天线方向性函数在移动通信基站电磁环境影响预测中的应用探讨

天线方向性函数在移动通信基站电磁环境影响预测中的应用探讨
作者：张焜金陶陶
来源：《环境影响评价》2015年第05期
摘要：现行《辐射环境保护管理导则电磁辐射监测仪器和方法》（HJ/T 10.2—1996）中关于微波站远场区轴向功率密度的计算公式，是目前我国大多数移动通信基站在进行电磁环境影响预测与评价时所采用的预测模式。

该模式适用于天线远场区轴向（即最大辐射方向）功率密度的预测，却无法直接反映天线非轴向的电磁环境影响，而在现实情况中，环境敏感点往往不会处于天线轴向。

实际工作中发现利用均匀平面天线阵的方向性函数，能较好地拟合定向天线的方向性图，可将其应用于天线远场区非轴向电磁环境影响的预测与评价，但在实际应用中应该注意其仅适用于天线远场区的局限性，必要时需要根据实际情况判定其远场区范围，并结合类比监测数据进行预测结果的对比验证。

关键词：天线方向性函数；移动通信基站；电磁环境；影响预测
DOI： 10.14068/j.ceia.2015.05.014
中图分类号：X820.3 文献标识码：A 文章编号：2095-6444（2015）05-0057-06
目前我国大多数移动通信基站建设项目的电磁环境影响预测与评价，一般均采用《辐射环境保护管理导则电磁辐射监测仪器和方法》（HJ/T 10.2—1996）中对微波天线远场区轴向功率密度的预测模式[1]，即远场区轴向功率密度Pd：
Pd=P·G4·π·r2（1）
式中，P为天线发射平均功率，mW；G为天线增益；r为预测点与天线轴向距离，cm。

该模式适用于天线远场区轴向（即最大辐射方向）功率密度的预测，却无法反映天线非轴向区域的电磁环境影响，而现实中的环境敏感目标往往又不会处于天线轴向。

如果直接将天线轴向功率密度预测结果应用于非轴向区域的影响预测，并据此判定拟建基站的达标距离，将产生较大偏差[2]。

工业与信息化部于2009年5月发布并实施了《通信工程建设环境保护技术暂行规定》（YD 5039—2009），其中明确规定了在计算移动通信天线远场区功率密度时，应考虑天线的相对场强分布系数，即天线方向性函数f （θ，φ）。

天线远场区某观测点的功率密度S可按式（2）计算[3]，与天线的相对位置见图1。

Pd=PT×G4π·r2·fθ，φ·1r+ρ·fθ′，φ′·1r′2（2）
式中，PT为天线输入功率，W；G为天线最大增益（倍数）；f （θ，φ）为天线的相对场强分布系数（方向性函数），取值为0～1；θ为观测点至天线间连线与天线最大辐射方向的垂直夹角；φ为观测点至天线间连线与天线最大辐射方向的水平夹角；ρ为反射系数的绝对值，取值为0～1；r为观测点与天线之间的距离，m；r′为观测点与天线的地面镜像之间的距离，m。

对于微波站、卫星站和宽带无线接入站，由于天线的方向性很强，不需要考虑地面的反射，取ρ=0。

因此，式（2）可简化为式（3）：
Pd=P·G4·π·r2·f2θ，φ（3）
然而不同类型天线的方向性函数也不尽不同，甚至同一种型号的天线也会有不同的参数和方向性图。

因此，如何正确合理地选择方向性函数是解决移动通信天线远场区（尤其是非轴向区域）电磁环境影响预测的关键问题。

在实际工作中发现，利用均匀平面天线阵阵因子（方向性函数）能较好地拟合移动通信定向天线的方向性图，并可将其应用于移动通信天线远场区非轴向电磁环境影响预测与评价。

1 关于方向性函数的选择
定向天线具有方向性，本质上是通过天线阵列及各阵子的馈电相位的变化来获得的，原理上与光的干涉效应十分相似。

所谓天线阵，就是由多个天线元按一定规律所组成的天线阵列，天线阵一般都由相同的天线元所组成，其空间取向一般也相同[4]。

工程天线里通常用两个互相垂直的主平面，即E平面（电力线所在平面）和H平面（磁力线所在平面）上的方向性图来代替空间方向性图[4]。

图2是典型移动通信天线主平面方向性图，图3是定向智能天线一般构造图[5]。

定向智能天线阵包括金属反射板2、天线罩1以及若干辐射单元列组成的辐射阵列5。

辐射阵列5设置在金属反射板2上，一般情况下至少并排设置两列以上辐射阵列，各个辐射阵列之间并联馈电，且相邻两个辐射阵列之间均增设至少一条与之并排纵长的金属隔离条3。

