铁塔结构对典型通信天线的性能影响*

吴文宇　方重华　宋东安　吴为军

(中国舰船研究设计中心　武汉　430064)

WU Wenyu　FANG Chonghua　SONG Dong’an　WU Weijun

(China Ship Development and Design Centre, Wuhan　430064)



铁塔结构对典型通信天线的性能影响*

吴文宇方重华宋东安吴为军

(中国舰船研究设计中心武汉430064)

为满足通信系统的要求，经常需要在高耸的通信铁塔上架设多个天线。铁塔的结构对天线的辐射性能有一定的影响。传统分析方法为解析法，而铁塔结构相对复杂，使用解析法有一定的局限性，且相对复杂。论文使用基于矩量法的FEKO软件对架设在铁塔结构上的典型定向、全向天线的辐射性能进行计算仿真，重点分析铁塔结构对天线辐射方向、主瓣宽度、带宽等性能指标的影响。通过计算分析得出，铁塔的结构对天线的性能有一定程度的影响，为分析铁塔上天线间的电磁兼容问题起到了一定的指导作用。

通信铁塔; 天线; 辐射性能; 带宽; 电磁兼容

WU WenyuFANG ChonghuaSONG Dong’anWU Weijun

(China Ship Development and Design Centre, Wuhan430064)

Class NumberTN911

1　引言

现代通信系统中，经常需要将多个通信天线架设到同一个高耸的通信铁塔上[1]，如图1所示。为满足实际需求，这些通信天线通常需要覆盖多个频段，天线的类型也多种多样。通常在系统的分析电磁兼容性问题时，需要得到雷达、天线的各项参数，包括增益、方向图数据、带宽、发射功率等数据，这些数据的准确性直接影响到之后对电磁兼容问题的分析[2]。

通常情况下在分析电磁兼容性问题时，并不考虑铁塔的结构对天线性能的影响，或直接将铁塔等效为一根柱体进行分析。实际上铁塔本身作为导体，当铁塔上为数众多的天线工作时，其产生的感应电流会对天线的辐射性能产生影响，使天线方向图发生变化，其半功率波瓣宽度、增益、最大辐射方向等数据都可能发生变化[3]。这些变化可能使之后的电磁兼容性分析产生较大的偏差，所以在进行分析时，应当考虑通信铁塔的塔架结构对通信天线性能的影响。

图1　两种不同结构的通信铁塔

因为铁塔结构多种多样，而且天线安置位置不同时，周围具体的塔架结构都不尽相同，所以为精确地分析铁塔塔架与天线耦合后对天线性能的影响，应该针对不同的安装位置进行具体的分析。传统的天线电气参数计算方法为解析法[4]，该方法可以计算结构规则、简单的天线模型与附近结构的耦合，不能考虑局部复杂结构对其性能的影响。随着计算机硬件和电磁分析软件的进步，应用全波算法对电磁参数的计算已经得到广泛的应用[5]。本文使用基于矩量法[6]的FEKO电磁计算软件[7]对布置在铁塔上的天线的辐射参数进行了分析，以典型的定向天线和全向天线——八木天线[8]和笼形天线[9]为例，分别计算了铁塔结构对其辐射性能的影响。

2　天线模型及分析

八木宇田天线是基于普通的偶极子天线发展而来的。最简单的三单元八木天线由一位于中间的一根长度为半波长的偶极天线(有源振子)和位于偶极子前后的引向器和反射器构成。八木天线具有增益高、方向性强、结构简单的优点，它被广泛应用在无线电测向和长距离通信中[8]。本文中使用的八木天线的模型如图2(a)所示，天线在自由空间中的俯仰面方向图如图2(b)所示。

八木天线模型的最大辐射方向为水平方向，最大增益11.1dB，3dB波瓣宽度为57.2°。

笼形天线是一种应用十分广泛的宽频带全向天线。通常由对称阵子制成的全向天线频带很窄，为展宽对称阵子的阻抗频带，最简单的方法是加粗振子的直径，但这种方法在长、中、断波段内往往受到实际结构的限制。将振子制成笼形结构可以很好的解决这个问题。振子臂由多根细导线制成的圆柱笼形结构，其等值半径较大，特性阻抗较低，故其输入阻抗随频率变化比较平缓，改善了阻抗带宽特性，采用笼形天线也大大减轻了天线的重量及风阻，使其在某些特殊位置上的应用成为可能[9]。本文使用的笼形天线的模型如图3所示，天线的方向图与偶极子线类似，最大增益为1.94dB。

图2　本文使用的八木天线模型

图3　笼形天线模型

本文使用的通信铁塔结构简图如图4所示，塔架由钢结构制成。

图4　通信铁塔简图

3　铁塔结构对八木天线、笼形天线性能的影响

使用FEKO软件对架设在通信铁塔上的八木天线的方向图进行了计算，目标是得到耦合铁塔结构后对八木天线的增益、波瓣宽度、最大辐射方向的影响。

八木天线与地面水平架设，以指向沿塔架对角线和沿塔架中线向外这两种架设状态为例，这两种状态即使离铁塔结构最近点的距离相同，由于几何结构的不同，可以说两种情况下与附近与天线耦合的结构是不同的。图5给出与铁塔距离相同、高度均为42m条件下两种架设情况的俯仰面方向图对比图。实线是对角线架设的俯仰面方向图，虚线是沿塔架中线向外俯仰面方向图。

