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

张焜　金陶陶

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為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。

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<±3 dB）情况下，天线近场区内的最大功率密度值[1]，即该预测值只适用于口徑面天线，不适用于均匀平面天线阵，而且利用该公式计算出的最大功率密度值很难准确反映天线近场区场强的分布情况，因此在进行相关理论预测时一般很少应用。

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.