福建省輻射環(huán)境監(jiān)督站 陳瓊霞 高一弘
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移動(dòng)通信基站天線近場(chǎng)效應(yīng)影響分析
福建省輻射環(huán)境監(jiān)督站陳瓊霞高一弘
該文介紹了移動(dòng)通信基站天線的近場(chǎng)效應(yīng),推導(dǎo)出該效應(yīng)的修正因子公式,并通過(guò)計(jì)算幾種常見(jiàn)類型天線的近場(chǎng)效應(yīng)修正因子,得出修正因子隨距離變化的規(guī)律,對(duì)近場(chǎng)效應(yīng)的影響范圍進(jìn)行了分析。研究表明,常見(jiàn)天線近場(chǎng)效應(yīng)在距天線5m外影響較小。
基站天線 近場(chǎng)效應(yīng)
微波頻段天線產(chǎn)生的電磁場(chǎng)區(qū)主要為遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)和輻射近場(chǎng)區(qū)(以下簡(jiǎn)稱“近場(chǎng)區(qū)”),近場(chǎng)區(qū)和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的分界點(diǎn)距離為2D2/λ[1],其中D為天線的最大尺寸,λ為天線的工作波長(zhǎng),一般D>>λ。對(duì)于由多個(gè)輻射單元組成的邊射陣天線,在天線遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的觀測(cè)點(diǎn),各輻射單元到觀測(cè)點(diǎn)的連線可近似看作是平行線,其輻射功率密度分布符合天線方向性圖;在天線近場(chǎng)區(qū)的觀測(cè)點(diǎn),由于天線有一定長(zhǎng)度,各輻射單元到觀測(cè)點(diǎn)的連線明顯不平行,有一定交角,改變了各輻射單元到觀測(cè)點(diǎn)的波程差和相位差,因此近場(chǎng)區(qū)輻射功率密度分布偏離天線方向性圖,其正前方功率密度降低,而且波瓣寬度略有增加,此為微波頻段天線的近場(chǎng)效應(yīng)??紤]該效應(yīng)時(shí),天線輻射主瓣軸向的實(shí)際功率密度值應(yīng)在原有值上乘以一個(gè)因子,該因子為天線近場(chǎng)效應(yīng)修正因子fnf。根據(jù)近場(chǎng)效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理,垂直于邊射陣天線方向的近場(chǎng)效應(yīng)最大,且該方向基本為天線的最大輻射方向(電下傾天線最大輻射方向略微偏離正前方),因此本文僅討論天線正前方的近場(chǎng)效應(yīng)。
移動(dòng)通信基站定向發(fā)射天線一般由反射板前、沿垂直方向直線排列的對(duì)稱振子組成,對(duì)稱振子中心之間相距約為 1個(gè)工作波長(zhǎng),對(duì)稱振子及其在反射板上的鏡像振子組成輻射單元,這些輻射單元直線排列為邊射直線陣。天線的最大尺寸D即為天線(在垂直方向的)長(zhǎng)度,由2n個(gè)對(duì)稱振子以工作波長(zhǎng)λ等間距直線排列組成,對(duì)于天線正前方距離為X的觀測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖1),第i個(gè)振子中心(i=1,2,…,n)到觀測(cè)點(diǎn)的波程為:
圖1 觀測(cè)點(diǎn)到不同振子的波程
各對(duì)稱振子中心到觀測(cè)點(diǎn)不完全同相,各振子中心到觀測(cè)點(diǎn)的波程采用(1)式的計(jì)算值,觀測(cè)點(diǎn)的波振幅正比于下列近場(chǎng)效應(yīng)因子(該因子在距天線遠(yuǎn)處取值為1):
為表達(dá)簡(jiǎn)潔起見(jiàn),在(2)式中記
由于其中k=2π/λ,所以a =X4/πλ
根據(jù)(2)式,計(jì)算出近場(chǎng)效應(yīng)因子fnf值,發(fā)現(xiàn)以dB數(shù)表示的fnf值基本與X的平方值成反比,fnf值可表示為:
(4)式表明近場(chǎng)效應(yīng)使得天線正前方場(chǎng)強(qiáng)降低,式中的c值主要取決于天線長(zhǎng)度和工作波長(zhǎng)。
采取現(xiàn)階段較常用的幾種天線參數(shù)(見(jiàn)表1),以及(2)式、(3)式,計(jì)算出與各天線不同距離X處的近場(chǎng)效應(yīng)因子fnf值,如圖2所示。不同天線的fnf=-1dB和-3dB的相應(yīng)距離見(jiàn)表2。c值與與觀測(cè)點(diǎn)到天線距離X的關(guān)系見(jiàn)圖3。
表1 近場(chǎng)效應(yīng)因子fnf計(jì)算參數(shù)
表2 不同天線的fnf=-1dB和-3dB的相應(yīng)距離(m)
圖2 不同天線的近場(chǎng)效應(yīng)因子與距離關(guān)系圖
圖3 c值與觀測(cè)點(diǎn)到天線距離X的關(guān)系
表3 不同天線的c0值
由表2及圖1可知,僅在天線附近的小范圍內(nèi),近場(chǎng)效應(yīng)才比較顯著。特別是在城市市區(qū)使用的長(zhǎng)度 1.3m左右的GSM900、DCS1800單頻或雙頻天線、TD-SCDMA和TD-LTE天線,距天線5m外的近場(chǎng)效應(yīng)因子fnf>-1dB(>0.8倍),近場(chǎng)效應(yīng)的影響范圍較小。
在一定的天線參數(shù)下,c值與距離X有較弱的相關(guān),由圖2可見(jiàn),對(duì)于現(xiàn)階段常用的4種天線,在2~5m之外,c值變化不大,在遠(yuǎn)處趨近于一個(gè)常數(shù)c0。
[1] Kraus,J.D.,Marhefka,R.J. 章文勛譯. 天線(上冊(cè))[M].北京: 電子工業(yè)出版社,2011.