6、7为校准网络及其屏蔽盖，8是射频接头。

由图3及相关工程天线相关理论可知，定向天线阵列构造实为均匀平面天线阵。

根据天线阵方向性相乘原理，天线阵的总方向性函数等于单个天线元的方向性函数与阵因子的乘积[4]。

假设均匀平面天线阵以半波对称振子为基本单元，由m个水平天线元和n个垂直天线元及反射板构成，则该天线阵的归一化方向性函数f （θ，φ）可以写为式（4）[6]：
fθ，φ=feθ，φ×fmθ，φ×fnθ，φ×f反射板θ，φ
=cosπ2cosθsinθ天线元（半波振子）方向性函数×sinm2κdycosψy+δym·sin12κdycosψy+δym 元水平均匀直线天线阵阵因子×sinn2κdzcosψz+δzn·sin12κdzcosψz+δzn元垂直均匀直线天线阵阵因子×cosπ4cosψx-12元端射阵阵因子（拟合反射板）（4）
式中，m、n分别为天线阵中水平、垂直天线振子个数；κ=2π/λ是自由空间的相移常数；dy、dz分别为水平、垂直相邻天线元的间距；ψy、ψz、ψx分别为观测点至天线间连线与天线阵水平、垂直、法线轴线的夹角；δy、δz分别为水平、垂直相邻天线元电流相位差。

2 天线方向性图的拟合
在实际环境影响预测与评价工作中，建设单位一般很难提供定向天线水平和垂直元个数m、n及其相邻间距dm、dn等机械参数。

因此无法直接应用式（4）进行天线方向性图的拟合。

然而天线型号、天线工作频段、归一化方向性图（波瓣图）、垂直/水平半功率角
（2ψ0.5）及机械下倾角等天线电参数一般却可以获得。

由工程天线的相关理论可知，对于等幅同相均匀直线边射阵，天线元相位差δ=0，而阵因子主瓣宽度2ψ0.5可由公式（5）[4]求出：
2ψ0.5=0.886λndsinψm弧度=51°λndsinψm（5）
对于边射阵，最大辐射方向在与天线阵轴相垂直的平面内，即ψm=90°，则
2ψ0.5=51°λnd。

因此，在已知水平和垂直方向主瓣宽度2ψy0.5和2ψz0.5时，可以将水平和垂直天线元的数目m、n（拟合系数）代入公式（4），即可得出天线阵的水平和垂直方向性函数——式（6）和式（7）[6]，并以此拟合天线水平和垂直平面方向性图。

fmθ，φ=sin160°2ψy0.5cosψym·sin160°m·2ψy0.5cosψy×cosπ4cosφ-1（6）
fnθ，φ=sin160°2ψz0.5cosψzn·sin160°n·2ψz0.5cosψz×cosπ4sinθ-1（7）
可以看出利用均匀平面天线阵阵因子拟合的天线方向性图（图4）与天线出厂时测试的方向性图（图2）基本吻合，主瓣宽度也基本一致。

3 电磁环境影响预测应用
由于目前移动通信基站一般采用三扇区一体化定向天线，即三个定向天线平均各覆盖一个120°的扇区，定向天线的水平半功率角一般都在65°±5°，各个扇区的能量辐射的水平方向性很弱（基本均匀分布），因此，在进行电磁环境影响预测时，可以从保守角度不考虑天线的水平方向性，而只考虑天线的垂直方向性，以便在保证计算精度的同时使得预测方法尽量简化。

以某通信公司TD-SCDMA单网络移动通信基站建设项目为例，输入拟建通信天线的功率密度、增益系数、水平/垂直半功率角等相关技术参数（详见表1），利用均匀平面天线阵垂直方向性函数，即公式（6），对拟建移动通信基站天线轴向垂直平面的电磁环境影响进行理论预测，可以得出天线下方不同高差水平方向不同距离的功率密度预测值（详见图6）及等值线图（详见图7）。

最终可以根据预测结果结合相关导则标准规定的控制限值推算出拟建通信基站天线的电磁环境达标距离。

根据《辐射环境保护管理导则电磁辐射环境影响评价方法与标准》（HJ/T 10.3—1996）4.2条相关规定，为使公众受到的总照射剂量小于GB 8072的规定值，对于单个项目的影响必须控制在GB 8072限值的若干分之一。

在评价时，对于由国家环境保护部负责审批的大型项目可取GB 8702中场强限值的1/2，或功率密度限值的1/2；其他项目则取场强限值的1/5，或功率密度限值的1/5[7]。

《电磁环境控制限值》（GB 8702—2014）中关于公众暴露控制限值规定，30～3000 MHz 频率范围等效平面波功率密度限值为0.4 W/m2[8]。

因此，单个基站项目天线功率密度管理目标值取功率密度限值的1/5，即8 μW/cm2。

对于表1所举实例中的移动通信天线，其远场轴向功率密度为8 μW/cm2时，所对应的直线达标距离rmax=100P×G4π×8=100×15×19.284π×8≈17.0 m。

