（环境科学专业论文）移动通信基站的电磁辐射仿真模拟及应用.pdf

a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fm o b i l e c o m m u n i c a t i o ni n c h i n a , t h e e l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o no fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nb a s es t a t i o na l s oc a u s e d e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n sw h i c hh a v ea r o u s e dw i d ep u b l i ca t t e n t i o n i no r d e rt o p r e v e n ts u c hp o l l u t i o n , i ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h es p a t i a ld i s t r i b u t i o n sa n d a t t e n u a t i o nf e a t u r e so ft h e e l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n , w h i c ha l s oc o n t r i b u t e s s i g n i f i c a n c e i nt h ed e s i g na n ds i t es e l e c t i o no f b a s es t a t i o n , e n v i r o n m e n t a l m o n i t o r i n gd i s t r i b u t i o n , a n de n v i r o n m e n t a li m p a c ta s s e s s m e n t t h e r e f o r e ，t h e a u t h o ro ft h i sp a p e ra d o p t se n g i n e e r i n ga n t e n n at h e o r yi nt h i sp a p e rt os t u d ya n d b u i l das i m u l a t i o nm o d e lo fe l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o nf r o mm o b i l ec o m m u n i c a t i o n b a s es t a t i o n 丽凼r e f e r e n c et oa l lo p e r a t i n gp a r a m e t e r so fb a s es t a t i o na n t e n n a 砀e s p a c ed i s t r i b u t i o nv i s u a l i z a t i o no fb a s es t a t i o ne l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o nc a l lb e r e a l i z e dw i t ht h eu s eo fm a t l a bs o f t w a r e a n do nt h eb a s i so fa p p l i c a b i l i t yt e s t s , s p a t i a ld i s t r i b u t i o na n da t t e n u a t i o nf e a t u r e so f b a s es t a t i o ne l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n h a sb e e nr e s e a r c h e dt h o r o u g h l y , 嬲w e l la st h e i ri n f l u e n c ef a c t o r s i nt h em e a n t i m e ， s o m ea p p l i e dv a l u eo ft h em o d e lh a sb e e nd i s c u s s e di nt h ef i e l do fe n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o nt a r g e ti d e n t i f i c a t i o n , s a f ep r o t e c t i o n z o n e c a l c u l a t i o n , a n dt h e e n v i r o n