移動(dòng)通信基站電磁輻射近場(chǎng)特性分析

高鵬程, 田 豐, 彭書(shū)傳

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009;2.安徽長(zhǎng)之源環(huán)境工程有限公司,安徽 合肥 230088)

隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展,我國(guó)城市化進(jìn)程不斷推進(jìn),移動(dòng)通信基站在城市人口密集區(qū)的布站數(shù)量也日益增多,使得基站越來(lái)越接近人群密集區(qū)域;同時(shí)雖然各種美化形式天線和隱蔽形式天線的普及使得移動(dòng)通信基站可以更好地融入周?chē)沫h(huán)境,減少了人們對(duì)電磁環(huán)境影響的抵觸,但是進(jìn)一步增加了環(huán)境敏感區(qū)域進(jìn)入天線近場(chǎng)的可能性。因此,現(xiàn)有的電磁輻射環(huán)境影響分析與評(píng)價(jià)方法[1]已不能滿足基站近場(chǎng)區(qū)電磁輻射環(huán)境的管理。

為了滿足日益增長(zhǎng)的電磁輻射環(huán)境保護(hù)要求,建立可以精確預(yù)測(cè)的模型是非常必要的[2]。本文通過(guò)建立基站天線的仿真模型,定量分析移動(dòng)通信基站近場(chǎng)電磁輻射的分布規(guī)律[3],采用遠(yuǎn)場(chǎng)計(jì)算公式得出近場(chǎng)輻射特性,并對(duì)比仿真值與計(jì)算值的差異[4],為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)移動(dòng)基站電磁防護(hù)距離提供相應(yīng)依據(jù)。

1 近場(chǎng)理論分析

天線是將傳輸線中的電磁能轉(zhuǎn)化成自由空間的電磁波,或?qū)⒖臻g電磁波轉(zhuǎn)化成傳輸線中的電磁能的專用設(shè)備。在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信中,需要保證從基站天線到用戶手機(jī)天線,或從用戶手機(jī)天線到基站天線的連接運(yùn)行質(zhì)量,由此而產(chǎn)生的電磁輻射強(qiáng)度和范圍與天線有著密切的聯(lián)系。

移動(dòng)通信基站一般分為全向站和定向站,全向站通常建于覆蓋范圍的中心,采用全向天線,系統(tǒng)容量小,主要應(yīng)用在鄉(xiāng)鎮(zhèn);定向站通常建于覆蓋范圍的頂點(diǎn),采用定向天線,系統(tǒng)容量高,主要應(yīng)用在城區(qū)。

從電磁輻射的角度看,全向站由于天線增益小,位于人員較少的地區(qū),對(duì)周?chē)h(huán)境的輻射影響較小;定向站的天線增益大,位于人口密集的區(qū)域,對(duì)周?chē)h(huán)境的輻射影響較大[5]。

基站天線遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖如圖1所示。

圖1 基站天線遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖

1.1 移動(dòng)通信基站天線電路參數(shù)

(1) 電壓駐波比。該參數(shù)為傳輸線上的電壓最大值與電壓最小值之比。當(dāng)天線端口沒(méi)有反射時(shí),就是理想匹配,駐波比為1.0。一般基站天線對(duì)駐波比的設(shè)計(jì)要求為工作頻段內(nèi)電壓駐波比小于1.5,這樣可以保證天線端口饋入信號(hào)的反射功率不大于4.0%。

(2) 異極化端口隔離度。該參數(shù)是指雙極化天線中兩極化端口之間的隔離,表現(xiàn)為從某一極化端口接收到另一極化端口信號(hào)的比例。隔離度的一般要求為低于28 dB。

(3) 三階交調(diào)。該參數(shù)是指在射頻通訊系統(tǒng)中進(jìn)行調(diào)節(jié),以確保天線發(fā)射的交調(diào)干擾不影響接收機(jī)的靈敏度。

(4) 水平面波束寬度。基站天線架設(shè)采用三扇區(qū)結(jié)構(gòu),如圖2所示。

圖2 三扇區(qū)基站天線示意

每個(gè)扇區(qū)的天線在最大輻射方向偏離±60°時(shí)到達(dá)覆蓋邊緣,需要切換到相鄰扇區(qū)工作。在±60°的切換角域,方向圖電平應(yīng)該有一個(gè)合理的下降。若電平下降太多,則在切換角域附近容易引起覆蓋盲區(qū)掉話;若電平下降太少,則在切換角域附近覆蓋產(chǎn)生重疊,會(huì)導(dǎo)致相鄰扇區(qū)干擾增加。

