鐵塔結構對典型通信天線的性能影響*

吳文宇　方重華　宋東安　吳為軍

(中國艦船研究設計中心　武漢　430064)

WU Wenyu　FANG Chonghua　SONG Dong’an　WU Weijun

(China Ship Development and Design Centre, Wuhan　430064)

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鐵塔結構對典型通信天線的性能影響*

吳文宇方重華宋東安吳為軍

(中國艦船研究設計中心武漢430064)

為滿足通信系統的要求，經常需要在高聳的通信鐵塔上架設多個天線。鐵塔的結構對天線的輻射性能有一定的影響。傳統分析方法為解析法，而鐵塔結構相對復雜，使用解析法有一定的局限性，且相對復雜。論文使用基于矩量法的FEKO軟件對架設在鐵塔結構上的典型定向、全向天線的輻射性能進行計算仿真，重點分析鐵塔結構對天線輻射方向、主瓣寬度、帶寬等性能指標的影響。通過計算分析得出，鐵塔的結構對天線的性能有一定程度的影響，為分析鐵塔上天線間的電磁兼容問題起到了一定的指導作用。

通信鐵塔; 天線; 輻射性能; 帶寬; 電磁兼容

WU WenyuFANG ChonghuaSONG Dong’anWU Weijun

(China Ship Development and Design Centre, Wuhan430064)

Class NumberTN911

1　引言

現代通信系統中，經常需要將多個通信天線架設到同一個高聳的通信鐵塔上[1]，如圖1所示。為滿足實際需求，這些通信天線通常需要覆蓋多個頻段，天線的類型也多種多樣。通常在系統的分析電磁兼容性問題時，需要得到雷達、天線的各項參數，包括增益、方向圖數據、帶寬、發射功率等數據，這些數據的準確性直接影響到之后對電磁兼容問題的分析[2]。

通常情況下在分析電磁兼容性問題時，并不考慮鐵塔的結構對天線性能的影響，或直接將鐵塔等效為一根柱體進行分析。實際上鐵塔本身作為導體，當鐵塔上為數眾多的天線工作時，其產生的感應電流會對天線的輻射性能產生影響，使天線方向圖發生變化，其半功率波瓣寬度、增益、最大輻射方向等數據都可能發生變化[3]。這些變化可能使之后的電磁兼容性分析產生較大的偏差，所以在進行分析時，應當考慮通信鐵塔的塔架結構對通信天線性能的影響。

圖1　兩種不同結構的通信鐵塔

因為鐵塔結構多種多樣，而且天線安置位置不同時，周圍具體的塔架結構都不盡相同，所以為精確地分析鐵塔塔架與天線耦合后對天線性能的影響，應該針對不同的安裝位置進行具體的分析。傳統的天線電氣參數計算方法為解析法[4]，該方法可以計算結構規則、簡單的天線模型與附近結構的耦合，不能考慮局部復雜結構對其性能的影響。隨著計算機硬件和電磁分析軟件的進步，應用全波算法對電磁參數的計算已經得到廣泛的應用[5]。本文使用基于矩量法[6]的FEKO電磁計算軟件[7]對布置在鐵塔上的天線的輻射參數進行了分析，以典型的定向天線和全向天線——八木天線[8]和籠形天線[9]為例，分別計算了鐵塔結構對其輻射性能的影響。

2　天線模型及分析

八木宇田天線是基于普通的偶極子天線發展而來的。最簡單的三單元八木天線由一位于中間的一根長度為半波長的偶極天線(有源振子)和位于偶極子前后的引向器和反射器構成。八木天線具有增益高、方向性強、結構簡單的優點，它被廣泛應用在無線電測向和長距離通信中[8]。本文中使用的八木天線的模型如圖2(a)所示，天線在自由空間中的俯仰面方向圖如圖2(b)所示。

八木天線模型的最大輻射方向為水平方向，最大增益11.1dB，3dB波瓣寬度為57.2°。

籠形天線是一種應用十分廣泛的寬頻帶全向天線。通常由對稱陣子制成的全向天線頻帶很窄，為展寬對稱陣子的阻抗頻帶，最簡單的方法是加粗振子的直徑，但這種方法在長、中、斷波段內往往受到實際結構的限制。將振子制成籠形結構可以很好的解決這個問題。振子臂由多根細導線制成的圓柱籠形結構，其等值半徑較大，特性阻抗較低，故其輸入阻抗隨頻率變化比較平緩，改善了阻抗帶寬特性，采用籠形天線也大大減輕了天線的重量及風阻，使其在某些特殊位置上的應用成為可能[9]。本文使用的籠形天線的模型如圖3所示，天線的方向圖與偶極子線類似，最大增益為1.94dB。

圖2　本文使用的八木天線模型

圖3　籠形天線模型

本文使用的通信鐵塔結構簡圖如圖4所示，塔架由鋼結構制成。

圖4　通信鐵塔簡圖

3　鐵塔結構對八木天線、籠形天線性能的影響

使用FEKO軟件對架設在通信鐵塔上的八木天線的方向圖進行了計算，目標是得到耦合鐵塔結構后對八木天線的增益、波瓣寬度、最大輻射方向的影響。

八木天線與地面水平架設，以指向沿塔架對角線和沿塔架中線向外這兩種架設狀態為例，這兩種狀態即使離鐵塔結構最近點的距離相同，由于幾何結構的不同，可以說兩種情況下與附近與天線耦合的結構是不同的。圖5給出與鐵塔距離相同、高度均為42m條件下兩種架設情況的俯仰面方向圖對比圖。實線是對角線架設的俯仰面方向圖，虛線是沿塔架中線向外俯仰面方向圖。