m e n t a li m p a c tp r e d i c t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o np o l l u t i o na n ds oo i l t h er e s u l tc a ni n d i c a t ea st h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) a ne x p e r i m e n t a ls c h e m eh a sb e e nd e s i g n e db a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c si n u s i n ge m e r g e n c yc o m m u n i c a t i o nv e h i c l et os i m u l a t et h ef r e es p a c e ；a n da l lt h e s a m et y p e so fb a s es t a t i o nc o n s t r u c t e di nt h es a m ep e r i o di ns o m ec i t yh a sb e e n m o n i t o r e da b o u te l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o np o l l u t i o no nt h eg r o u n d t h et e s t e d r e s u l tc a np r o v et h a ts i m u l a t i o nm o d e li sa c c u r a t ea n da p p l i c a b l e ( 2 ) s i m u l a t i o nr e s e a r c hi ne l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o no fb a s es t a t i o nh a ss h o w n t h a ts t r o n gd i r e c t i v i t ya n di n f l u e n c eo fe l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o nf r o ma n t e n n a c o n c e n t r a t e so nd i r e c t i o no fa n t e n n am a i nl o b e e l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o no fb a s e s t a t i o ni se f f e c t e db yp r o p a g a t i o nl o s sa n dd i r e c t i v i t ya l t e r n a t e l y , a n da t t e n u a t i o n t r e n di sf l u c t u a n t 、析t l ld i s t a n c ec h a n g e s ( 3 ) ms p a t i a ld i s t r i b u t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o nc a nb ea f f e c t e db yt h e f o l l o w i n gf a c t o r s ，s u c ha ss p r e a ds p a c e ，u n d e r l y i n gs u r f a c e ，m l e p h o n et r a f f i c ，a n d m u l t i p l ei n f l u e n c e sa n ds oo n ( 4 ) a p p l i c a t i o no fs i m u l a t i o nm o d e lo fb a s es t a t i o ne l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n i ns o m et y p i c a lc a s eh a ss h o w np r a c t i c a lv a l u e so ft h es i m u l a t i o nm o d e li ns i t e s e l e c t i o no f b a s es t a t i o na n de n v i r o n m e n t a li m p a c ta s s e s s m e n t k e y w o r d s ：m o b i l ec o m m u n i c a t i o n sb a s es t a t i o n ：e l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n ； s i m u l a t i o nm o d e l i l i 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新 的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实 的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机 构已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表 示了谢意。 