移动通信基站天线近场效应影响分析

福建省辐射环境监督站　陈琼霞　高一弘



移动通信基站天线近场效应影响分析

福建省辐射环境监督站陈琼霞高一弘

该文介绍了移动通信基站天线的近场效应，推导出该效应的修正因子公式，并通过计算几种常见类型天线的近场效应修正因子，得出修正因子随距离变化的规律，对近场效应的影响范围进行了分析。研究表明，常见天线近场效应在距天线5m外影响较小。

基站天线 近场效应

1　天线近场效应

微波频段天线产生的电磁场区主要为远场区和辐射近场区（以下简称“近场区”），近场区和远场区的分界点距离为2D2/λ［1］，其中D为天线的最大尺寸，λ为天线的工作波长，一般D＞＞λ。对于由多个辐射单元组成的边射阵天线，在天线远场区的观测点，各辐射单元到观测点的连线可近似看作是平行线，其辐射功率密度分布符合天线方向性图；在天线近场区的观测点，由于天线有一定长度，各辐射单元到观测点的连线明显不平行，有一定交角，改变了各辐射单元到观测点的波程差和相位差，因此近场区辐射功率密度分布偏离天线方向性图，其正前方功率密度降低，而且波瓣宽度略有增加，此为微波频段天线的近场效应。考虑该效应时，天线辐射主瓣轴向的实际功率密度值应在原有值上乘以一个因子，该因子为天线近场效应修正因子fnf。根据近场效应的产生机理，垂直于边射阵天线方向的近场效应最大，且该方向基本为天线的最大辐射方向（电下倾天线最大辐射方向略微偏离正前方），因此本文仅讨论天线正前方的近场效应。

2　天线正前方近场公式推导

移动通信基站定向发射天线一般由反射板前、沿垂直方向直线排列的对称振子组成，对称振子中心之间相距约为 1个工作波长，对称振子及其在反射板上的镜像振子组成辐射单元，这些辐射单元直线排列为边射直线阵。天线的最大尺寸D即为天线（在垂直方向的）长度，由2n个对称振子以工作波长λ等间距直线排列组成，对于天线正前方距离为X的观测点（见图1），第i个振子中心（i=1，2，…，n）到观测点的波程为：

图1　观测点到不同振子的波程

各对称振子中心到观测点不完全同相，各振子中心到观测点的波程采用（1）式的计算值，观测点的波振幅正比于下列近场效应因子（该因子在距天线远处取值为1）：

为表达简洁起见，在（2）式中记

由于其中k=2π/λ，所以a =X4/πλ

根据（2）式，计算出近场效应因子fnf值，发现以dB数表示的fnf值基本与X的平方值成反比，fnf值可表示为：

（4）式表明近场效应使得天线正前方场强降低，式中的c值主要取决于天线长度和工作波长。

3　天线近场效应分析

采取现阶段较常用的几种天线参数（见表1），以及（2）式、（3）式，计算出与各天线不同距离X处的近场效应因子fnf值，如图2所示。不同天线的fnf=-1dB和-3dB的相应距离见表2。c值与与观测点到天线距离X的关系见图3。

表1　近场效应因子fnf计算参数

表2　不同天线的fnf=-1dB和-3dB的相应距离（m）

图2　不同天线的近场效应因子与距离关系图

图3　c值与观测点到天线距离X的关系

表3　不同天线的c0值

由表2及图1可知，仅在天线附近的小范围内，近场效应才比较显著。特别是在城市市区使用的长度 1.3m左右的GSM900、DCS1800单频或双频天线、TD-SCDMA和TD-LTE天线，距天线5m外的近场效应因子fnf＞-1dB（＞0.8倍），近场效应的影响范围较小。

在一定的天线参数下，c值与距离X有较弱的相关，由图2可见，对于现阶段常用的4种天线，在2～5m之外，c值变化不大，在远处趋近于一个常数c0。

［1］ Kraus，J.D.，Marhefka，R.J. 章文勋译. 天线（上册）［M］.北京: 电子工业出版社，2011.