致的放电形式应为低压分断电路电弧放电。

2） 通过分析金属结构等效半波振子天线等价高频放电电路与等价直流放电电路的放电能量，得出等价直流放电电路的放电能量大于等价高频放电电路，从而将分析金属结构耦合电磁波放电的安全性转换为分析金属结构的等效半波振子天线等价直流放电电路的安全性，进而选择直流本安电路的判别原则来判断安全性。

3） 通过分析金属结构等效半波振子天线等价直流放电电路的安全性，得出当5G通信系统射频基站的辐射功率小于10.5 W时，不会发生因金属结构耦合电磁波导致瓦斯爆炸情况。这为将矿井5G通信系统射频基站的安全辐射功率门限提高至10.5 W提供了参考。