其对应的水平达标距离r水平=16.85m，垂直达标距离r垂直=2.9 m。

在实际工作中考虑到人的身高因素，垂直达标距离一般设定为5 m。

当然对于不同类型的通信网络、不同型号的定向天线以及不同的预设参数，将会得出不同的预测结果。

但依照上述方法都可以根据预测结果得出定向天线电磁环境水平和垂直方向达标距离，并以此作为工程电磁环境影响保护措施。

4 应用局限性探讨
然而利用上述预测方法得出的电磁环境达标距离有一定的局限性，那就是它只适用于天线的远场区，而对于天线的近场区则不一定适用。

根据麦克斯韦电磁学及工程天线的相关理论，天线远场区范围可按式（8）[3]划分：
r>2·D2λ（8）
式中，D为天线的最大尺寸，m；λ为波长，m。

表2是各类型移动通信网络典型定向天线近场区的最大边界范围，为充分说明天线工作频段对近场区的影响，假设天线最大尺寸均为1 m。

由表2可以看出，在天线最大尺寸不变的情况下，天线工作频段越大，其近场区边界范围也越大。

尤其对于目前全国正在建设的4G网络TDLTE系统，天线的工作频段可达2 555～2 655 MHz，对应的近场区范围可达到17.6 m，对于尺寸超过1 m的天线，近场区范围将更大。

由于天线的近场区主要是感应场，其场强与距离r的高次方成反比，所以近场区场强随距离的增加而迅速减小，电磁能量只在场源和场之间来回震荡，几乎没有能量向外辐射[9]。

那么当用天线远场区的预测公式计算得出的达标距离小于天线近场区边界范围时，该预测公式的适用性及其计算结果的可靠性就需要用类比的实测数据进行对比论证。

图8是某通信公司4G网络TDLTE系统定向天线垂直主平面内高差5 m功率密度理论预测值与实际监测值的对比图。

从图中可以看出，在天线远场区范围（>17.6 m），功率密度实测值与预测值基本接近，衰减规律也比较吻合；但在近场区范围（≤17.6 m），由于电磁场变化的复杂性以及环境条件的限制，实际监测值与理论预测值有较大差距，且实测值一般大于预测值。

《辐射环境保护管理导则电磁辐射监测仪器和方法》（HJ/T 10.2—1996）给出了天线近场区最大功率密度Pdmax的计算公式：
Pdmax=4·PTS（9）
式中，PT为送入天线净功率，W；S为天线实际几何面积，cm2。

但上式给出的预测值，是对于具有正方形口面和圆锥形口面天线（其精度
5 结论
利用均匀平面天线阵阵因子（方向性函数）能较好地拟合移动通信定向天线的方向性图，可将其应用于天线远场区非轴向区域的电磁环境影响预测与评价。

但在实际应用中应该注意其仅适用于天线远场区的局限性，必要时需要根据实际情况判定其远场区范围，并结合类比监测数据进行预测结果的对比验证，从而为准确提出电磁环境达标距离等环境保护措施提供可靠的参考依据。

参考文献（References）：
[1] 国家环境保护局. HJ/T 10.2—1996 辐射环境保护管理导则电磁辐射监测仪器和方法[S]. 北京：中国环境科学出版社， 1996.
[2] 刘泽斌. 归一化方向性函数在GSM移动通信基站环境影响评价中的应用[J]. 环境工程，2013， 31（S1）： 645-648.
[3] 工业和信息化部. YD 5039—2009 通信工程建设环境保护技术暂行规定[S]. 北京：北京邮电大学出版社， 2009.
[4] 王保志. 微波技术与工程天线[M]. 北京：人民邮电出版社， 1991： 208-233.
[5] 中国移动通讯有限公司. QB-A-030-2010 TD-SCDMA智能天线阵列设备规范[S]. 2010.
[6] 周睿东，刘宝华，杨旭福，等. 共建共享移动通信基站的电磁辐射预测模式[J]. 中国辐射卫生， 2011， 20（4）： 485-487.
[7] 国家环境保护局. HJ/T 10.3—1996 辐射环境保护管理导则电磁辐射环境影响评价方法与标准[S]. 北京：中国环境科学出版社， 1996.
[8] 环境保护部，国家质量监督检验检疫总局. GB 8702—2014 电磁环境控制限值[S]. 北京：中国环境科学出版社， 2015.
[9] 王新稳，李延平，李萍. 微波技术与天线（第三版）[M]. 北京：电子工业出版社，2011： 184-186.
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