(5) 垂直面波束寬度。垂直面遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的半功率波束寬度通常為14°或7°,其選擇與覆蓋范圍要求、電下傾角度相關(guān)。

(6) 電下傾角度。該參數(shù)決定網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)中距離向性能的好壞。波束應(yīng)該適當(dāng)下傾,下傾角度最好使得最大輻射指向目標(biāo)服務(wù)區(qū)的邊緣。若下傾太多,則服務(wù)區(qū)遠(yuǎn)端的覆蓋電平會(huì)急劇下降;若下傾太少,則覆蓋區(qū)會(huì)在服務(wù)區(qū)外,且會(huì)產(chǎn)生同頻干擾問(wèn)題,如圖3所示。

(7) 天線增益。天線增益越高,方向性越好,主波束越窄,輻射能量越集中,但增益越高的天線往往尺寸越大。

(8) 方向圖前后比。該參數(shù)是抑制同頻干擾或?qū)ьl污染的重要指標(biāo)。通常僅需考察水平面方向圖的前后比,并特指后向±30°范圍內(nèi)的最差值。前后比指標(biāo)越差,后向輻射就越大,對(duì)該天線后面的覆蓋小區(qū)造成干擾的可能性就越大。

圖3 垂直面波束下傾示意

(9) 上旁瓣抑制。該參數(shù)也是抑制同頻干擾或?qū)ьl污染的重要指標(biāo)?；就ǔ２捎?3～15 dBi的低增益天線,大下傾角作微蜂窩覆蓋,此時(shí)主波束的上側(cè)第1旁瓣、第2旁瓣指向前方同頻小區(qū)的可能性很大,這就要求在設(shè)計(jì)天線時(shí),設(shè)法對(duì)上旁瓣進(jìn)行抑制,從而降低干擾。

(10) 交叉極化比。該參數(shù)是極化分集效果優(yōu)劣的指標(biāo)。為了獲得良好的上行分集增益,要求雙極化天線具有良好的正交極化特性,即在±60°的扇形服務(wù)區(qū)內(nèi),交叉極化方向圖電平應(yīng)該比相應(yīng)角度上的主極化電平有明顯的降低,其差別(交叉極化比)在最大輻射方向應(yīng)大于15 dB,在±60°內(nèi)應(yīng)大于10 dB,最低也應(yīng)該大于7 dB,只有這樣才可以認(rèn)為兩極化端口接收到的信號(hào)互不相關(guān)。

(11) 波束偏移及方向圖一致性。波束偏移指最大輻射方向偏離天線法線方向的角度[6],文獻(xiàn)[6]建議以波束寬度的10%為指標(biāo),如對(duì)于波束寬度65°天線,波束偏移指標(biāo)為6°。方向圖一致性表征雙極化天線±45°極化方向圖各角度方向輻射場(chǎng)強(qiáng)的偏差程度[7],文獻(xiàn)[7]建議考察±60°邊緣的場(chǎng)強(qiáng)偏差或者3 dB點(diǎn)的角度差。

(12) 下零點(diǎn)填充。該參數(shù)是在某些特殊場(chǎng)景有限減少盲點(diǎn)的輔助指標(biāo)。在天線設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)下零點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)填充,就可能減少掉話率。

(13) 方向圖圓度。該參數(shù)用來(lái)評(píng)估全向天線均勻覆蓋效果,一般考察水平面方向圖的圓度。

1.2 天線場(chǎng)區(qū)特點(diǎn)

根據(jù)陣列天線理論,天線周?chē)妮椛鋱?chǎng)區(qū)可以劃分為感應(yīng)近場(chǎng)區(qū)、輻射近場(chǎng)區(qū)和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū),如圖4所示。

圖4 天線場(chǎng)區(qū)劃分示意

圖4中:λ為波長(zhǎng);D為天線口徑尺寸。

各類天線的結(jié)構(gòu)、特性各有不同特點(diǎn),分析它們的基礎(chǔ)都是電磁基本振子的輻射機(jī)理。下面以電基本振子的輻射為例,分析天線場(chǎng)區(qū)的特點(diǎn)和基本規(guī)律。

電基本振子又稱電流源,是指一段理想的高頻電流直導(dǎo)線,其長(zhǎng)度l遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)λ,其半徑r遠(yuǎn)小于l,同時(shí)振子沿線的電流I處處等幅同相。根據(jù)電磁場(chǎng)理論,在球坐標(biāo)系原點(diǎn)O沿z軸放置的電基本振子在無(wú)限大自由空間中場(chǎng)強(qiáng)的表達(dá)式為:

