高鹏程, 田 丰, 彭书传

(1.合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009;2.安徽长之源环境工程有限公司,安徽 合肥 230088)

随着经济不断发展,我国城市化进程不断推进,移动通信基站在城市人口密集区的布站数量也日益增多,使得基站越来越接近人群密集区域;同时虽然各种美化形式天线和隐蔽形式天线的普及使得移动通信基站可以更好地融入周围的环境,减少了人们对电磁环境影响的抵触,但是进一步增加了环境敏感区域进入天线近场的可能性。因此,现有的电磁辐射环境影响分析与评价方法[1]已不能满足基站近场区电磁辐射环境的管理。

为了满足日益增长的电磁辐射环境保护要求,建立可以精确预测的模型是非常必要的[2]。本文通过建立基站天线的仿真模型,定量分析移动通信基站近场电磁辐射的分布规律[3],采用远场计算公式得出近场辐射特性,并对比仿真值与计算值的差异[4],为准确预测移动基站电磁防护距离提供相应依据。

1 近场理论分析

天线是将传输线中的电磁能转化成自由空间的电磁波,或将空间电磁波转化成传输线中的电磁能的专用设备。在移动网络通信中,需要保证从基站天线到用户手机天线,或从用户手机天线到基站天线的连接运行质量,由此而产生的电磁辐射强度和范围与天线有着密切的联系。

移动通信基站一般分为全向站和定向站,全向站通常建于覆盖范围的中心,采用全向天线,系统容量小,主要应用在乡镇;定向站通常建于覆盖范围的顶点,采用定向天线,系统容量高,主要应用在城区。

从电磁辐射的角度看,全向站由于天线增益小,位于人员较少的地区,对周围环境的辐射影响较小;定向站的天线增益大,位于人口密集的区域,对周围环境的辐射影响较大[5]。

基站天线远场方向图如图1所示。

图1 基站天线远场方向图

1.1 移动通信基站天线电路参数

(1) 电压驻波比。该参数为传输线上的电压最大值与电压最小值之比。当天线端口没有反射时,就是理想匹配,驻波比为1.0。一般基站天线对驻波比的设计要求为工作频段内电压驻波比小于1.5,这样可以保证天线端口馈入信号的反射功率不大于4.0%。

(2) 异极化端口隔离度。该参数是指双极化天线中两极化端口之间的隔离,表现为从某一极化端口接收到另一极化端口信号的比例。隔离度的一般要求为低于28 dB。

(3) 三阶交调。该参数是指在射频通讯系统中进行调节,以确保天线发射的交调干扰不影响接收机的灵敏度。

(4) 水平面波束宽度。基站天线架设采用三扇区结构,如图2所示。

图2 三扇区基站天线示意

每个扇区的天线在最大辐射方向偏离±60°时到达覆盖边缘,需要切换到相邻扇区工作。在±60°的切换角域,方向图电平应该有一个合理的下降。若电平下降太多,则在切换角域附近容易引起覆盖盲区掉话;若电平下降太少,则在切换角域附近覆盖产生重叠,会导致相邻扇区干扰增加。

(5) 垂直面波束宽度。垂直面远场方向图的半功率波束宽度通常为14°或7°,其选择与覆盖范围要求、电下倾角度相关。

(6) 电下倾角度。该参数决定网络覆盖区中距离向性能的好坏。波束应该适当下倾,下倾角度最好使得最大辐射指向目标服务区的边缘。若下倾太多,则服务区远端的覆盖电平会急剧下降;若下倾太少,则覆盖区会在服务区外,且会产生同频干扰问题,如图3所示。

(7) 天线增益。天线增益越高,方向性越好,主波束越窄,辐射能量越集中,但增益越高的天线往往尺寸越大。

(8) 方向图前后比。该参数是抑制同频干扰或导频污染的重要指标。通常仅需考察水平面方向图的前后比,并特指后向±30°范围内的最差值。前后比指标越差,后向辐射就越大,对该天线后面的覆盖小区造成干扰的可能性就越大。