作者签名：巍盈巨刍 日期：竺! ：鱼：z 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 掐辱教卿签惫： 丑瓤： 作者签名： 强盗巫垦 日 期：z 坐：l ： 第一章绪论 1 1 研究目的和意义 人类一直生活在电磁环境中。2 0 世纪以前，人类受到的电磁辐射主要来源于自然界。 信息化革命后电波技术及射频电子设备发展迅猛，应用日益广泛，深刻地改变了人类的生 活方式，人工电磁辐射成为公众照射的主要来源。2 0 世纪中后叶以后，移动通信成为通 信业的热点，逐渐发展成世界上应用最为广泛的通信手段，国际电信联盟统计报告 i 1 显示， 截止到2 0 0 9 年底，全球移动电话用户数达4 6 亿，普及率达6 7 。近些年，我国的移动 通信行业发展突飞猛进，根据工业和信息化部网站公布的数据1 2 j ，2 0 0 9 年1 1 0 月份我国 移动电话用户累计净增8 8 2 9 2 万户，总数达到7 2 9 5 3 7 万户，居世界第一。 移动通信在给人们带来方便的同时，也带来了电磁辐射污染问题。电磁辐射污染 3 9 1 是指人类使用产生电磁辐射的器具而泄露的电磁能量流转播到社区的室内外空气中，其量 超出本底值，且其性质、频率、强度和持续时间等综合影响而引起该区居民中一些人或众 多人的不适感，并使健康和福利受到恶劣影响。国内外学者普遍认为电磁辐射污染可能会 伤害生物体。电磁场作用于生物体，能引起两类生物效应。一类是使其温度升高，并由此 而引起的生理和病理变化的作用，这叫做热效应。大量实验表明，一定频率和功率的电磁 辐射照射在生物体上时，生物体内各层次的生物物质吸收电磁能后转变成为热能，当受照 射组织内吸收的能量远大于生物体的新陈代谢能力时，引起局部体温上升，会使组织的传 热机能产生混乱，最后导致组织的破坏和死亡。另一类电磁生物效应叫做非热效应，所谓 非热效应是指生物体受到低功率的电磁照射时，在不引起生物体温度明显升高的情况下所 出现的生理、病理反应。一些物种在他们的生活领域不断受到基站天线照射，长期影响会 降低其免疫能力、危害其健康状况，造成生殖能力日渐下降i i 叫。还有研究认为基站电磁 辐射可能会抑制植物的生长【1 2 以3 1 。因此目前国内外的研究所、医学部门、军事部门都非常 重视电磁辐射及其对设备和人体健康的影响的研究。 我国幅员辽阔，为保证移动通信网络的覆盖和质量，移动运营商建设了大量的移动通 信基站，不可避免地增大了环境电磁辐射水平，使基站电磁辐射环境问题引起社会和公众 的广泛关注。2 0 0 9 年，信息产业部向三大通信运营商发放了第三代移动通信牌照，进一 步加速了移动通信基站的建设，使得基站电磁辐射的环境问题更加尖锐。 在移动通信基站的运营过程中，常常会因为居民房屋进入天线保护距离内而涉及拆迁 问题，使得基站建设成本大大增加，甚至会带来社会问题。因此，如何在保证信号覆盖的 同时准确界定天线电磁辐射的影响范围，保证公众活动场所的电磁辐射达标，是基站电磁 辐射的需要重点研究的问题。研究天线周围的电磁场分布规律，并编写可视化仿真软件， 对基站天线的设计和建设具有很好的应用价值。 研究移动通信基站电磁辐射的传播理论和计算方法，建立仿真模型，并通过实际监测 数据检验模型的准确性和实用性。模型的建立对于移动通信基站的辐射环境管理、设计建 设、环境影响预测和评估具有重要的指导意义，对城市可持续发展、城市电磁辐射环境规 划和保护具有现实意义和深远的影响。 1 2 国内外研究现状 基站电磁辐射对人体影响主要是非热效应，基于移动通信基站的电磁辐射对人类以及 动植物的研究发现基站电磁辐射构成了动物减少的潜在原因并且长期生活在基站周围的 活体植物及人的健康有明显恶化趋势1 1 4 l 。针对基站的电磁辐射问题，早期国内外的研究 主要从确保天线传播信号的角度分析，研究方向重点关注天线远距离传播时电磁场信号的 强弱和分布规律，而随着移动通信基站的大规模建设，移动通信基站电磁辐射环境影响矛 盾日益突出，近些年，移动通信基站电磁辐射的时空分布、环境影响逐渐成为研究热点。 关于移动通信基站电磁辐射的特性和传播特性的分析方法主要有现场测量研究与理 论计算模拟。 在现场对移动通信基站场源的场分布进行测量，尽管容易受环境和周围物体的影响精 度较差，但是由于现场测量的结果更接近实际情况，国内外学者仍不乏应用【1 5 1 。