基于简化方向性函数的基站电磁辐射可视化仿真预测方法与流程

本发明涉及基站电线辐射领域，特别是指一种基于简化方向性函数的基站电磁辐射可视化仿真预测方法。

背景技术：

目前针对通信基站周围的电磁辐射预测,天线方向性衰减函数计算繁复无实用性、且无简易实现可视化有效的方法。而实际上,通过数学简化天线方向性衰减函数,实现空间任意点实用简化计算,是本通信基站电磁辐射可视化仿真预测系统空间计算、三维展示、简单易用的基础。若采用最大发射功率对基站周围电磁辐射进行预测,预测值和实际测量值之间的偏差,可以通过实际评价网络负荷修正。而三维仿真可视化,可体现单天线空间电磁辐射限值范围,并展示空间和地面多天线叠加电磁辐射功率密度曲线,实现仅通过目测就能快速做出基站周围电磁辐射环境影响评价。本发明通过数学简化天线方向性衰减函数,结合网络负荷修正,实现更加简易精确的电磁辐射预测并实现叠加效果可视化。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种实用的基于简化方向性函数的基站电磁辐射可视化仿真预测方法。

本发明采用如下技术方案：

s1:依据天线辐射单元波束主瓣波瓣强度衰减一半对应的角度为半功率角的特性,根据天线使用频率、天线方向图水平、半功率角度简化方向性衰减函数；

s2:通过损耗模型,根据天线参数,叠加网络负荷,计算天线发射功率p；

s3:通过所述天线发射功率p,并结合所述方向性衰减函数，依据国标电磁辐射功率密度限值,以天线辐射主瓣中心位置，按水平方向位置、半功率角双边对称位置和双倍半功率角双边对称位置5个垂直剖面，分组计算相应垂直水平方向主瓣中心位置、半功率角双边对称位置和双倍半功率角双边对称位置的空间功率密度限值对应的各等值位置距离r；

s4：重复s3，按主瓣水平方向位置、半功率角双边对称位置和双倍半功率角双边对称位置共5个垂直剖面得出的各等值位置距离r，在三维软件上形成位置曲线，实现单天线电磁辐射功率密度等值面模型空间三维可视化仿真预测；

s5：通过所述天线发射功率p，并结合所述方向性衰减函数，以及移动终端距离基站水平距离、与基站相向天线之间的下倾角以及高差，计算同方向各天线垂直方向空间上某点电磁辐射功率密度pd1；

s6：重复s5，在三维软件上形成垂直电磁辐射强度曲线，实现同方向多天线垂直方向上，空间电磁辐射功率密度强度曲线可视化仿真预测。

s7：通过所述天线发射功率p，并结合修正的方向性衰减函数，按地面镜像反射功率密度叠加，不考虑直射波与地面反射波的相位差，采用能量相加，计算地面1.7m高水平等距离电磁辐射功率密度pd2；

s8：重复s7，在三维软件上形成水平电磁辐射强度曲线，实现同方向多天线水平方向上，地面1.7m高水平等距离电磁辐射功率密度强度曲线可视化仿真预测。

具体的，方向性衰减函数的简化数学式表达为：

其中：表示主瓣水平面的水平倾角度；x表示对应于水平半功率角的方向性衰减影响因子；θ表示主瓣垂直面的下倾角度；y表示对应于垂直半功率角的方向性衰减影响因子。

具体的，天线固有的垂直方向性衰减函数的简化表达式为：

cos^yθ1/2＝0.5；y＝lg(0.5)/lg(cosθ1/2)