图3 垂直面波束下倾示意

(9) 上旁瓣抑制。该参数也是抑制同频干扰或导频污染的重要指标。基站通常采用13～15 dBi的低增益天线,大下倾角作微蜂窝覆盖,此时主波束的上侧第1旁瓣、第2旁瓣指向前方同频小区的可能性很大,这就要求在设计天线时,设法对上旁瓣进行抑制,从而降低干扰。

(10) 交叉极化比。该参数是极化分集效果优劣的指标。为了获得良好的上行分集增益,要求双极化天线具有良好的正交极化特性,即在±60°的扇形服务区内,交叉极化方向图电平应该比相应角度上的主极化电平有明显的降低,其差别(交叉极化比)在最大辐射方向应大于15 dB,在±60°内应大于10 dB,最低也应该大于7 dB,只有这样才可以认为两极化端口接收到的信号互不相关。

(11) 波束偏移及方向图一致性。波束偏移指最大辐射方向偏离天线法线方向的角度[6],文献[6]建议以波束宽度的10%为指标,如对于波束宽度65°天线,波束偏移指标为6°。方向图一致性表征双极化天线±45°极化方向图各角度方向辐射场强的偏差程度[7],文献[7]建议考察±60°边缘的场强偏差或者3 dB点的角度差。

(12) 下零点填充。该参数是在某些特殊场景有限减少盲点的辅助指标。在天线设计时,对下零点进行适当填充,就可能减少掉话率。

(13) 方向图圆度。该参数用来评估全向天线均匀覆盖效果,一般考察水平面方向图的圆度。

1.2 天线场区特点

根据阵列天线理论,天线周围的辐射场区可以划分为感应近场区、辐射近场区和远场区,如图4所示。

图4 天线场区划分示意

图4中:λ为波长;D为天线口径尺寸。

各类天线的结构、特性各有不同特点,分析它们的基础都是电磁基本振子的辐射机理。下面以电基本振子的辐射为例,分析天线场区的特点和基本规律。

电基本振子又称电流源,是指一段理想的高频电流直导线,其长度l远小于波长λ,其半径r远小于l,同时振子沿线的电流I处处等幅同相。根据电磁场理论,在球坐标系原点O沿z轴放置的电基本振子在无限大自由空间中场强的表达式为:

(1)

(2)

由此可见,电基本振子的场强矢量由3个分量Hφ、Er、Eθ组成,每个分量都由几项组成,它们与距离r有着复杂的关系。

(3)

保留(1)式中的最大项后,电基本振子的远场区表达式为:

(4)

由(4)式可知,远场区的性质与感应近场区完全不同,场强只有2个相位相同的分量(Eθ,Hφ)。远场区有能量沿r方向向外辐射,其坡印廷矢量(Poynting vector)平均值为:

虽然上述3个场区的基本公式和特性得自天线基本振子,但是由天线理论可知,任意形式的天线都可以看成是天线基本振子的线性组合,因此主要特性不存在本质区别。因此,基本假设环境敏感区域到电磁辐射体的距离是较远的,目前我国电磁辐射环境的监测和影响评价方式基本上是建立在天线远场区辐射特性基础上的。

2 模型仿真分析

模型仿真实验分为2个部分:① 采用CST电磁仿真软件对天线进行仿真设计,主要以还原实际天线远场方向图为目标,力求设计的天线模型远场方向图与实际天线的吻合度较高;② 采用FEKO电磁仿真软件,将已设计的天线放置在特定电大尺度场景中,针对不同天线基站及不同参数情况进行模型构建,分析公众环境曝露情况,主要以求解出天线辐射近场区的电场值为目标。