a h a i - o t a i b i 掣坫】通过对科威特的2 6 个有代表性的移动基站进行现场监测，研究结果表明移 动基站的电磁辐射场强值主要位于o 0 5 1 1 3v m 之间，比试行标准e n v 5 0 1 6 6 2 1 1 7 】中规 定人体在电磁场下暴露限值低4 0 8 0 0 倍，最高的功率密度观测值为0 3 4t t w m 2 ，比试行 标准低1 0 0 0 多倍。谢志勇等【墙1 对移动通信基站周围环境电磁辐射水平进行监测，结果表 明基站在以最大负荷状况下进行工作时，其轴向距离1 0 m 处的电场强度的最大贡献值为 3 0 v m ，2 0 m 处为1 4 v m ，3 0 m 处为1 0 v m ，4 0 m 处为0 7 v m ，对周围环境电磁辐射 场照射剂量均小于g b 8 7 0 2 8 8 的规定值。王毅等l l9 】对北京市区近2 0 0 个移动电话基地站 电磁辐射进行的测试表明有部分移动通信网基站电磁辐射使居民区环境超标。戚风等1 2 0 】 对联通齐齐哈尔g s m 数字移动通信基站电磁辐射的测量与分析表明，。公众环境中功率密 度最大值为0 0 1 3pw c m 2 ，低于国家标准限值，但是建在高层居民楼群之中的移动基站， 使得基站周围环境电磁辐射有所增高。金侃等i zj j 通过对湖南省1 6 1 0 个移动通信基站电磁 2 辐射现场监测，结果表明大部分基站的电磁辐射强度符合国家标准，超标基站占被测基站 总数的o 2 ，且超标基站都是天线主瓣方向正对周围建筑物，且距离不足2 0 m 。臧瑞华 等f 2 2 】对建在市区人群比较集中的居民区和办公区的1 1 7 个移动通信台( 基) 站进行了监测， 布点主要选取移动通信台( 基) 站周围5 0 m 内的居民楼和办公楼的环境敏感点进行监测， 结果表明除个别架设移动通信天线的楼顶平台电磁辐射环境监测值超过国家有关标准外， 移动通信基站周围居民室内或办公室内等环境敏感点的电磁辐射功率密度监测值均小于 1 5l aw c m 2 。晁雷等瞄】通过对辽宁省境内移动通信基站的监测与调查得出监测点测值超 过电磁辐射防护规定( g b 8 7 0 2 8 8 ) 规定的公众总的受照射剂量值4 0 1 tw c m 2 的基站数 2 个，监测点测值超过单个设备容量8uw c m 2 的基站数1 6 个，超标原因主要是基站选址 和架设不合理。王学诚、姜维国纠啪5 1 通过对某市5 个不同类型、不同架设环境的g s m 基站的现场监测表明，电磁辐射监测值随高度衰减明显，地面点监测值全部低于国家标准， 超标点出现在主瓣方向，与天线挂高相近高度的建筑物上，认为如果基站建设合理布局、 设置得当能够达到国家标准限值。 大量实测和文献 2 6 - 2 8 1 都表明了功率密度是随着距离而衰减的。而张邦俊等2 9 1 通过移 动基站近距离区域电磁场分布连续2 4 h 监测与分析，研究正常工作日内基站周围近距离区 域电磁场功率密度随时间和距离的变化，以及功率密度的概率分布，并根据2 4 h 各时段内 的话务量，使用统计分析( s a s ) 系统对此影响因素进行相关性分析。认为在近距离区域， 功率密度随距离增加，在一定距离上出现峰值，峰值出现的距离与天线高度有关，一天内 移动基站天线附近电磁辐射随时间呈现明显的波动，其功率密度的概率分布接近正态分 布，手机的话务量与电磁场强度具有一定的相关性。 2 0 世纪6 0 年代以来随着电子计算机技术的发展，一些电磁场的数值计算方法也发展 了起来，并得到广泛的应用，其中主要有等效电荷法( e c m ) 1 3 0 - 3 1 1 、矩量法( m m ) 1 3 2 1 、 边界元法( b e m ) 3 3 】、有限元法( f e m ) 3 4 - 3 6 1 、有限差分法( f d t d ) 3 7 1 、传输线矩阵法 ( t l m ) 3 s l 、h a m 模型、o k u m u r a - h a t a 模型法【3 9 1 等。各种方法都具有自己的特点和局 限性，在实践中通常将他们相互配合而形成各种混合方法【4 0 j 。关于这些数值模拟方法在 移动通信基站电磁辐射方面的应用主要有二：一是广泛应用在生物电磁学中【4 h 们，研究生 物体对电磁能量的吸收和分布；另一方面则是根据移动通信基站电磁辐射的特性和传播特 性，研究天线远距离传播时电磁场信号的强弱和分布规律。 其中h a m 模型和o k u m u r a - h a t a 模型是现今移动通信公司建设新基站时计算覆盖范 围所经常采用的模型【5 0 】。o k u m u r a - h a t a 模型是以准平坦地形、大城市市区的路径损耗作 3 为参考，对其他传播环境和地形条件等因素分别以较正因子的形式进行修正。其频率适用 范围是1 5 0 m h z 到1 5 0 0 m h z 。目前使用的主要频段资源为8 0 0 - 9 0 0 m h z 。张延华等【5 1 1 对 大尺度传播预测模型的可视化计算问题进行了研究，应用先进仿真技术，通过对图形建模 涉及的多种资源进行可视化处理，实现了o k u m u r a - h a t a 模型的图形建模和可视化预测， 无需算法编程及调试，为蜂窝和陆地移动无线通信路径损耗预测提供一个全面的图形化解 决方案。