高鵬程, 田 豐, 彭書傳

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

隨著經濟不斷發(fā)展,我國城市化進程不斷推進,移動通信基站在城市人口密集區(qū)的布站數(shù)量也日益增多,使得基站越來越接近人群密集區(qū)域;同時雖然各種美化形式天線和隱蔽形式天線的普及使得移動通信基站可以更好地融入周圍的環(huán)境,減少了人們對電磁環(huán)境影響的抵觸,但是進一步增加了環(huán)境敏感區(qū)域進入天線近場的可能性。因此,現(xiàn)有的電磁輻射環(huán)境影響分析與評價方法[1]已不能滿足基站近場區(qū)電磁輻射環(huán)境的管理。

為了滿足日益增長的電磁輻射環(huán)境保護要求,建立可以精確預測的模型是非常必要的[2]。本文通過建立基站天線的仿真模型,定量分析移動通信基站近場電磁輻射的分布規(guī)律[3],采用遠場計算公式得出近場輻射特性,并對比仿真值與計算值的差異[4],為準確預測移動基站電磁防護距離提供相應依據。

1 近場理論分析

天線是將傳輸線中的電磁能轉化成自由空間的電磁波,或將空間電磁波轉化成傳輸線中的電磁能的專用設備。在移動網絡通信中,需要保證從基站天線到用戶手機天線,或從用戶手機天線到基站天線的連接運行質量,由此而產生的電磁輻射強度和范圍與天線有著密切的聯(lián)系。

移動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,主要應用在鄉(xiāng)鎮(zhèn);定向站通常建于覆蓋范圍的頂點,采用定向天線,系統(tǒng)容量高,主要應用在城區(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),對周圍環(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,對周圍環(huán)境的輻射影響較大[5]。

基站天線遠場方向圖如圖1所示。

圖1 基站天線遠場方向圖

1.1 移動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。當天線端口沒有反射時,就是理想匹配,駐波比為1.0。一般基站天線對駐波比的設計要求為工作頻段內電壓駐波比小于1.5,這樣可以保證天線端口饋入信號的反射功率不大于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的比例。隔離度的一般要求為低于28 dB。

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

(4) 水平面波束寬度?；咎炀€架設采用三扇區(qū)結構,如圖2所示。

圖2 三扇區(qū)基站天線示意

每個扇區(qū)的天線在最大輻射方向偏離±60°時到達覆蓋邊緣,需要切換到相鄰扇區(qū)工作。在±60°的切換角域,方向圖電平應該有一個合理的下降。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生重疊,會導致相鄰扇區(qū)干擾增加。

(5) 垂直面波束寬度。垂直面遠場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。

(6) 電下傾角度。該參數(shù)決定網絡覆蓋區(qū)中距離向性能的好壞。波束應該適當下傾,下傾角度最好使得最大輻射指向目標服務區(qū)的邊緣。若下傾太多,則服務區(qū)遠端的覆蓋電平會急劇下降;若下傾太少,則覆蓋區(qū)會在服務區(qū)外,且會產生同頻干擾問題,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)是抑制同頻干擾或導頻污染的重要指標。通常僅需考察水平面方向圖的前后比,并特指后向±30°范圍內的最差值。前后比指標越差,后向輻射就越大,對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導頻污染的重要指標?；就ǔ２捎?3～15 dBi的低增益天線,大下傾角作微蜂窩覆蓋,此時主波束的上側第1旁瓣、第2旁瓣指向前方同頻小區(qū)的可能性很大,這就要求在設計天線時,設法對上旁瓣進行抑制,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。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°的扇形服務區(qū)內,交叉極化方向圖電平應該比相應角度上的主極化電平有明顯的降低,其差別(交叉極化比)在最大輻射方向應大于15 dB,在±60°內應大于10 dB,最低也應該大于7 dB,只有這樣才可以認為兩極化端口接收到的信號互不相關。

(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[6]建議以波束寬度的10%為指標,如對于波束寬度65°天線,波束偏移指標為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強的偏差程度[7],文獻[7]建議考察±60°邊緣的場強偏差或者3 dB點的角度差。

(12) 下零點填充。該參數(shù)是在某些特殊場景有限減少盲點的輔助指標。在天線設計時,對下零點進行適當填充,就可能減少掉話率。

(13) 方向圖圓度。該參數(shù)用來評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 天線場區(qū)特點

根據陣列天線理論,天線周圍的輻射場區(qū)可以劃分為感應近場區(qū)、輻射近場區(qū)和遠場區(qū),如圖4所示。

圖4 天線場區(qū)劃分示意

圖4中:λ為波長;D為天線口徑尺寸。

各類天線的結構、特性各有不同特點,分析它們的基礎都是電磁基本振子的輻射機理。下面以電基本振子的輻射為例,分析天線場區(qū)的特點和基本規(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線,其長度l遠小于波長λ,其半徑r遠小于l,同時振子沿線的電流I處處等幅同相。根據電磁場理論,在球坐標系原點O沿z軸放置的電基本振子在無限大自由空間中場強的表達式為:

(1)

(2)

由此可見,電基本振子的場強矢量由3個分量Hφ、Er、Eθ組成,每個分量都由幾項組成,它們與距離r有著復雜的關系。

(3)

保留(1)式中的最大項后,電基本振子的遠場區(qū)表達式為:

(4)

由(4)式可知,遠場區(qū)的性質與感應近場區(qū)完全不同,場強只有2個相位相同的分量(Eθ,Hφ)。遠場區(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個場區(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區(qū)別。因此,基本假設環(huán)境敏感區(qū)域到電磁輻射體的距離是較遠的,目前我國電磁輻射環(huán)境的監(jiān)測和影響評價方式基本上是建立在天線遠場區(qū)輻射特性基礎上的。

2 模型仿真分析

模型仿真實驗分為2個部分:① 采用CST電磁仿真軟件對天線進行仿真設計,主要以還原實際天線遠場方向圖為目標,力求設計的天線模型遠場方向圖與實際天線的吻合度較高;② 采用FEKO電磁仿真軟件,將已設計的天線放置在特定電大尺度場景中,針對不同天線基站及不同參數(shù)情況進行模型構建,分析公眾環(huán)境曝露情況,主要以求解出天線輻射近場區(qū)的電場值為目標。

2.1 CST電磁仿真

為了對基站天線主瓣方向上的近場變化規(guī)律作進一步研究,根據陣列天線理論,對提取的天線模型作近場場強仿真,然后與用天線輻射遠場公式得到的近場場強進行對比。本文選取城市中常見的ODV-065R15B型900 MHz波束寬度65°基站天線進行仿真與對比。天線產品性能參數(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)取值與天線產品相同。

遠場測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)信天線時的參數(shù),與用作收信天線的參數(shù)保持不變。實際上,理想的平面波是不存在的,在實際測試中,平面波是通過將一個已知特性的發(fā)射天線設置在遠處,向待測天線照射,當發(fā)射天線的波前陣面擴展到一定程度,可認為待測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,上述天線產品手冊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際天線性能相當,因此從仿真模型天線得到的結論可用于實際天線。

圖5 產品手冊上天線遠場方向圖

圖6 仿真模型遠場方向圖

2.2 FEKO電磁仿真

根據勾股定理及三角形邊長關系,有

(5)

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

L>2D2/λ

(6)

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

通過仿真,對下述3個方向上某些點的天線輻射場功率密度進行討論。

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,天線垂直面φ=0°、θ=87°、增益為13.71 dBi時,天線輻射場功率密度近場仿真值與遠場計算值對比見表1所列。

表1 φ、θ、增益取不同值時，天線輻射場功率密度近場仿真值與遠場計算值對比 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,近場仿真值較遠場計算值在近場范圍內略小;在天線水平面軸向φ=-32.5°、θ=90°,增益為12.53 dBi時,在近場范圍內近場仿真值小于遠場計算值;天線垂直面φ=0°、θ=87°方向上,增益為13.71 dBi時,在近場范圍內近場仿真值小于遠場計算值。

因此,無論是在垂直面還是在水平面,只要測量位置在天線遠場方向圖主波束的半功率波束寬度內,且天線方向圖一致,即可始終保證天線輻射場的功率密度近場輻射仿真值小于遠場公式計算值,可以用遠場計算值保守估計實際天線的近場輻射功率密度。

3 結 論

(1) 無論是在垂直面還是在水平面,只要測量位置在天線遠場方向圖主波束的半功率波束寬度內,天線輻射場的功率密度值始終存在遠場公式計算值大于近場輻射仿真值,因此,可以用遠場計算值保守估計實際天線的近場輻射功率密度。

(2) 驗證了天線近場區(qū)內功率密度采用遠場區(qū)公式計算值進行評價是保守和可行的,可為電磁防護距離提供理論依據。

(3) 目前在移動通信基站電磁輻射環(huán)境影響分析與評價中,一般根據文獻[1]中遠場軸向功率密度的計算公式推導出基站安全防護距離,對小于安全防護距離的敏感點,通過敏感點到天線的直線距離和水平距離來判斷敏感點是否位于垂直面副瓣,并對主瓣安全防護距離內副瓣各敏感點再進行功率密度計算,對小于副瓣安全防護距離的敏感點直接判定為不合格。這種方式簡化了計算,但對于近場區(qū)的敏感點并沒有計算出明確結果。本文研究結果表明,對于主瓣防護距離內的敏感點,只要按遠場公式計算的功率密度滿足評價標準,即可認為合格。