第四代移動(dòng)通信基站電磁輻射模擬仿真和實(shí)測(cè)驗(yàn)證

黃昕++范磊

摘 要：為了更好的研究4G基站電磁場(chǎng)分布，選取了一款常見的基站天線對(duì)其先進(jìn)行微波暗室測(cè)量，再進(jìn)行電磁仿真，并將仿真結(jié)果由抽象的增益（dB）圖翻譯成直觀的電場(chǎng)強(qiáng)度（V/m）圖，最后將結(jié)果和實(shí)際測(cè)量結(jié)果相互對(duì)比，驗(yàn)證模擬的結(jié)果是正確的。為全面了解基站周圍電磁輻射水平提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：基站；電磁；仿真；實(shí)測(cè)

1 緣起

現(xiàn)在常見的基站電磁輻射預(yù)測(cè)都是基于理論預(yù)計(jì)，往往和實(shí)際測(cè)量結(jié)果有較大的偏差，只能片面的說明基站電磁輻射影響。本文通過對(duì)4G基站天線電磁場(chǎng)微波暗室測(cè)量、模擬仿真和實(shí)測(cè)驗(yàn)證，能較為全面的說明基站電磁輻射水平。

2 暗室測(cè)量

本次測(cè)量對(duì)象是一款單端口饋電多頻定向天線，天線尺寸是：20.5cm×17.5cm×4.3cm，測(cè)試頻率：1710 MHz -2500 MHz；測(cè)試儀器：Agilent E5071矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、Agilent E4447測(cè)量系統(tǒng)頻譜儀。測(cè)試內(nèi)容：端口駐波比、增益、以及方向圖（交叉極化情況和水平面以及垂直面方向圖）。

（1）S（散射）參數(shù)。使用Agilent E5071矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試，測(cè)試S參數(shù)。結(jié)果表明天線在起止頻率處S11小于-15dB，匹配特性良好。

（2）遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試。根據(jù)R>，遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)大于0.7m，暗室尺寸滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件，天線被安放在轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如下圖所示（以下都以1860MHz為例說明）。

歸一化輻射圖表明了天線良好的定向半空間輻射特性，交叉極化抑制優(yōu)于20dB除了2500MHz交叉極化抑制惡化嚴(yán)重。水平面最大增益與最小增益相差30dB。

3 模擬仿真

由于天線電磁場(chǎng)分布的復(fù)雜性，生產(chǎn)廠商一般僅提供E-H方向圖，其空間電磁場(chǎng)分布不能保證，因此模型的空間電磁場(chǎng)仿真只能在符合天線特性參數(shù)的基礎(chǔ)上去模擬仿真。使用CST STUDIO SUITE 2014對(duì)天線進(jìn)行電磁模擬仿真，天線端口輸入功率設(shè)定為1W、計(jì)算距離為1m。

仿真結(jié)果如圖2所示，左側(cè)是3D輻射仿真圖（dB），中間和右側(cè)為遠(yuǎn)場(chǎng)電場(chǎng)強(qiáng)度仿真圖（dBmV/m）。

4 實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)及結(jié)果驗(yàn)證

為了對(duì)電磁模擬仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，我們選取了一處基站進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量。

測(cè)量時(shí)間：上午10：00～11：00，天氣：晴好；儀器：NBM-550型綜合場(chǎng)強(qiáng)儀，探頭型號(hào)為EF0391，量程為100kHz～3GHz，在檢定有效期內(nèi)；基站頻段：1850MHz-1880MHz，發(fā)射功率：0.5W/通道，通道數(shù)：1個(gè)，平均負(fù)載：32%。

測(cè)量點(diǎn)位分別為沿主瓣方向和以天線為圓心扇面布置，測(cè)量結(jié)果為：（1）天線主瓣方向距離天線1m：3.24V/m、2m：1.74 V/m、5m：0.68 V/m、8m：0.44 V/m。（2）以天線為圓心（半徑為1米）+90°：1.25 V/m、+60°：1.87 V/m、+30°：2.43 V/m、0°：3.24 V/m、-30°：2.62 V/m、-60°：2.30 V/m、-90°：1.60 V/m。

根據(jù)模擬仿真結(jié)果讀取相應(yīng)位置電場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值為：（1）天線主瓣方向距離天線1m：78.3 dBmV/m（8.22V/m）；（2）以天線為圓心（半徑為1米）±90°：68.3 dBmV/m（2.60 V/m）、±60°：73.3 dBmV/m（4.62 V/m）、±30°：75.8 dBmV/m（6.17 V/m）、0°：78.3 dBmV/m（8.22 V/m）。

由于天線實(shí)際入射功率為0.5W×1×32%=0.16W，而模擬仿真中的數(shù)值是按照1W建立的，因此需要乘以系數(shù)0.4（0.16W的開方），所得數(shù)值及與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比見表1。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在-30°～-90°方向上偏差較大是由于現(xiàn)場(chǎng)在靠近那側(cè)的10米處還有一個(gè)移動(dòng)的吸頂天線，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)值有影響。根據(jù)表1，可以看出模型的建立是成功的。因此該天線的模擬仿真可以說明基站的實(shí)際電磁輻射水平。

5 結(jié)束語(yǔ)

移動(dòng)通信基站電磁場(chǎng)的模擬仿真和實(shí)測(cè)相互印證，能夠從直觀和客觀兩個(gè)角度去幫助人們理解掌握電磁輻射對(duì)環(huán)境的影響。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：黃昕（1980，12-），男，南京人，工程師，從事環(huán)境管理與監(jiān)測(cè)工作。