(1)

(2)

由此可見(jiàn),電基本振子的場(chǎng)強(qiáng)矢量由3個(gè)分量Hφ、Er、Eθ組成,每個(gè)分量都由幾項(xiàng)組成,它們與距離r有著復(fù)雜的關(guān)系。

(3)

保留(1)式中的最大項(xiàng)后,電基本振子的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)表達(dá)式為:

(4)

由(4)式可知,遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的性質(zhì)與感應(yīng)近場(chǎng)區(qū)完全不同,場(chǎng)強(qiáng)只有2個(gè)相位相同的分量(Eθ,Hφ)。遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)有能量沿r方向向外輻射,其坡印廷矢量(Poynting vector)平均值為:

雖然上述3個(gè)場(chǎng)區(qū)的基本公式和特性得自天線基本振子,但是由天線理論可知,任意形式的天線都可以看成是天線基本振子的線性組合,因此主要特性不存在本質(zhì)區(qū)別。因此,基本假設(shè)環(huán)境敏感區(qū)域到電磁輻射體的距離是較遠(yuǎn)的,目前我國(guó)電磁輻射環(huán)境的監(jiān)測(cè)和影響評(píng)價(jià)方式基本上是建立在天線遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)輻射特性基礎(chǔ)上的。

2 模型仿真分析

模型仿真實(shí)驗(yàn)分為2個(gè)部分:① 采用CST電磁仿真軟件對(duì)天線進(jìn)行仿真設(shè)計(jì),主要以還原實(shí)際天線遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖為目標(biāo),力求設(shè)計(jì)的天線模型遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖與實(shí)際天線的吻合度較高;② 采用FEKO電磁仿真軟件,將已設(shè)計(jì)的天線放置在特定電大尺度場(chǎng)景中,針對(duì)不同天線基站及不同參數(shù)情況進(jìn)行模型構(gòu)建,分析公眾環(huán)境曝露情況,主要以求解出天線輻射近場(chǎng)區(qū)的電場(chǎng)值為目標(biāo)。

2.1 CST電磁仿真

為了對(duì)基站天線主瓣方向上的近場(chǎng)變化規(guī)律作進(jìn)一步研究,根據(jù)陣列天線理論,對(duì)提取的天線模型作近場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)仿真,然后與用天線輻射遠(yuǎn)場(chǎng)公式得到的近場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行對(duì)比。本文選取城市中常見(jiàn)的ODV-065R15B型900 MHz波束寬度65°基站天線進(jìn)行仿真與對(duì)比。天線產(chǎn)品性能參數(shù)取值如下:工作頻率為900 MHz,天線增益為15.5 dBi,垂直面波束形成半功率寬度為14°,垂直面最大副瓣電平為-10 dB,水平面波束形成半功率寬度為65°,水平面前后比為30 dB,天線長(zhǎng)度為1 415 mm。仿真模型中,水平面前后比為37 dB,其余參數(shù)取值與天線產(chǎn)品相同。

遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試原理是用已知特性參數(shù)的平面波照射天線,得到天線的接收特性參數(shù),然后利用天線的互易性原理,得到天線的傳播特性參數(shù)。互易性原理為:同一天線用作發(fā)信天線時(shí)的參數(shù),與用作收信天線的參數(shù)保持不變。實(shí)際上,理想的平面波是不存在的,在實(shí)際測(cè)試中,平面波是通過(guò)將一個(gè)已知特性的發(fā)射天線設(shè)置在遠(yuǎn)處,向待測(cè)天線照射,當(dāng)發(fā)射天線的波前陣面擴(kuò)展到一定程度,可認(rèn)為待測(cè)天線接收的是平面波照射。

天線的方向圖能很好地表征該天線的輻射特性,上述天線產(chǎn)品手冊(cè)上的天線方向圖與模擬得到的方向圖分別如圖5、圖6所示。

從圖5、圖6可以看出,仿真模型的天線性能與實(shí)際天線性能相當(dāng),因此從仿真模型天線得到的結(jié)論可用于實(shí)際天線。

圖5 產(chǎn)品手冊(cè)上天線遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖

圖6 仿真模型遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖

2.2 FEKO電磁仿真

根據(jù)勾股定理及三角形邊長(zhǎng)關(guān)系,有

(5)