天线固有的水平方向性衰减函数的简化表达式为：

其中：2θ1/2表示天线辐射主瓣的固有垂直半功率角，y取整，表示天线辐射主瓣的固有水平半功率角，x取整。

例如y＝4，当天线垂直半功率角2θ1/2＝65°；

y＝90，当天线垂直半功率角2θ1/2＝14°；

y＝370，当天线垂直半功率角2θ1/2＝7°；

同样地，x＝4，当天线水平半功率角

x＝90，当天线水平半功率角

x＝370，当天线水平半功率角

具体的，所述步骤s2中，所述天线发射功率的表达式为：

p＝k×pt×g

式中：p表示天线发射功率，单位为w；pt表示馈入天线端口的发射功率，单位为w；g表示天线增益，单位为倍数；k表示各种衰减的叠加。

具体的，所述步骤s3中，空间功率密度限值对应的各等值位置距离r的表达式为：

其中：p表示天线发射功率，单位为w，pd1表示给定功率密度限值，单位为w/m²，为方向性衰减函数。

具体的，所述步骤s5中，同方向某天线垂直方向空间上某点电磁辐射功率密度表达式为：

其中：pd1表示通信基站某点电磁辐射功率密度，p表示天线发射功率单位为w/m²，si表示空间上某点距离基站水平距离，单位为m；hj表示空间上某点距离基站天线的高差，单位为m，r表示空间上某点距离基站天线的距离，单位为m。

具体的，所述步骤s7中，计算地面1.7m高水平等距离最大电磁辐射功率密度的表达式为：

所述修正的方向性衰减函数

归一化方向性基础函数为：

其中：r2为地面反射波从辐射波瓣位置距中心点经地面至预测点的传播距离，单位为m；θ2为预测点反射波的地面投射角，p表示天线发射功率，单位为w/m²；si表示空间上某点距离基站水平距离，单位为m；hj表示空间上某点距离基站天线的高差，单位为m，r表示空间上某点距离基站天线的距离，单位为m。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明通过开放式设计、常规多参数调整，通过数学简化天线方向性衰减函数,结合网络负荷修正,所建立的预测模型能够准确的计算出单基站某位置最大电磁辐射强度并可视化，对基站快速选址、电磁辐射环境影响可视化评价及环境保护可视化有极大的参考价值,具有一定的社会效益。

附图说明

图1为本发明的流程图

图2为基站电磁辐射环境影响评价可视化结果示意图；

图3为某基站地面1.7m高功率密度预测最大值及多日实测6分钟平均值和瞬时最大值图:

图3(a)为某基站第1层gsm-900mhz天线地面1.7m天线功率密度计算及实测值；

图3(b)为某基站第2层tdd-2600mhz天线地面1.7m天线功率密度计算及实测值；

图3(c)为某基站第3层fdd-1870mhz天线地面1.7m功率密度计算及实测值；

图3(d)为某基站第3层fdd-875mhz天线地面1.7m天线总和功率密度计算及实测值；

图3(e)为某基站地面1.7m天线总和功率密度计算及实测值；

图4为本发明的数学简化天线方向性衰减函数地面计算对比图：

图4(a)为某固定参数天线、高差20m、下倾角6°、垂直半功率角65°的方向性衰减图；

图4(b)为某固定参数天线、高差20m、下倾角6°、垂直半功率角30°的方向性衰减图；

图4(c)为某固定参数天线、高差20m、下倾角6°、垂直半功率角14°的方向性衰减图；

图4(d)为某固定参数天线、高差20m、下倾角6°、垂直半功率角7°的方向性衰减图；

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

仅采用多天多组对地面实测验证，本组实施的实验地在1#抱杆基站附近，主辐射方向沿道路空旷平坦的区域，道路的障碍物较少，从距离基站5米处开始测量，并沿基站最大辐射方向以5米的测量间隔开始水平移动进行定点测量至200m。测试方法：依据标准hj/t10.2-1996《辐射环境保护管理导则电磁辐射监测仪器和方法》和《移动通信基站电磁辐射环境监测方法》(hj972—2018)，距地面1.7m，按6分钟平均测试各测点的功率密度值及最大值。测试设备：便携式电磁辐射频谱分析仪srm3006，探头k-1054(27mhz-3ghz)、探头e-0141(420mhz-6ghz)。基站3层，每层不同频率制式，第3层单天线双频按双天线计，每层3个水平半功率角65°定向天线扇形覆盖一个半径为500米的圆形区域。1-3层天线参数分别为:天线类型gsm、td-lte、fdd-lte，典型综合损耗衰减-4.7dbi、-3dbi、-4.7dbi&-4.7dbi，发射功率40w、10w、20w&20w，载波数3、1、2&2，通道数1、8、2&2，网络负荷预设100％、100％、100％&100％，信道资源转换率100％、50％、100％&100％，功率控制100％、100％、100％&100％，天线能效80％、80％、80％&80％，业务波束天线增益10dbi、19.5dbi、24dbi&17.5dbi，天线垂直半功率角65°、14°、7°&14°，总下倾角6°、11°、8°&10°，测试高差18m、16m、15m&15m。

