天線方向性函數(shù)在移動通信基站電磁環(huán)境影響預(yù)測中的應(yīng)用探討

張焜　金陶陶

摘要：現(xiàn)行《輻射環(huán)境保護(hù)管理導(dǎo)則 電磁輻射監(jiān)測儀器和方法》（HJ/T 10.2—1996）中關(guān)于微波站遠(yuǎn)場區(qū)軸向功率密度的計(jì)算公式，是目前我國大多數(shù)移動通信基站在進(jìn)行電磁環(huán)境影響預(yù)測與評價(jià)時(shí)所采用的預(yù)測模式。該模式適用于天線遠(yuǎn)場區(qū)軸向（即最大輻射方向）功率密度的預(yù)測，卻無法直接反映天線非軸向的電磁環(huán)境影響，而在現(xiàn)實(shí)情況中，環(huán)境敏感點(diǎn)往往不會處于天線軸向。實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)利用均勻平面天線陣的方向性函數(shù)，能較好地?cái)M合定向天線的方向性圖，可將其應(yīng)用于天線遠(yuǎn)場區(qū)非軸向電磁環(huán)境影響的預(yù)測與評價(jià)，但在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該注意其僅適用于天線遠(yuǎn)場區(qū)的局限性，必要時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況判定其遠(yuǎn)場區(qū)范圍，并結(jié)合類比監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測結(jié)果的對比驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：天線方向性函數(shù)；移動通信基站；電磁環(huán)境；影響預(yù)測

DOI： 10.14068/j.ceia.2015.05.014

中圖分類號：X820.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-6444（2015）05-0057-06

目前我國大多數(shù)移動通信基站建設(shè)項(xiàng)目的電磁環(huán)境影響預(yù)測與評價(jià)，一般均采用《輻射環(huán)境保護(hù)管理導(dǎo)則 電磁輻射監(jiān)測儀器和方法》（HJ/T 10.2—1996）中對微波天線遠(yuǎn)場區(qū)軸向功率密度的預(yù)測模式[1]，即遠(yuǎn)場區(qū)軸向功率密度Pd：

Pd=P·G4·π·r2（1）

式中，P為天線發(fā)射平均功率，mW；G為天線增益；r為預(yù)測點(diǎn)與天線軸向距離，cm。

該模式適用于天線遠(yuǎn)場區(qū)軸向（即最大輻射方向）功率密度的預(yù)測，卻無法反映天線非軸向區(qū)域的電磁環(huán)境影響，而現(xiàn)實(shí)中的環(huán)境敏感目標(biāo)往往又不會處于天線軸向。如果直接將天線軸向功率密度預(yù)測結(jié)果應(yīng)用于非軸向區(qū)域的影響預(yù)測，并據(jù)此判定擬建基站的達(dá)標(biāo)距離，將產(chǎn)生較大偏差[2]。

工業(yè)與信息化部于2009年5月發(fā)布并實(shí)施了《通信工程建設(shè)環(huán)境保護(hù)技術(shù)暫行規(guī)定》（YD 5039—2009），其中明確規(guī)定了在計(jì)算移動通信天線遠(yuǎn)場區(qū)功率密度時(shí)，應(yīng)考慮天線的相對場強(qiáng)分布系數(shù)，即天線方向性函數(shù)f （θ， φ）。

天線遠(yuǎn)場區(qū)某觀測點(diǎn)的功率密度S可按式（2）計(jì)算[3]，與天線的相對位置見圖1。

Pd=PT×G4π·r2·fθ，φ·1r+ρ·fθ′，φ′·1r′2（2）

式中，PT為天線輸入功率，W；G為天線最大增益（倍數(shù)）；f （θ， φ）為天線的相對場強(qiáng)分布系數(shù)（方向性函數(shù)），取值為0～1；θ為觀測點(diǎn)至天線間連線與天線最大輻射方向的垂直夾角；φ為觀測點(diǎn)至天線間連線與天線最大輻射方向的水平夾角；ρ為反射系數(shù)的絕對值，取值為0～1；r為觀測點(diǎn)與天線之間的距離，m；r′為觀測點(diǎn)與天線的地面鏡像之間的距離，m。

對于微波站、衛(wèi)星站和寬帶無線接入站，由于天線的方向性很強(qiáng)，不需要考慮地面的反射，取ρ=0。因此，式（2）可簡化為式（3）：

Pd=P·G4·π·r2·f2θ，φ（3）

然而不同類型天線的方向性函數(shù)也不盡不同，甚至同一種型號的天線也會有不同的參數(shù)和方向性圖。因此，如何正確合理地選擇方向性函數(shù)是解決移動通信天線遠(yuǎn)場區(qū)（尤其是非軸向區(qū)域）電磁環(huán)境影響預(yù)測的關(guān)鍵問題。