其中:L為待測(cè)天線中心到發(fā)射天線的距離;L′為待測(cè)天線的邊緣到發(fā)射天線中心的距離。根據(jù)(5)式,可以求得:

L>2D2/λ

(6)

由(6)式可知,在天線的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量中,待測(cè)天線到發(fā)射天線的最近距離不小于2D2/λ。因此,將仿真模型的相關(guān)參數(shù)代入(6)式,可得天線遠(yuǎn)場(chǎng)范圍約為14 m。

通過(guò)仿真,對(duì)下述3個(gè)方向上某些點(diǎn)的天線輻射場(chǎng)功率密度進(jìn)行討論。

天線水平面軸向φ取值為0°、-32.5°,θ=90°,增益為15.45、12.53 dBi時(shí),天線垂直面φ=0°、θ=87°、增益為13.71 dBi時(shí),天線輻射場(chǎng)功率密度近場(chǎng)仿真值與遠(yuǎn)場(chǎng)計(jì)算值對(duì)比見(jiàn)表1所列。

表1 φ、θ、增益取不同值時(shí)，天線輻射場(chǎng)功率密度近場(chǎng)仿真值與遠(yuǎn)場(chǎng)計(jì)算值對(duì)比 單位:W/m2

續(xù)表

由表1可知:在天線水平面軸向φ=0°、θ=90°,增益為15.45 dBi時(shí),近場(chǎng)仿真值較遠(yuǎn)場(chǎng)計(jì)算值在近場(chǎng)范圍內(nèi)略小;在天線水平面軸向φ=-32.5°、θ=90°,增益為12.53 dBi時(shí),在近場(chǎng)范圍內(nèi)近場(chǎng)仿真值小于遠(yuǎn)場(chǎng)計(jì)算值;天線垂直面φ=0°、θ=87°方向上,增益為13.71 dBi時(shí),在近場(chǎng)范圍內(nèi)近場(chǎng)仿真值小于遠(yuǎn)場(chǎng)計(jì)算值。

因此,無(wú)論是在垂直面還是在水平面,只要測(cè)量位置在天線遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖主波束的半功率波束寬度內(nèi),且天線方向圖一致,即可始終保證天線輻射場(chǎng)的功率密度近場(chǎng)輻射仿真值小于遠(yuǎn)場(chǎng)公式計(jì)算值,可以用遠(yuǎn)場(chǎng)計(jì)算值保守估計(jì)實(shí)際天線的近場(chǎng)輻射功率密度。

3 結(jié) 論

(1) 無(wú)論是在垂直面還是在水平面,只要測(cè)量位置在天線遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖主波束的半功率波束寬度內(nèi),天線輻射場(chǎng)的功率密度值始終存在遠(yuǎn)場(chǎng)公式計(jì)算值大于近場(chǎng)輻射仿真值,因此,可以用遠(yuǎn)場(chǎng)計(jì)算值保守估計(jì)實(shí)際天線的近場(chǎng)輻射功率密度。

(2) 驗(yàn)證了天線近場(chǎng)區(qū)內(nèi)功率密度采用遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)公式計(jì)算值進(jìn)行評(píng)價(jià)是保守和可行的,可為電磁防護(hù)距離提供理論依據(jù)。

(3) 目前在移動(dòng)通信基站電磁輻射環(huán)境影響分析與評(píng)價(jià)中,一般根據(jù)文獻(xiàn)[1]中遠(yuǎn)場(chǎng)軸向功率密度的計(jì)算公式推導(dǎo)出基站安全防護(hù)距離,對(duì)小于安全防護(hù)距離的敏感點(diǎn),通過(guò)敏感點(diǎn)到天線的直線距離和水平距離來(lái)判斷敏感點(diǎn)是否位于垂直面副瓣,并對(duì)主瓣安全防護(hù)距離內(nèi)副瓣各敏感點(diǎn)再進(jìn)行功率密度計(jì)算,對(duì)小于副瓣安全防護(hù)距離的敏感點(diǎn)直接判定為不合格。這種方式簡(jiǎn)化了計(jì)算,但對(duì)于近場(chǎng)區(qū)的敏感點(diǎn)并沒(méi)有計(jì)算出明確結(jié)果。本文研究結(jié)果表明,對(duì)于主瓣防護(hù)距離內(nèi)的敏感點(diǎn),只要按遠(yuǎn)場(chǎng)公式計(jì)算的功率密度滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),即可認(rèn)為合格。