2.1 CST电磁仿真

为了对基站天线主瓣方向上的近场变化规律作进一步研究,根据阵列天线理论,对提取的天线模型作近场场强仿真,然后与用天线辐射远场公式得到的近场场强进行对比。本文选取城市中常见的ODV-065R15B型900 MHz波束宽度65°基站天线进行仿真与对比。天线产品性能参数取值如下:工作频率为900 MHz,天线增益为15.5 dBi,垂直面波束形成半功率宽度为14°,垂直面最大副瓣电平为-10 dB,水平面波束形成半功率宽度为65°,水平面前后比为30 dB,天线长度为1 415 mm。仿真模型中,水平面前后比为37 dB,其余参数取值与天线产品相同。

远场测试原理是用已知特性参数的平面波照射天线,得到天线的接收特性参数,然后利用天线的互易性原理,得到天线的传播特性参数。互易性原理为:同一天线用作发信天线时的参数,与用作收信天线的参数保持不变。实际上,理想的平面波是不存在的,在实际测试中,平面波是通过将一个已知特性的发射天线设置在远处,向待测天线照射,当发射天线的波前阵面扩展到一定程度,可认为待测天线接收的是平面波照射。

天线的方向图能很好地表征该天线的辐射特性,上述天线产品手册上的天线方向图与模拟得到的方向图分别如图5、图6所示。

从图5、图6可以看出,仿真模型的天线性能与实际天线性能相当,因此从仿真模型天线得到的结论可用于实际天线。

图5 产品手册上天线远场方向图

图6 仿真模型远场方向图

2.2 FEKO电磁仿真

根据勾股定理及三角形边长关系,有

(5)

其中:L为待测天线中心到发射天线的距离;L′为待测天线的边缘到发射天线中心的距离。根据(5)式,可以求得:

L>2D2/λ

(6)

由(6)式可知,在天线的远场测量中,待测天线到发射天线的最近距离不小于2D2/λ。因此,将仿真模型的相关参数代入(6)式,可得天线远场范围约为14 m。

通过仿真,对下述3个方向上某些点的天线辐射场功率密度进行讨论。

天线水平面轴向φ取值为0°、-32.5°,θ=90°,增益为15.45、12.53 dBi时,天线垂直面φ=0°、θ=87°、增益为13.71 dBi时,天线辐射场功率密度近场仿真值与远场计算值对比见表1所列。

表1 φ、θ、增益取不同值时，天线辐射场功率密度近场仿真值与远场计算值对比 单位:W/m2

续表

由表1可知:在天线水平面轴向φ=0°、θ=90°,增益为15.45 dBi时,近场仿真值较远场计算值在近场范围内略小;在天线水平面轴向φ=-32.5°、θ=90°,增益为12.53 dBi时,在近场范围内近场仿真值小于远场计算值;天线垂直面φ=0°、θ=87°方向上,增益为13.71 dBi时,在近场范围内近场仿真值小于远场计算值。

因此,无论是在垂直面还是在水平面,只要测量位置在天线远场方向图主波束的半功率波束宽度内,且天线方向图一致,即可始终保证天线辐射场的功率密度近场辐射仿真值小于远场公式计算值,可以用远场计算值保守估计实际天线的近场辐射功率密度。

3 结 论

(1) 无论是在垂直面还是在水平面,只要测量位置在天线远场方向图主波束的半功率波束宽度内,天线辐射场的功率密度值始终存在远场公式计算值大于近场辐射仿真值,因此,可以用远场计算值保守估计实际天线的近场辐射功率密度。

(2) 验证了天线近场区内功率密度采用远场区公式计算值进行评价是保守和可行的,可为电磁防护距离提供理论依据。

(3) 目前在移动通信基站电磁辐射环境影响分析与评价中,一般根据文献[1]中远场轴向功率密度的计算公式推导出基站安全防护距离,对小于安全防护距离的敏感点,通过敏感点到天线的直线距离和水平距离来判断敏感点是否位于垂直面副瓣,并对主瓣安全防护距离内副瓣各敏感点再进行功率密度计算,对小于副瓣安全防护距离的敏感点直接判定为不合格。这种方式简化了计算,但对于近场区的敏感点并没有计算出明确结果。本文研究结果表明,对于主瓣防护距离内的敏感点,只要按远场公式计算的功率密度满足评价标准,即可认为合格。