张鑫掣5 2 1 根据对某城市郊环境下移动通信基站信号的实地测量，运用线性回归 法对o k u m u r a - h a t a 预测模型进行校正，并通过与实测数据的仿真对比，证实其预测准确 度得到了明显提高。而c o s t 2 3 1 - h a m 是h a t a 模型的扩展版本，其频率上限从1 5 0 0 m h z 扩展到了2 0 0 0 m h z ，该模型通过对众多城市的小区域覆盖范围内的电波损耗实测，修正 了h a t a 模型的参数，使之能够预测城市基站的小区域内覆盖，并适用于1 8 0 0 1 9 0 0 m h z 频段的信号覆盖预测f 5 3 】。这两种模型都是基于实测资料的统计分析所得出的经验模型和 公式 时域有限差分法( f d l d ) 从上世纪九十年代开始引入天线辐射特性的研究，应用最 为广泛。1 9 9 0 年，b o o n z a a i e r 和p i s t o r i u s 体s 5 1 运用f d t d 计算了细导线振子天线和细导线 八木天线的辐射特性。k a t z 等【5 6 1 用f d t d 分析t - 维和三维喇叭天线，t i r k a s 和b a l a n i s 5 7 1 也建立了三维喇叭天线的分析模型。顾媛嫒、吴先良【5 8 】通过时域有限差分法分析三维微 带天线的散射参数和远场主极化方向图和交叉极化方向图，仿真结果与文献及a n s o r 软件 的仿真结果进行了对比，证实了采用2 阶m u r 吸收边界条件的f d t d 算法的有效性。阎 玉波掣如】应用时域有限差分方法分析了置于理想导体平面上由同轴线馈电的具有轴对称 结构天线的瞬态及稳态辐射特性。通过应用网格共形技术及一维传输线方程模拟同轴线的 馈电，并在同轴线口径处计入了馈线与天线之间的相互耦合，大大地缩减了时域有限差分 法的计算空间，从而实现了复杂结构与加载情况天线的计算和分析。吴锋涛等【5 7 1 提出一 种在时域迭代中对等效面上的场进行傅立叶变换，时域迭代完后得到频域场，再进行频域 近远场变换求天线方向图的方法。此外，国内外学者还致力于采用多种数学手段的建模与 分析计算源附近的场分布 6 0 - 6 引。 运用m a t l a b 、c 抖等软件实现电磁场仿真模拟，也是当今电磁辐射研究的新的重要方 向。孙艳等【5 0 1 分析对比了电磁波的几种传播模型，探讨建立常见几种电磁辐射场的综合 仿真平台。郑木生【叫探讨了基于m a t l a b 语言实现电磁场中的f d t d 算法编程的方法。张 亮等【6 5 1 分析了f d t d 算法的基本原理及两种典型边界条件的算法特点，给出了m a n a b 语 言编程的步骤和应注意的问题，并给出了实际的仿真结果。s e r g e y n m a k a r o v 酌】在天线 4 理论 6 7 1 的基础上，应用m a t l a b 软件对基本的射频、无线通信天线及微波结构进行建模、 优化，由矩量法获得了全波解。 综上所述，现在的移动通信基站电磁模拟仿真多采用空间网络方法和时域有限差分法 ( f d t d ) ，但是复杂的边界条件( 包括几何轮廓) 限制了其在实际天线仿真中应用范围。 王保志撕8 1 认为，对于实际天线，我们可以用工程天线的方法来解决实际问题，即某种初 始场的近似分布代替真实的准确分布来计算辐射场，这样既避开了严格的电磁理论的计 算，又有一定的精确度。因此，从工程天线理论的角度，进行移动通信基站电磁辐射仿真 研究，应具有更好的实际应用价值。 1 3 研究内容和方法 本文从工程天线电磁辐射理论计算公式出发，研究基站天线各建设参数与电磁辐射值 的变化关系，推导基站天线的空间电磁辐射计算公式。运用m a t l a b 编程，仿真移动通信 基站电磁辐射场的分布和变化特征，将计算结果图形化、可视化。根据模型的检验需要分 别使用应急通讯车实测值和统计数据进行对比检验，通过实验检验和统计检验分别验证模 型的准确性和实用性，并分析检验结果，提出模型的完善方向。 本文从实际应用的角度出发，研究基站电磁辐射场仿真模型，结合实验监测的统计数 据，检验分析仿真结果。其主要研究内容包括： l ，分析移动通信系统的运行机理，推导基站天线电磁辐射空间计算公式，结合移动 基站天线的方向性函数，建立仿真模型。 2 、分实验和统计两种方法检验仿真模型，对比分析仿真结果和实际监测结果，检验 分析仿真模型，评估仿真模型的准确性和实用价值。 3 、研究造成仿真结果和统计结果差异的原因。通过计算公式对比传播空间差异的影 响；对典型基站i 进行2 4 小时监测，研究典型基站i 电磁辐射的话务量影响；对典型基 站i i 进行综合和选频测量，研究基站电磁辐射的复合影响。 4 、通过实例应用仿真模型识别环境保护目标，计算安全防护距离并预测电磁辐射环 境影响。 5 第二章资料与方法 2 1 基本理论 1 8 6 4 年，麦克斯韦在法拉第电磁感应定律的基础上，提出了变化着的电场产生磁场 及位移电流的假设，全面总结电磁现象的基本规律，系统阐述了电磁场理论。麦克斯韦方 程组说明单位电荷是静电场的源，变化的磁场可以产生感应电场：磁场是无源的，变化的 电场可以产生磁场。 