移動(dòng)通信基站天線近場(chǎng)效應(yīng)影響分析

福建省輻射環(huán)境監(jiān)督站　陳瓊霞　高一弘

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移動(dòng)通信基站天線近場(chǎng)效應(yīng)影響分析

福建省輻射環(huán)境監(jiān)督站陳瓊霞高一弘

該文介紹了移動(dòng)通信基站天線的近場(chǎng)效應(yīng)，推導(dǎo)出該效應(yīng)的修正因子公式，并通過(guò)計(jì)算幾種常見(jiàn)類型天線的近場(chǎng)效應(yīng)修正因子，得出修正因子隨距離變化的規(guī)律，對(duì)近場(chǎng)效應(yīng)的影響范圍進(jìn)行了分析。研究表明，常見(jiàn)天線近場(chǎng)效應(yīng)在距天線5m外影響較小。

基站天線 近場(chǎng)效應(yīng)

1　天線近場(chǎng)效應(yīng)

微波頻段天線產(chǎn)生的電磁場(chǎng)區(qū)主要為遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)和輻射近場(chǎng)區(qū)（以下簡(jiǎn)稱“近場(chǎng)區(qū)”），近場(chǎng)區(qū)和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的分界點(diǎn)距離為2D2/λ［1］，其中D為天線的最大尺寸，λ為天線的工作波長(zhǎng)，一般D＞＞λ。對(duì)于由多個(gè)輻射單元組成的邊射陣天線，在天線遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的觀測(cè)點(diǎn)，各輻射單元到觀測(cè)點(diǎn)的連線可近似看作是平行線，其輻射功率密度分布符合天線方向性圖；在天線近場(chǎng)區(qū)的觀測(cè)點(diǎn)，由于天線有一定長(zhǎng)度，各輻射單元到觀測(cè)點(diǎn)的連線明顯不平行，有一定交角，改變了各輻射單元到觀測(cè)點(diǎn)的波程差和相位差，因此近場(chǎng)區(qū)輻射功率密度分布偏離天線方向性圖，其正前方功率密度降低，而且波瓣寬度略有增加，此為微波頻段天線的近場(chǎng)效應(yīng)?？紤]該效應(yīng)時(shí)，天線輻射主瓣軸向的實(shí)際功率密度值應(yīng)在原有值上乘以一個(gè)因子，該因子為天線近場(chǎng)效應(yīng)修正因子fnf。根據(jù)近場(chǎng)效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理，垂直于邊射陣天線方向的近場(chǎng)效應(yīng)最大，且該方向基本為天線的最大輻射方向（電下傾天線最大輻射方向略微偏離正前方），因此本文僅討論天線正前方的近場(chǎng)效應(yīng)。

2　天線正前方近場(chǎng)公式推導(dǎo)

移動(dòng)通信基站定向發(fā)射天線一般由反射板前、沿垂直方向直線排列的對(duì)稱振子組成，對(duì)稱振子中心之間相距約為 1個(gè)工作波長(zhǎng)，對(duì)稱振子及其在反射板上的鏡像振子組成輻射單元，這些輻射單元直線排列為邊射直線陣。天線的最大尺寸D即為天線（在垂直方向的）長(zhǎng)度，由2n個(gè)對(duì)稱振子以工作波長(zhǎng)λ等間距直線排列組成，對(duì)于天線正前方距離為X的觀測(cè)點(diǎn)（見(jiàn)圖1），第i個(gè)振子中心（i=1，2，…，n）到觀測(cè)點(diǎn)的波程為：

圖1　觀測(cè)點(diǎn)到不同振子的波程

各對(duì)稱振子中心到觀測(cè)點(diǎn)不完全同相，各振子中心到觀測(cè)點(diǎn)的波程采用（1）式的計(jì)算值，觀測(cè)點(diǎn)的波振幅正比于下列近場(chǎng)效應(yīng)因子（該因子在距天線遠(yuǎn)處取值為1）：

為表達(dá)簡(jiǎn)潔起見(jiàn)，在（2）式中記

由于其中k=2π/λ，所以a =X4/πλ

根據(jù)（2）式，計(jì)算出近場(chǎng)效應(yīng)因子fnf值，發(fā)現(xiàn)以dB數(shù)表示的fnf值基本與X的平方值成反比，fnf值可表示為：

（4）式表明近場(chǎng)效應(yīng)使得天線正前方場(chǎng)強(qiáng)降低，式中的c值主要取決于天線長(zhǎng)度和工作波長(zhǎng)。

3　天線近場(chǎng)效應(yīng)分析

采取現(xiàn)階段較常用的幾種天線參數(shù)（見(jiàn)表1），以及（2）式、（3）式，計(jì)算出與各天線不同距離X處的近場(chǎng)效應(yīng)因子fnf值，如圖2所示。不同天線的fnf=-1dB和-3dB的相應(yīng)距離見(jiàn)表2。c值與與觀測(cè)點(diǎn)到天線距離X的關(guān)系見(jiàn)圖3。

表1　近場(chǎng)效應(yīng)因子fnf計(jì)算參數(shù)

表2　不同天線的fnf=-1dB和-3dB的相應(yīng)距離（m）

圖2　不同天線的近場(chǎng)效應(yīng)因子與距離關(guān)系圖

圖3　c值與觀測(cè)點(diǎn)到天線距離X的關(guān)系

表3　不同天線的c0值

由表2及圖1可知，僅在天線附近的小范圍內(nèi)，近場(chǎng)效應(yīng)才比較顯著。特別是在城市市區(qū)使用的長(zhǎng)度 1.3m左右的GSM900、DCS1800單頻或雙頻天線、TD-SCDMA和TD-LTE天線，距天線5m外的近場(chǎng)效應(yīng)因子fnf＞-1dB（＞0.8倍），近場(chǎng)效應(yīng)的影響范圍較小。

在一定的天線參數(shù)下，c值與距離X有較弱的相關(guān)，由圖2可見(jiàn)，對(duì)于現(xiàn)階段常用的4種天線，在2～5m之外，c值變化不大，在遠(yuǎn)處趨近于一個(gè)常數(shù)c0。

［1］ Kraus，J.D.，Marhefka，R.J. 章文勛譯. 天線（上冊(cè)）［M］.北京: 電子工業(yè)出版社，2011.