如图1是本发明的流程图，具体步骤为：

s1:依据天线辐射单元波束主瓣波瓣强度衰减一半对应的角度为半功率角的特性，根据天线使用频率、天线方向图水平、半功率角度简化方向性衰减函数；

具体的，方向性衰减函数的简化数学式表达为：

其中：表示主瓣水平面的水平倾角度；x表示对应于水平半功率角的方向性衰减影响因子；θ表示主瓣垂直面的下倾角度；y表示对应于垂直半功率角的方向性衰减影响因子。

具体的，天线固有的垂直方向性衰减函数的简化表达式为：

cos^yθ1/2＝0.5；y＝lg(0.5)/lg(cosθ1/2)

天线固有的水平方向性衰减函数的简化表达式为：

其中：2θ1/2表示天线辐射主瓣的固有垂直半功率角，y取整，表

示天线辐射主瓣的固有水平半功率角，x取整。

例如y＝4，当天线垂直半功率角2θ1/2＝65°；

y＝90，当天线垂直半功率角2θ1/2＝14°；

y＝370，当天线垂直半功率角2θ1/2＝7°；

同样地，x＝4，当天线水平半功率角

x＝90，当天线水平半功率角

x＝370，当天线水平半功率角

本实施中，1-3层天线的y值分别为4、90、370、90；本实施例中按照环保需求，只求垂直方向最大值，可简化数学式表达为cos⁴θ，cos⁹⁰θ，cos³⁷⁰θ，cos⁹⁰θ；

s2：通过损耗模型，根据天线参数，叠加网络负荷，计算天线发射功率p；

具体的，所述步骤s2中，所述天线发射功率的表达式为：

p＝k×pt×g

式中：p表示天线发射功率，单位为w；pt表示馈入天线端口的发射功率，单位为w；g表示天线增益，单位为倍数。

并根据pt常规的计算公式可得：

计算第1层天线p值为：p＝10^(-4.7/10)×(40×3×1×1×1×1×0.8)×10^(10/10)＝325.3

计算第2层天线p值为：p＝10^(-3/10)×(10×1×8×1×0.5×1×0.8)×10^(19.5/10)＝1429.4

计算第3层天线频一p值为：p＝10^(-4.7/10)×(20×2×2×1×1×1×0.8)×10^(24/10)＝5447.3

计算第3层天线频二为：p＝10^(-4.7/10)×(20×2×2×1×1×1×0.8)×10^(17.5/10)＝1219.5

s3：通过上述天线发射功率p，并结合所述方向性衰减函数，依据国标电磁辐射功率密度限值，以天线辐射主瓣中心位置，按水平方向位置、半功率角双边对称位置和双倍半功率角双边对称位置5个垂直剖面，分组计算相应垂直水平方向位置、半功率角双边对称位置和双倍半功率角双边对称位置的空间功率密度限值对应的各等值位置距离r；

具体的，空间功率密度限值对应的各等值位置距离r的表达式为：

其中：p表示天线发射功率，单位为w，pd1表示给定功率密度限值，单位为w/m²，为方向性衰减函数。

s4：重复s3，按主瓣水平方向位置、半功率角双边对称位置和双倍半功率角双边对称位置共5个垂直剖面得出的各等值位置距离r，在三维软件上形成位置曲线，实现单天线电磁辐射功率密度等值面模型空间三维可视化仿真预测；

而在评价时，以空间三维限值等值面展示，以目测等值面不触及人站立位置，为电磁辐射环境影响评价达标。

s5：通过所述天线发射功率p，并结合所述方向性衰减函数，以及移动终端距离基站水平距离、与基站相向天线之间的下倾角以及高差，计算同方向各天线垂直方向空间上某点电磁辐射功率密度pd1；

