天線方向性函數在移動通信基站電磁環境影響預測中的應用探討

張焜　金陶陶

摘要：現行《輻射環境保護管理導則 電磁輻射監測儀器和方法》（HJ/T 10.2—1996）中關于微波站遠場區軸向功率密度的計算公式，是目前我國大多數移動通信基站在進行電磁環境影響預測與評價時所采用的預測模式。該模式適用于天線遠場區軸向（即最大輻射方向）功率密度的預測，卻無法直接反映天線非軸向的電磁環境影響，而在現實情況中，環境敏感點往往不會處于天線軸向。實際工作中發現利用均勻平面天線陣的方向性函數，能較好地擬合定向天線的方向性圖，可將其應用于天線遠場區非軸向電磁環境影響的預測與評價，但在實際應用中應該注意其僅適用于天線遠場區的局限性，必要時需要根據實際情況判定其遠場區范圍，并結合類比監測數據進行預測結果的對比驗證。

關鍵詞：天線方向性函數；移動通信基站；電磁環境；影響預測

DOI： 10.14068/j.ceia.2015.05.014

中圖分類號：X820.3 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6444（2015）05-0057-06

目前我國大多數移動通信基站建設項目的電磁環境影響預測與評價，一般均采用《輻射環境保護管理導則 電磁輻射監測儀器和方法》（HJ/T 10.2—1996）中對微波天線遠場區軸向功率密度的預測模式[1]，即遠場區軸向功率密度Pd：

Pd=P·G4·π·r2（1）

式中，P為天線發射平均功率，mW；G為天線增益；r為預測點與天線軸向距離，cm。

該模式適用于天線遠場區軸向（即最大輻射方向）功率密度的預測，卻無法反映天線非軸向區域的電磁環境影響，而現實中的環境敏感目標往往又不會處于天線軸向。如果直接將天線軸向功率密度預測結果應用于非軸向區域的影響預測，并據此判定擬建基站的達標距離，將產生較大偏差[2]。

工業與信息化部于2009年5月發布并實施了《通信工程建設環境保護技術暫行規定》（YD 5039—2009），其中明確規定了在計算移動通信天線遠場區功率密度時，應考慮天線的相對場強分布系數，即天線方向性函數f （θ， φ）。

天線遠場區某觀測點的功率密度S可按式（2）計算[3]，與天線的相對位置見圖1。

Pd=PT×G4π·r2·fθ，φ·1r+ρ·fθ′，φ′·1r′2（2）

式中，PT為天線輸入功率，W；G為天線最大增益（倍數）；f （θ， φ）為天線的相對場強分布系數（方向性函數），取值為0～1；θ為觀測點至天線間連線與天線最大輻射方向的垂直夾角；φ為觀測點至天線間連線與天線最大輻射方向的水平夾角；ρ為反射系數的絕對值，取值為0～1；r為觀測點與天線之間的距離，m；r′為觀測點與天線的地面鏡像之間的距離，m。

對于微波站、衛星站和寬帶無線接入站，由于天線的方向性很強，不需要考慮地面的反射，取ρ=0。因此，式（2）可簡化為式（3）：

Pd=P·G4·π·r2·f2θ，φ（3）

然而不同類型天線的方向性函數也不盡不同，甚至同一種型號的天線也會有不同的參數和方向性圖。因此，如何正確合理地選擇方向性函數是解決移動通信天線遠場區（尤其是非軸向區域）電磁環境影響預測的關鍵問題。

在實際工作中發現，利用均勻平面天線陣陣因子（方向性函數）能較好地擬合移動通信定向天線的方向性圖，并可將其應用于移動通信天線遠場區非軸向電磁環境影響預測與評價。

1 關于方向性函數的選擇

定向天線具有方向性，本質上是通過天線陣列及各陣子的饋電相位的變化來獲得的，原理上與光的干涉效應十分相似。所謂天線陣，就是由多個天線元按一定規律所組成的天線陣列，天線陣一般都由相同的天線元所組成，其空間取向一般也相同[4]。

工程天線里通常用兩個互相垂直的主平面，即E平面（電力線所在平面）和H平面（磁力線所在平面）上的方向性圖來代替空間方向性圖[4]。

圖2是典型移動通信天線主平面方向性圖，圖3是定向智能天線一般構造圖[5]。

定向智能天線陣包括金屬反射板2、天線罩1以及若干輻射單元列組成的輻射陣列5。輻射陣列5設置在金屬反射板2上，一般情況下至少并排設置兩列以上輻射陣列，各個輻射陣列之間并聯饋電，且相鄰兩個輻射陣列之間均增設至少一條與之并排縱長的金屬隔離條3。6、7為校準網絡及其屏蔽蓋，8是射頻接頭。

由圖3及相關工程天線相關理論可知，定向天線陣列構造實為均勻平面天線陣。根據天線陣方向性相乘原理，天線陣的總方向性函數等于單個天線元的方向性函數與陣因子的乘積[4]。

假設均勻平面天線陣以半波對稱振子為基本單元，由m個水平天線元和n個垂直天線元及反射板構成，則該天線陣的歸一化方向性函數f （θ， φ）可以寫為式（4）[6]：

fθ，φ=feθ，φ×fmθ，φ×fnθ，φ×f反射板θ，φ

=cosπ2cosθsinθ天線元（半波振子）方向性函數×sinm2κdycosψy+δym·sin12κdycosψy+δym元水平均勻直線天線陣陣因子×sinn2κdzcosψz+δzn·sin12κdzcosψz+δzn元垂直均勻直線天線陣陣因子×cosπ4cosψx-12元端射陣陣因子（擬合反射板）（4）

式中，m、n分別為天線陣中水平、垂直天線振子個數；κ=2π/λ是自由空間的相移常數；dy、dz分別為水平、垂直相鄰天線元的間距；ψy、ψz、ψx分別為觀測點至天線間連線與天線陣水平、垂直、法線軸線的夾角；δy、δz分別為水平、垂直相鄰天線元電流相位差。

2 天線方向性圖的擬合

在實際環境影響預測與評價工作中，建設單位一般很難提供定向天線水平和垂直元個數m、n及其相鄰間距dm、dn等機械參數。因此無法直接應用式（4）進行天線方向性圖的擬合。

但上式給出的預測值，是對于具有正方形口面和圓錐形口面天線（其精度<±3 dB）情況下，天線近場區內的最大功率密度值[1]，即該預測值只適用于口徑面天線，不適用于均勻平面天線陣，而且利用該公式計算出的最大功率密度值很難準確反映天線近場區場強的分布情況，因此在進行相關理論預測時一般很少應用。

5 結論

利用均勻平面天線陣陣因子（方向性函數）能較好地擬合移動通信定向天線的方向性圖，可將其應用于天線遠場區非軸向區域的電磁環境影響預測與評價。但在實際應用中應該注意其僅適用于天線遠場區的局限性，必要時需要根據實際情況判定其遠場區范圍，并結合類比監測數據進行預測結果的對比驗證，從而為準確提出電磁環境達標距離等環境保護措施提供可靠的參考依據。

參考文獻（References）：

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