根据经典电磁理论，导线上有交变电流流动时，就可以发生电磁波的辐射，而辐射的 能力与导线的长度和形状有关。如图2 1 ( a ) 所示，若两导线的距离很近，电场被束缚在 两导线之间，因而辐射很微弱；将两导线张开，如图2 1 ( b ) 所示，电场就散播在周围 空间，因而辐射增强。必须指出，当导线的长度l 远小于波长图2 i ( c ) z 时，辐射很 微弱；导线的长度l 增大到可与波长相比拟时，导线上的电流将大大增加，因而就能形 成较强的辐射。 abc 图2 1 电磁场的产生 超短波、微波波段电波在传播过程中还会遇到障碍物( 例如楼房、高大建筑物或山丘 等) 会产生反射。到达接收天线的还有多种反射波( 广义地说，地面反射波也应包括在内) ， 这种现象称为多径传播。由于电磁波的多径传输，使得辐射场强的空间分布变得相当复杂， 波动很大，有的地方信号场强增强，有的地方信号场强减弱；也由于多径传输的影响。还 会使电波的极化方向发生变化。另外，不同的反射物对电波的反射能力也不同。例如：钢 筋水泥建筑物对超短波、微波的反射能力比砖墙强。 在传播途径中遇到大障碍物时，电波会绕过障碍物向前传播，这种现象叫做电波的绕 射。超短波、微波的频率较高，波长短，绕射能力弱，在高大建筑物后面信号强度小，形 6 成所谓的“阴影区”。处于“阴影区”下电磁辐射受到影响的程度，不仅和建筑物的高度 有关，和被测点与建筑物之间的距离有关，还和频率有关。频率越高、建筑物越高、被测 点与建筑物越近，电磁辐射的传播受影响越大；相反，频率越低，建筑物越矮、接收天线 与建筑物越远，影响越小。 根据工程天线基本理论，电流元的电磁场根据观测点到电流元的距离远近可分为近区 场和远区场。在电流元附近，满足r “九条件，电流元的电场表达式与电偶极子的静电 场分量完全相同；而磁场表达式则与恒定电流的磁场强度公式相同。说明电流元在近区场 可相当于一个电偶极子m 】。在远离电流元的区域，满足r 五条件时，称为远区场。对 于天线问题，远区场是天线电磁场研究的重点，它是不受场源束缚的自由电磁波，是信息 传递的媒介。又称为辐射场。 移动通信基站研究中，一般在被测距离r 满足式公式( 2 1 ) 时视为近场区，反之为 远场区。 r 2 d 2 力 式中：d 天线最大线尺寸( m ) ； 五一发射电磁波波长( m ) 。 在近场区，电流元相当于一个电偶极子，电场和磁场的相位相差9 0 。，能量在电场 与磁场之间相互交换而平均坡印廷矢量( 电磁场的能流密度矢量) 为零，这种区域场又称 为感应场。一般情况下，对于电压高电流小的场源( 如基站天线) ，电场强度比磁场强度 大得多：对于电压低电流大的场源，磁场要比电场大得多。近场区的电磁场强度随距离变 化比较快，空间内的不均匀度较大，电磁场强度比远场区也要大的多。 对于天线问题，远场区是研究重点，它是不受场源束缚的自由电波，是信息传递的媒 介，又称为辐射场。在远场区，所有的电磁能量基本上均以电磁波形式辐射传播，其衰减 要比感应场慢的多。根据电磁辐射监测仪器和方法( 厂r 1 0 2 1 9 9 6 ) ，远场区电场强 度与磁场强度满足e 2 = 3 7 7 日。在仅考虑轴向直线电磁辐射强度时，满足中远场轴向功 率密度的计算公式( 2 2 ) ： yp g p d = 兰型彳1 0 0 冬冗r 2 式中：p d 一功率密度( 删铡2 ) 7 p 一发射机平均功率( w ) ； u 天线增益( d b ) ； r 天线与被测点距离( m ) 。 公式( 式2 2 ) 显示，电磁辐射( 功率密度) 与测点距离的平方成反比。也就是说， 在自由空间中单一移动通信信号在天线主瓣轴向上随距离的平方呈指数曲线衰减。 2 2 监测方法与监测仪器 本研究中，为检验模型的适用性，选择典型基站进行了实际测量。在实际监测中，严 格按照移动通信基站电磁辐射环境监测方法( 试行) ( 环发 2 0 0 7 1 1 4 号) 的要求进行 监测。监测点位布设在以基站发射天线为中心半径5 0 m 的范围内可能受到影响的保护目 标，根据现场环境情况对点位进行适当调整。具体点位优先布设在公众可以到达的距离天 线最近处。移动通信基站发射天线为定向天线时，则监测点位的布设原则上设在天线主瓣 方向内( 见图2 2 ) 。 j 岔 0 5 m 、2 5 m 、5 m 、l o m - 一- - - - - 图2 - 2 落地塔基站某扇区监测点位布设示意图 在室内监测，一般选取房间中央位置，点位与家用电器等设备之间距离不少于1 m 。 在窗口( 阳台) 位置监测，探头( 天线) 尖端在窗框( 阳台) 界面以内。对于发射天线架 设在楼顶的基站，在楼顶公众可活动范围内布设监测点位( 见图2 3 ) 。在移动通信基站 正常工作时间内进行监测。测量仪器探头( 天线) 尖端距地面( 或立足点) 1 7 m ，根据不 同监测目的，调整测量高度：探头( 天线) 尖端与操作人员之间距离不少于0 5 m 。每个 8 测点连续测5 次，每次监测时间不小于1 5 s ，并读取稳定状态下的最大值。遇监测读数起 伏较大时，适当延长监测时间。 监测时段为8 ：0 0 a m 至2 0 ：0 0 p m ，选择无雨雪天气进行监测，监测时段内温度小于 4 0 ，湿度小于7 5 。 