移动通信基站天线在雷电通道附近的电磁耦合特征研究

发布时间：2020-07-24 15:07

【摘要】：在研究电子和通信等设备设施的雷击电磁脉冲(LEMP)防护问题时,天线对雷击电磁脉冲的耦合效应及对其的防护理论与技术是一大重点。而移动通信基站是电子通信运营网络的基础性设施,一直以来,雷电对其产生了频繁且严重的威胁。因此对移动通信基站天线的电磁耦合特征和LEMP防护进行研究是十分有意义的。相对于雷电远区电磁场,雷电的近区电磁场的分布要复杂许多,所以本文对雷电电磁场的研究重点放在了近区场。基于雷电回击的天线理论模型和双指数函数电流模型,本文首先通过CST Studio Suite(CST)电磁仿真软件构建雷电通道-通信铁塔和900MHz偶极子天线的仿真计算模型,针对不同高度的铁塔、天线对地不同高度、天线与塔间不同的水平距离以及天线不同的极化方向对闪电击中通信铁塔顶端避雷针时900MHz偶极子天线在闪电通道附近的耦合特性进行了详细探讨;然后设计了一款工作在900MHz的通信基站微带天线并通过CST电磁仿真软件建立了雷电通道-通信铁塔和900MHz微带天线的仿真计算模型,模拟了闪电击中通信铁塔顶端避雷针时该基站微带天线在闪电通道附近的电磁耦合结果;最后基于通信基站微带天线的工作极化方式提出了一种新型的用微带天线水平极化的工作状态来对LEMP进行防护的“主动式”防护构想。由以上分析,本文取得了如下成果:(1)天线在水平极化工作状态时或其水平极化部分的感应电压小,其后端信号基本可视作噪声,而天线在垂直极化工作状态时或其垂直极化部分的感应电压则比天线水平极化的情况要大得多,最高的感应电压可达到200V,甚至更高,足以对后端弱电设备、接口等产生威胁。(2)天线距离基站铁塔顶部越远,其后端感应电压越小。在30m,25m,20m和15m常见高度的铁塔顶端以下5m范围内,天线的感应电压会随着天线靠近塔顶而快速的增大,而在5m范围外,随着天线远离塔顶,其后端感应电压均小幅度的变小直至基本不变。因此铁塔在上述几种常见高度下,铁塔顶端以下5m均为闪电袭击铁塔避雷针时,闪电通过天线对后端设备致灾/致损的较为危险的区域。(3)在常见高度的铁塔顶端以下5m范围内,天线距离铁塔水平距离越近,天线后端的感应电压变化率会越大。对于安装在铁塔顶端以下5m范围以外的天线而言,无论其距离铁塔多远,天线与铁塔间的水平距离对天线后端的感应电压都无太大影响。(4)天线后端感应电压峰值与其极化偏转角成近似的线性关系,感应电压峰值随着极化偏转角σ的变大而线性变小。并且,无论天线的对地高度为多少,随着天线从垂直极化的工作状态逐渐偏转到水平极化的工作状态,即天线的极化偏转角σ从0rad增加到rad时,天线后端的感应电压峰值都会逐渐趋向于0 V。
【学位授予单位】：成都信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN828.6
【图文】：

时域波形,雷电,时域波形,回击速度

图 2-1 雷电基电流时域波形数电流模型Bruce 和 Golde 提出了雷电流的双指数模型[23]，表达 00 0( )exp exp 0ti tI t t t 数，由回击速度与通道电荷密度等参数综合确定流的实测波形，能很好地反映出雷电基电流的特相对简单，是国家标准所规定的雷电流波形，被函数电流模型 01 1 2(0, ) 1 expn nIi t t t t 电流峰值，n 为电流变化率因子，为基电流峰值[25]

六面体网格

来表示未知函数，所以无限个自由度的原继而用有限数目的未知系数来近似整个系方程得到原边值问题的近似解。是 K. S. Yee[35]提出的一种在时域直接求well 方程中的两个旋度方程用二阶精度的方程。它的求解首先将计算空间离散，然间上进行离散。这一方法的最大优点在于果,且可以分析任意复杂的媒质。可求解各种电磁场问题和从静态场到时域 Maxwell 方程离散化，为求解方程需定割成许多网格单元。以正交六面体网格为互嵌套、互相正交的网格。在基网格的面网格的面上定义电通 d，棱上定义磁压 h，

示意图,发射天线,示意图,高频电流

选用的基函数的线性组合并代入算子方程，最后用一程取矩量得到一个矩阵方程或者代数方程组，通过计对求解积分方程和微分方程都适用，其求解过程简但是它计算量很大，会对研究造成不便。发射和接收和馈线构成的辐射系统被称为天线[38-39]，它实际上是能量的能量转换装置，用来发射和接收电磁波。当天线中的高频电流能量转换为电磁波；当天线处于接收变成馈线中的高频电流或电压。图 2-3 所示。其匹配网络的输入功率为mP ；经过aP ；经天线辐射流入自由空间的功率记作radP 。由一部分被反射，这部分反射功率记作refP 。而天 RenE H u dS ，其中S 是包含天线的封闭曲面。

【参考文献】