在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，利用均勻平面天線陣陣因子（方向性函數(shù)）能較好地?cái)M合移動通信定向天線的方向性圖，并可將其應(yīng)用于移動通信天線遠(yuǎn)場區(qū)非軸向電磁環(huán)境影響預(yù)測與評價(jià)。

1 關(guān)于方向性函數(shù)的選擇

定向天線具有方向性，本質(zhì)上是通過天線陣列及各陣子的饋電相位的變化來獲得的，原理上與光的干涉效應(yīng)十分相似。所謂天線陣，就是由多個(gè)天線元按一定規(guī)律所組成的天線陣列，天線陣一般都由相同的天線元所組成，其空間取向一般也相同[4]。

工程天線里通常用兩個(gè)互相垂直的主平面，即E平面（電力線所在平面）和H平面（磁力線所在平面）上的方向性圖來代替空間方向性圖[4]。

圖2是典型移動通信天線主平面方向性圖，圖3是定向智能天線一般構(gòu)造圖[5]。

定向智能天線陣包括金屬反射板2、天線罩1以及若干輻射單元列組成的輻射陣列5。輻射陣列5設(shè)置在金屬反射板2上，一般情況下至少并排設(shè)置兩列以上輻射陣列，各個(gè)輻射陣列之間并聯(lián)饋電，且相鄰兩個(gè)輻射陣列之間均增設(shè)至少一條與之并排縱長的金屬隔離條3。6、7為校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)及其屏蔽蓋，8是射頻接頭。

由圖3及相關(guān)工程天線相關(guān)理論可知，定向天線陣列構(gòu)造實(shí)為均勻平面天線陣。根據(jù)天線陣方向性相乘原理，天線陣的總方向性函數(shù)等于單個(gè)天線元的方向性函數(shù)與陣因子的乘積[4]。

假設(shè)均勻平面天線陣以半波對稱振子為基本單元，由m個(gè)水平天線元和n個(gè)垂直天線元及反射板構(gòu)成，則該天線陣的歸一化方向性函數(shù)f （θ， φ）可以寫為式（4）[6]：

fθ，φ=feθ，φ×fmθ，φ×fnθ，φ×f反射板θ，φ

=cosπ2cosθsinθ天線元（半波振子）方向性函數(shù)×sinm2κdycosψy+δym·sin12κdycosψy+δym元水平均勻直線天線陣陣因子×sinn2κdzcosψz+δzn·sin12κdzcosψz+δzn元垂直均勻直線天線陣陣因子×cosπ4cosψx-12元端射陣陣因子（擬合反射板）（4）

式中，m、n分別為天線陣中水平、垂直天線振子個(gè)數(shù)；κ=2π/λ是自由空間的相移常數(shù)；dy、dz分別為水平、垂直相鄰天線元的間距；ψy、ψz、ψx分別為觀測點(diǎn)至天線間連線與天線陣水平、垂直、法線軸線的夾角；δy、δz分別為水平、垂直相鄰天線元電流相位差。

2 天線方向性圖的擬合

在實(shí)際環(huán)境影響預(yù)測與評價(jià)工作中，建設(shè)單位一般很難提供定向天線水平和垂直元個(gè)數(shù)m、n及其相鄰間距dm、dn等機(jī)械參數(shù)。因此無法直接應(yīng)用式（4）進(jìn)行天線方向性圖的擬合。

但上式給出的預(yù)測值，是對于具有正方形口面和圓錐形口面天線（其精度<±3 dB）情況下，天線近場區(qū)內(nèi)的最大功率密度值[1]，即該預(yù)測值只適用于口徑面天線，不適用于均勻平面天線陣，而且利用該公式計(jì)算出的最大功率密度值很難準(zhǔn)確反映天線近場區(qū)場強(qiáng)的分布情況，因此在進(jìn)行相關(guān)理論預(yù)測時(shí)一般很少應(yīng)用。

5 結(jié)論

利用均勻平面天線陣陣因子（方向性函數(shù)）能較好地?cái)M合移動通信定向天線的方向性圖，可將其應(yīng)用于天線遠(yuǎn)場區(qū)非軸向區(qū)域的電磁環(huán)境影響預(yù)測與評價(jià)。但在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該注意其僅適用于天線遠(yuǎn)場區(qū)的局限性，必要時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況判定其遠(yuǎn)場區(qū)范圍，并結(jié)合類比監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測結(jié)果的對比驗(yàn)證，從而為準(zhǔn)確提出電磁環(huán)境達(dá)標(biāo)距離等環(huán)境保護(hù)措施提供可靠的參考依據(jù)。

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