5 0 m 图2 3 楼顶塔基站某扇区监测点位布设示意图 电磁辐射监测仪器采用电磁辐射综合场强仪测量仪p m m 8 0 5 3 a 、p m m 8 0 5 3 b ，和电 磁辐射选频测量系统s r m 3 0 0 0 。具体参数见表2 1 。 表2 - 1电磁辐射监测仪器参数 9 2 3m a t l a b 简介 m a t l a b 是一种数值计算和图形图像处理工具软件，它不但语法结构简明、数值计算 高效，而且还具有完备的可视化图形表现功能。m a t l a b 在矩阵代数、数值计算、数字 信号处理、振动理论、神经网络控制、通信工程、动态仿真等领域都有广泛的应用。 m a t l a b 编程效率高，是一种面向科学与工程计算的高级语言，允许用数学形式的语 言编写程序，且比b a s i c 、f o r t r a n 和c 等语言更加接近我们书写计算公式的思维方式。高 版本的m a t l a b 语言有丰富的库函数，在进行复杂的数学运算时可以直接调用，而且m a t l a b 的库函数同用户文件在形成上一样，所以用户文件也可以作为m a t l a b 的库函数来调用， 因而用户可以根据自己的需要方便地建立和扩充新的库函数，以扩充m a t l a b 的功能提高 使用效率。m a n a b 的绘图十分方便，有一系列绘图函数( 命令) ，例如线性坐标、对数坐 标，半对数坐标及极坐标，只需调用不同的绘图函数( 命令) 即可。m a t l a b 的最大特点 是开放性，除内部函数以外，所有m a t l a b 的核心文件和工具箱文件都是可读可改的源文 件。 在基站电磁辐射仿真方面，标准m a t l a b 含有开发简单的交互式“天线工具箱”所需 的各个要素。这些包括：( 1 ) 内建的二维和三维表面和实体的网络生成程序；( 2 ) 高效的 矩阵求解程序；( 3 ) 傅里叶分析工具；( 4 ) 带旋转、缩放及滚动功能的二维和三维绘图。 到目前为止，已经依托m a t l a b 建立了两个与天线有关的电磁软件包：c o m s o l 工作组的 f e m l a b 软件( 瑞典、芬兰、美国) 和南非波印廷软件有限公司的s u p e r n e c 。在s u p e r n e c 中，用可执行的c + + 程序进行关键的矩量法计算，而m a t l a b 仅充当图形化用户界面的角 色。f e m l a b 包括大量的有限元模块，其中的“电磁模块”用来在m a t l a b 环境下进行似稳 和高频场的有限元仿真。它的重点在于似稳和微波分析，而不是天线分析 6 3 1 。 2 4 参考标准 ( 1 ) ： iii t ii广 x _ - s i t a _ t ：12 垂互半功率角 二 l 6 1 t a l ! d e l a ：d e n t ：p 1 2 。 - _ s i t 3 2 = 3 = p i 2 ：d e l t a ：( 2 p i d e n a ) 卜s i t a = s i t a r s i t a 2 】 - - f l = 5 i n ( s l n ( e 1 ：a ”l 】6 0 t s i t a t ) ，( s i n ( s ：t a l ) 16 d s l t a _ t ) r f 2 = s z n ( s i n ( 5 1 j a 2 2 - p i ) l e o s i t a t ) ( 一( 5 1 t a 2 2 p 1 ) l 6 0 e i ta 。t ) - _ s i t a ：【屯o n 2 * p i 】 一 i 。” r 二 垒型 图4 - 1 仿真模型编译 结合基站电磁辐射仿真模型，通过m a t a b 的语言实现，可以得到基站电磁辐射的方 向性图、数值分布图等，从而实现模型的可视化。 4 1 1 归一化方向性图模拟 根据归一化方向性函数( 公式3 1 3 ) ，运用m a t l a b 绘制出直列型天线水平和垂直 方向性图，见图4 2 和图4 3 。 啪 1 由 图4 - 2 典型基站天线水平方向性图 图4 - 3 典型基站天线垂直方向性图 1 9 在天线的水平方向上，水平半功率角比垂直半功率角大的多。水平方向覆盖范围较大， 电磁辐射变化相对平缓。 在天线辐射的垂直方向性图中，天线具有明显的主辐射方向处于主辐射方向的方向 叶称为主瓣，处于主瓣反方向位置的方向叶称为后瓣，其它方向的方向叶统称为副瓣主 瓣的宽度越窄说明天线的方向性越好：后瓣和副瓣越小，则天线可能出现的窜扰就越小。 由基站天线归一化方向图模拟，可以直观的看出，基站天线电磁辐射主要集中在天线 主瓣方向上，尤其是天线的垂直方向性更为明显。 4 1 2 二维仿真 根据公式( 3 2 1 ) 预测模式运用m a t l a b 建横。输入典型基站参数，得到不同下 倾角条件下，不同高度平面功率密度分布等值线图。 图4 - 4 ：g s m 9 0 0 天线，发射功率为2 0 w ，增益1 5 5 d b ，水平半功率角6 5 。垂直半功 率角1 5 。，天线尺寸1 3 m ，机械下倾角和电子下倾角均为0 。 图4 4 l 与天线底部等高平面功率密度等值线图 图4 4 2 低于天线底部l r a 平面功率密度等值线圈 圈“显示了在机械下烦角和电子下倾角均为0 。