圖5　架設情況不同時方向圖對比

由圖5可以看出，鐵塔上不同架設情況的八木天線方向圖都產生了一定程度的畸變，特別是在輻射能量集中的區域，主瓣增益的變化則比較小。

再討論距離對方向圖影響程度的情況，取對角線架設的情況，架設高度相同。計算天線距離鐵塔結構0.1m～2m時方向圖的3dB波瓣寬度、最大輻射方向、增益的變化情況，每0.1m取一點，結果如表1所示。

表1　離鐵塔不同距離時八木天線方向圖特征數據

由表1的數據可以看出，架設距離的改變對方向圖的影響程度不同，但其程度隨架設距離的變化并無十分明顯的規律。并非架設的距離離鐵塔近影響就一定很大，架設的距離遠影響就很小。在某些距離其半功率波瓣寬度下降了10°左右，其方向性已經受到了很大影響。隨距離的變化天線增益與自由空間中天線的增益差距在1個dB以內，但是呈現明顯的震蕩變化。

使用FEKO計算了通信鐵塔結構對籠形天線性能的影響，目標是得到耦合鐵塔結構后對籠形天線的方向圖、阻抗帶寬的影響。

圖6給出了籠形天線架設在不同位置時俯仰面的方向圖，激勵均為360MHz。其中圖6(a)為沿對角線架設，與鐵塔距離1m；圖6(b)稍微平移，與鐵塔距離1m，但天線與鐵塔最近處沒有鋼架結構。

由圖6可以看出籠形天線方向圖發生了較大的畸變，與自由空間中的方向圖形狀(類似偶極子方向圖)明顯不同。天線靠近鐵塔一側增益下降明顯，鐵塔靠近自由空間區域一側最大增益變大且發生了明顯的裂瓣。

圖7給出了籠形天線的阻抗變化曲線的對比，其中空心圓圈連線為籠形天線未受鐵塔影響時的阻抗曲線，實心矩形連線為對角線架設時受鐵塔影響時的阻抗曲線，空心五角星為架設位置平移到鐵塔側邊后受鐵塔影響的阻抗曲線。

圖7　不同情況下阻抗曲線對比圖

由對比圖可以看出，雖然受鐵塔結構影響后不同架設位置的阻抗曲線出現了不同程度的變化，但是總體趨勢變化不大，其寬頻性能受到的影響不大。

4　結語

本文使用基于矩量法的FEKO軟件對架設在通信鐵塔上典型的兩種定向、全向天線進行了仿真計算，分析了鐵塔結構對其輻射特性的影響。通過計算，可以得出天線在耦合了鐵塔結構后方向圖和輸入阻抗等數據的變化情況，如八木天線的增益隨著與鐵塔距離的增加呈現震蕩變化，籠形天線的寬頻性能不會受到鐵塔結構的影響。由于鐵塔結構與實際施工條件的復雜性，實際的情況肯定更加復雜，例如為滿足鐵塔上各層設備間電磁兼容要求，會在各個平臺上架設網狀結構以起到屏蔽作用[10]，這些結構對不同的天線也會產生不同的影響。本文的分析說明了鐵塔的結構會對天線的性能產生不同程度影響，在進行電磁兼容分析以及提供施工意見時，可在仿真計算后得到更精準的數據以提供安裝位置建議。

[1] 褚先欣.移動通信基站鐵塔的選型及設計[J].中國新通信,2013(20):111-112.

[2] 李明,朱中文,蔡偉勇.電磁兼容技術研究現狀與趨勢[J].電子質量,2007(7):70-73.

[3] 周斌.全向寬帶天線研究及星載天線系統的電磁干擾分析[D].西安:西安電子科技大學,2006.

[4] 張旭鋒.傳輸線理論及電磁兼容計算的半解析方法研究[D].長沙:國防科學技術大學,2011.

[5] 陳晉吉.飛機電磁兼容預測仿真研究[D].西安:西安電子科技大學,2013.

[6] 冉茶宗.基于矩量法的中波發射天線電磁兼容研究[D].天津:天津大學,2010.

[7] 賈志軍,張琪,徐慨.基于FEKO的編隊短波裝備間電磁兼容預測研究[J].艦船電子對抗,2013(2):99-102.

[8] 常媛媛.八木天線的設計仿真與測試[D].北京:北京交通大學,2006.

[9] 周斌,劉其中,徐志.籠形中饋天線的設計與優化[J].西安電子科技大學學報,2006,33(6):975-979.

[10] 周輝.磁屏蔽技術的仿真研究[D].長沙:湖南大學,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

吳文宇，男，碩士研究生，研究方向：艦船電磁兼容。方重華，男，博士，高級工程師，研究方向：艦船電磁兼容。宋東安，男，博士，研究員，研究方向：艦船電磁兼容。吳為軍，男，博士，工程師，研究方向：艦船電磁兼容。

TN911

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.021