具体的，同方向某天线垂直方向空间上某点电磁辐射功率密度表达式为：

其中：pd1表示通信基站某点电磁辐射功率密度，p表示天线发射功率单位为w/m²，si表示空间上某点距离基站水平距离，单位为m；hj表示空间上某点距离基站天线的高差，单位为m，r表示空间上某点距离基站天线的距离，单位为m。

s6：重复s5，在三维软件上形成垂直电磁辐射强度曲线，实现同方向多天线垂直方向上，空间电磁辐射功率密度强度曲线可视化仿真预测。

同样的，在预测后进行评价，以基站水平距离垂直面的强度最大值曲线展示，以目测不触及曲线上部40μw·cm-2标准线位置，为电磁辐射环境影响评价达标；

s7：通过所述天线发射功率p，并结合修正的方向性衰减函数，计算地面1.7m高水平等距离电磁辐射功率密度pd2；

具体的，计算地面1.7m高水平等距离最大电磁辐射功率密度的表达式为：

所述修正的方向性衰减函数

归一化方向性基础函数为：

其中：r2为地面反射波从辐射波瓣位置距中心点经地面至预测点的传播距离，单位为m；θ2为预测点反射波的地面投射角，p表示天线发射功率，单位为w/m²；si表示空间上某点距离基站水平距离，单位为m；hj表示空间上某点距离基站天线的高差，单位为m，r表示空间上某点距离基站天线的距离，单位为m。

方向性函数的修正时，鉴于环保需求特性，仅考虑镜地面对电磁辐射视距传播的影响：①全反射(反射系数为1)；②不考虑直射波与地面反射波的相位差，采用能量相加，且只求垂直方向最大值。

在本发明实施例中，某点与基站天线的水平距离为si，水平距离为hj，主辐射方向沿道路空旷平坦的区域，道路的障碍物较少，从距离基站5米处开始测量地面1.7m高处电磁辐射磁辐射功率密度，并沿基站最大辐射方向以5米的测量间隔开始水平移动进行定点测量至200m。

s8：重复s7，在三维软件上形成水平电磁辐射强度曲线，实现同方向多天线水平方向上，地面1.7m高水平等距离电磁辐射功率密度强度曲线可视化仿真预测。

评价方法：以基站地面1.7m高不同水平距离的的强度最大值曲线展示，以目测不触及曲线上部40μw·cm^-2标准线位置，为电磁辐射环境影响评价达标。

如图2，为本发明专利预测计算及实现的三维可视化模型。图2中间三维立体模型，采用数学简化天线方向性衰减函数计算，实现多个单天线电磁辐射功率密度等值面模型空间三维可视化仿真预测。评价方法：以目测等值面不触及人站立位置，为电磁辐射环境影响评价达标。图2左侧垂直曲线模型，采用数学简化天线方向性衰减函数计算，实现同方向多天线空间电磁辐射叠加功率密度强度曲线可视化仿真预测。评价方法：以目测不触及曲线上部40μw·cm-2标准线位置，为电磁辐射环境影响评价达标。图2右侧水平曲线模型，考虑到天线辐射旁瓣对地面的影响,采用均匀直线阵的方向性衰减函数计算,实现同方向多天线水平方向上,地面1.7m高水平等距离电磁辐射叠加功率密度强度曲线可视化仿真预测。评价方法:以目测不触及曲线上部40μw·cm-2标准线位置，为电磁辐射环境影响评价达标。与简化计算的对比，可见图3、图4。

图3是本发明实施例中,计算的地面1.7m高功率密度两种预测计算最大值,及多日实测6分钟平均值和瞬时最大值比较图,实测瞬时最大值与预测最大值接近。

图4是本发明的数学简化天线方向性衰减函数计算，及采用均匀直线阵的方向性函数计算的对比图。天线高差20m和不同垂直半功率角下，除基站近处旁瓣影响偏差小于1μw·cm^-2,地面1.7m高功率密度的两种预测计算几乎重合。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。