时，相同参数的天线不同高度的 仿真结果，虽然只有1 m 的高差但是数值变化很大。首先，在低于天线底部l m 的等值 线图中，近场区范围明显增大f 其次，图4 - 4 2 中的高辐射区域明显变小，等值线相对稀 疏。 图4 5 ：g s m 9 0 0 天线，发射功率为2 0 w ，增益1 5 5 d b ，水平半功率角6 5 。，垂直半功 率角1 5 。，天线尺寸1 3 m ，机械下倾角8 。，电子下倾角0 9 。 图4 5 1 与天线底部等高平面功率密度等值线囤 图4 - 5 - 2 低于天线底部1 m 平面功率密度等值线图 冒一o一_|叠_ 图牟5 - 3 低于天线底部2 m 平面功率密度等值线图 图4 - 5 仿真了8 。机械下倾角下，相同天线参数，不同高度平面的等值线图。由图可 见随着高度差变大，高辐射区域变小。相比4 _ 4 而言，等值线比较密集，高辐射区域较小， 但辐射值高。在图4 - 4 - 2 中，低于底部1 m 高差的平面的远场就不存在2 0 9 w c m 2 的等值 线，而图4 - 5 3 中，低于底部2 m 的平面，远场还能达到2 0 1 s w e m 2 。等值线图充分说明了 机械下倾角对电磁辐射分布的影响，机械下倾角增加，高辐射区域变小但辐射值变高。 图4 _ 6 ：g s m 9 0 0 天线发射功率为2 0 w ，增益1 55 d b ，水平半功率角6 5 。，垂直半功 率角1 5 天线尺寸13 m ，机械下倾角1 5 。，电子下倾角39。 图4 - 6 1 与天线底部等高平面功率密度等值线图 图4 岳2 低干天线底部l m 平面功率密度等值线图 图4 6 3 低于天线底部2 m 平面功率密度等值线图 图4 - 6 _ 4 低于天线底部5 m 平面功率密度等值线图 图4 - 6 进一步增加了电子下倾的影响仿真，电子下倾角越大，近距离的副瓣影响愈大， 等值线越密集近距离辐射值越大。在5 m 这样的大高差平面上，显现电磁辐射值的波动变 化区域。 图4 - ：g s m 9 0 0 天线，发射功率为2 0 w ，增益1 5 5 d b ，水平半功率角6 5 。，垂直半功 率角1 5 。，天线尺寸1 3 m ，电子下倾角0 。 图4 7 1 轴向垂直面功率密度等值线图( o 。机械下倾角) 2 6 图4 - 7 - 2 轴向垂直面功率密度等值线图( 5 6 机械下倾角) 图4 - 7 3 轴向垂直面功率密度等值线图( 9 。机械下倾角) 2 7 图4 7 4 轴向垂直面功率密度等值线图( 1 2 。机械下倾角) 图4 7 模拟了相同参数天线，不同机械下倾角情况下，轴向垂直面功率等值线图。由 图可以清楚看出天线主瓣随天线下倾角的变化情况，机械下倾角越大，天线主瓣下倾越明 显，对近距离空间影响越大，天线正下方等值线越密集，电磁辐射变化越大，且辐射值越 大。 4 1 3 三维仿真 在二维平面图的基础上，结合基站电磁辐射计算模型，运用m a t l a b 实现了电磁辐射 的三维仿真( 见图4 8 ) 。 图4 - 8 基站天线参数设置：g s m 9 0 0 天线，发射功率为2 0 w ，增益1 5 5 d b ，水平半功率 角6 5 。，垂直半功率角1 5 。，天线尺寸1 3 m ，机械下倾角8 。，电子下倾角0 。 2 8 图4 - 8 1 方向性三维仿真图 图年8 2 距离天线底部l m 轴向水平面：维仿真 _胃d_ 、 圈4 岳3 轴向垂直面三维仿真 圈4 - 8 - 1 立体展示了天线方向性三维图显示基站电磁辐射主要集中于天线主瓣方向， 呈椭扇形层叠状对外辐射；图4 - 8 2 反应了天线轴向水平面上，基站电磁辐射的波动衰减 的情形，在天线近场区出现峰值后迅速逐级衰减的过程：图4 8 3 仿真了天线轴向垂直面 的三维图像，在天线轴向垂直面上，受副瓣影响下的电磁辐射变化规律，还显示了在该天 线参数条件下，天线副瓣影响的最大值。基站电磁辐射三维仿真图形有助于增强对基站电 磁辐射形态的理解。 对比模型仿真的等值线图4 _ 4 、4 - 5 、4 - 6 、4 - 7 和4 - 8 可知在相同天线参数下，被测 点距天线的垂直距离越大，等值线越稀琉，电磁辐射值越小数值变化愈平缓。在其它参 数相同的情况下。天线下倾角或电子下倾角越大，近距离的主瓣影响愈大。等值线越密集， 近距离辐射值越大。 4 2 模型检验 通过数值模型的仿真，可以清晰的了解基站电磁辐射的空间分布和变化趋势，但在实 际环境的准确性和实用性需要实际监测数据的检验。为了有效地检验和分析仿真模型，本 文分实验检验和统计检验两部分分别检验模型的准确性和实用性，这里分别使用应急通 讯车实测值和统计数据与仿真结果进行对照检验。 4 2 1 实验检验 现实环境中，基站电磁波在各种特性媒质中的传播机理可能涉及吸收、折射、反射、 散射、绕射、多径干扰和多普勒频移效应等一系列物理过程，以及复杂背景辐射干扰，电 磁辐射场强的空间分布会变得相当复杂，波动很大，有的地方电磁辐射场强增强、有的地 方电磁辐射场强减弱，有的地方极化方式会发生改变。为有效检验仿真模型，必须根据自 由空间的特点设计监测方案，最大限度地再现天线电磁辐射的