图5　架设情况不同时方向图对比

由图5可以看出，铁塔上不同架设情况的八木天线方向图都产生了一定程度的畸变，特别是在辐射能量集中的区域，主瓣增益的变化则比较小。

再讨论距离对方向图影响程度的情况，取对角线架设的情况，架设高度相同。计算天线距离铁塔结构0.1m～2m时方向图的3dB波瓣宽度、最大辐射方向、增益的变化情况，每0.1m取一点，结果如表1所示。

表1　离铁塔不同距离时八木天线方向图特征数据

由表1的数据可以看出，架设距离的改变对方向图的影响程度不同，但其程度随架设距离的变化并无十分明显的规律。并非架设的距离离铁塔近影响就一定很大，架设的距离远影响就很小。在某些距离其半功率波瓣宽度下降了10°左右，其方向性已经受到了很大影响。随距离的变化天线增益与自由空间中天线的增益差距在1个dB以内，但是呈现明显的震荡变化。

使用FEKO计算了通信铁塔结构对笼形天线性能的影响，目标是得到耦合铁塔结构后对笼形天线的方向图、阻抗带宽的影响。

图6给出了笼形天线架设在不同位置时俯仰面的方向图，激励均为360MHz。其中图6(a)为沿对角线架设，与铁塔距离1m；图6(b)稍微平移，与铁塔距离1m，但天线与铁塔最近处没有钢架结构。

由图6可以看出笼形天线方向图发生了较大的畸变，与自由空间中的方向图形状(类似偶极子方向图)明显不同。天线靠近铁塔一侧增益下降明显，铁塔靠近自由空间区域一侧最大增益变大且发生了明显的裂瓣。

图7给出了笼形天线的阻抗变化曲线的对比，其中空心圆圈连线为笼形天线未受铁塔影响时的阻抗曲线，实心矩形连线为对角线架设时受铁塔影响时的阻抗曲线，空心五角星为架设位置平移到铁塔侧边后受铁塔影响的阻抗曲线。

图7　不同情况下阻抗曲线对比图

由对比图可以看出，虽然受铁塔结构影响后不同架设位置的阻抗曲线出现了不同程度的变化，但是总体趋势变化不大，其宽频性能受到的影响不大。

4　结语

本文使用基于矩量法的FEKO软件对架设在通信铁塔上典型的两种定向、全向天线进行了仿真计算，分析了铁塔结构对其辐射特性的影响。通过计算，可以得出天线在耦合了铁塔结构后方向图和输入阻抗等数据的变化情况，如八木天线的增益随着与铁塔距离的增加呈现震荡变化，笼形天线的宽频性能不会受到铁塔结构的影响。由于铁塔结构与实际施工条件的复杂性，实际的情况肯定更加复杂，例如为满足铁塔上各层设备间电磁兼容要求，会在各个平台上架设网状结构以起到屏蔽作用[10]，这些结构对不同的天线也会产生不同的影响。本文的分析说明了铁塔的结构会对天线的性能产生不同程度影响，在进行电磁兼容分析以及提供施工意见时，可在仿真计算后得到更精准的数据以提供安装位置建议。

[1] 褚先欣.移动通信基站铁塔的选型及设计[J].中国新通信,2013(20):111-112.

[2] 李明,朱中文,蔡伟勇.电磁兼容技术研究现状与趋势[J].电子质量,2007(7):70-73.

[3] 周斌.全向宽带天线研究及星载天线系统的电磁干扰分析[D].西安:西安电子科技大学,2006.

[4] 张旭锋.传输线理论及电磁兼容计算的半解析方法研究[D].长沙:国防科学技术大学,2011.

[5] 陈晋吉.飞机电磁兼容预测仿真研究[D].西安:西安电子科技大学,2013.

[6] 冉茶宗.基于矩量法的中波发射天线电磁兼容研究[D].天津:天津大学,2010.

[7] 贾志军,张琪,徐慨.基于FEKO的编队短波装备间电磁兼容预测研究[J].舰船电子对抗,2013(2):99-102.

[8] 常媛媛.八木天线的设计仿真与测试[D].北京:北京交通大学,2006.

[9] 周斌,刘其中,徐志.笼形中馈天线的设计与优化[J].西安电子科技大学学报,2006,33(6):975-979.

[10] 周辉.磁屏蔽技术的仿真研究[D].长沙:湖南大学,2014.

Effect of Iron Tower’s Structure on Typical Communication Antenna’s Performance*

Multiple antennas are often set up on a tall communication tower to meet the requirement of the communication system. Tower’s structure has a certain influence on the performance of the antenna radiation pattern. Traditional calculation method of the antenna is analytic method, which has certain limitations on the analysis of the complicated tower structure. The FEKO software based on MOM is used to calculate and simulate the antenna radiation pattern of the typical directional and omnidirectional antennas in this paper. The problem focuses on the tower structure’s influence of the antenna radiation pattern, the main lobe width, bandwidth and other performances. According to the calculation, the structure of the tower has a certain influence on the performance of the antenna, which can be guidance for analysis of the electromagnetic compatibility problems of the antennas on the tower.

communication tower, antenna, radiation performance, bandwidth, electromagnetic compatibility

2016年2月9日,

2016年3月21日

吴文宇，男，硕士研究生，研究方向：舰船电磁兼容。方重华，男，博士，高级工程师，研究方向：舰船电磁兼容。宋东安，男，博士，研究员，研究方向：舰船电磁兼容。吴为军，男，博士，工程师，研究方向：舰船电磁兼容。

TN911

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.021