田子建，教授，博导。第五届国家安全生产专家组（煤矿机电组）成员，兼任中国煤炭工业技术委员会信息与自动化专家委员会委员和联络员。主持国家自然科学基金面上资助项目2项，作为主要研究人员参与国家自然科学基金项目3项、煤炭联合基金重点项目1项、国家高技术研究发展计划（863计划）项目2项、国家科技支撑计划项目1项、信息产业部电子信息产业发展基金重点项目1项等。成果获国家科技进步二等奖2项、教育部科技进步一等奖1项、中国煤炭工业协会科技进步一等奖4项。以第1作者发表论文30余篇(其中SCI和EI收录20余篇)；以第1作者出版著作2部，参编著作3部；主持修订国家标准1项，参与制定煤炭行业标准和安全生产行业标准21项；以第1发明人授权专利37项，其中发明专利16项。

       GB 3836.1—2021《爆炸性环境 第1部分 设备 通用要求》规定，爆炸性环境中射频设备的射频阈功率不得大于6 W。该规定引自欧盟标准，缺乏试验验证，严重制约了5G技术在矿井下的应用。针对该问题，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。

       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。气体放电按放电阶段可分为自持放电和非自持放电：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气体混合物的主要放电形式。

       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 第一部分：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。

       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，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。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。

       半波振子为谐振结构，该结构的输入阻抗为纯电阻，反射系数，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。

       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，得出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。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，则在矿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。

       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。

       由于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，所以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，选用本安电路的判别原则判断安全性。

       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。根据本质安全电路的要求，从功率安全的角度考虑，射频设备的辐射功率需满足<47.17 W；从能量安全的角度考虑，射频设备需满足<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<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 3836.4—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。