天線對隧道中電磁波傳播特性的影響latest

1、天線對隧道中電磁波傳播特性的影響本課題得到國家自然科學(xué)基金的資助（“煤礦瓦斯傳感技術(shù)和預(yù)警系統(tǒng)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究”批準號：50534050）霍羽 徐釗 鄭紅黨 周興中國礦業(yè)大學(xué)，信電學(xué)院，江蘇徐州 （221008）E-mail: huoyupaper摘 要： 本文結(jié)合實驗數(shù)據(jù)，利用幾何光學(xué)模型進行仿真分析，研究探討了天線的最佳方向圖和最佳安放位置。結(jié)果表明：發(fā)射天線在隧道截面的位置對隧道中電磁波的場強分布有很大影響；與全向性天線相比，在隧道頂壁中心處，采用方向函數(shù)為的水平極化天線，或在隧道側(cè)壁中間，采用方向函數(shù)為的垂直極化天線，可以改善電磁波傳播的駐波圖形，并降低傳播損耗。關(guān)鍵詞：無線通信

2、，隧道，場強分布,天線位置，方向函數(shù)中圖分類號：TD655； TN929.4 1. 引言近年來有學(xué)者為減小隧道內(nèi)電磁波的傳播損耗，提高天線的覆蓋距離，探討了發(fā)射天線在隧道中的最佳方向圖，但是并沒有考慮到天線位置的影響1。然而本文的研究發(fā)現(xiàn)所謂的最佳方向圖并非對發(fā)射天線的任何安裝位置都適用，對于某些位置，其傳播特性甚至不如全向性天線。目前雖然已有不少文獻就隧道內(nèi)天線位置對電磁波場強分布的影響做過相關(guān)研究，但所得結(jié)論各不一致24。文獻2用實際測量的方法進行研究，認為所得場強強度的差異是由天線的插入損耗對天線位置的敏感性造成的，而場強強度本身對天線位置不具敏感性。而文獻3以多波模傳輸理論為基礎(chǔ)進行仿

3、真分析，認為電磁波場強強度對天線位置也具有敏感性，并且在隧道截面處的分布主要集中在中心區(qū)域。但文獻4得出的實驗結(jié)果顯示隨著收發(fā)天線間距的不同，場強在隧道截面的分布并非總是集中在中心區(qū)域。本文以幾何光學(xué)模型57為基礎(chǔ)，將實際測量數(shù)據(jù)與理論仿真相結(jié)合，首先分析和研究了天線位置對電磁波場強分布的影響，然后綜合探討了發(fā)射天線在隧道內(nèi)的最佳方向函數(shù)和最佳安放位置。結(jié)果表明，在隧道內(nèi)的適當位置選擇具有適當方向性的發(fā)射天線，不僅可以大幅度降低電磁波的傳播損耗，還可以明顯改善隧道內(nèi)電磁波傳播的駐波圖形，從而提高通信質(zhì)量。2. 幾何光學(xué)模型設(shè)主隧道橫截面為矩形，寬為a,高為b,采用直角坐標系，原點位于隧道橫截面

4、左下角，x,y,z分別沿隧道的寬度，高度和長度方向，如圖1所示。幾何光學(xué)模型下的衰減規(guī)律為5，7:（1）、分別是發(fā)射天線發(fā)送的和接收天線接收到的電磁波信號場強；、分別是直射路徑和第i條路徑所對應(yīng)的收、發(fā)天線圖總增益，它是天線的方向系數(shù)和效率的乘積；是第i條傳播路徑的反射系數(shù)；、分別是直射路徑和第i條路徑所傳播的路徑長度。圖1 仿真方案圖 3. 天線位置對矩形隧道中電磁波場強分布的影響將發(fā)射天線先后放在如圖1所示的四個位置，即隧道截面的中心，頂壁中間，右上角，右側(cè)壁中間，坐標分別是（0.5a，0.5b，z0）、（0.5a，0.9b，z0）、（0.9a，0.9b，z0）、（0.9a，0.5b，z0

5、），z0為縱向參考點。將接收天線置于隧道截面的中心，即（0.5a，0.5b，z）的位置，沿隧道縱向移動。觀察電磁波場強隨距離變化的規(guī)律，仿真結(jié)果如圖2所示。仿真中，假設(shè)隧道截面寬a=6m,高b=4m。載波頻率為1000MHz。采用全向偶極子天線。圖2的四條曲線，不難看出，不同發(fā)射天線位置所對應(yīng)的電磁波駐波圖不同，衰減也各不相同，其中當發(fā)射天線位于隧道截面中心時，電磁波傳輸?shù)膱鰪姀姸茸畲螅p最小，駐波圖形最好。這文獻2的測量結(jié)果相一致。但文獻2認為這是由天線的插入損耗受發(fā)射天線位置的影響較大引起的，從本文的仿真可以看出，此結(jié)論不夠準確，隧道內(nèi)電磁波場強本身對發(fā)射天線的位置也具有敏感性。因為隧道

6、截面的中心最接近于自由空間，與此位置相比，位于其他位置的天線受隧道壁的影響較大，因為反射造成的駐波現(xiàn)象較為嚴重，相對而言，電磁波的傳輸特性較差。然而，本文不認同文獻3的解釋“電磁波場強強度在隧道截面處的分布主要集中在中心區(qū)域”。將發(fā)射天線置于隧道截面的中心。圖3(a),(b)分別仿真了垂直極化波場強沿寬度和高度方向上的變化情況。電磁波場強在隧道橫截面上的分布近似于余弦函數(shù)。由仿真結(jié)果可以看出，在距離發(fā)射天線為300m時，垂直極化波的場強強度在接近截面中心的位置相對較小，但是在距離發(fā)射天線360m時，情況則相反，出現(xiàn)最大值。這和文獻4的在隧道中的實驗結(jié)果相一致。由此可以推斷，電磁波在隧道中傳輸時

7、能量并非集中在隧道中間，其在隧道截面上的分布隨收發(fā)天線間相對距離的變化而不同。這是由電磁波場強隨距離的變化規(guī)律所決定的。由于多徑傳輸?shù)拇嬖?，電磁波場強強度隨距離的變化出現(xiàn)較大幅度的波動。本文對水平極化波的仿真，也可得出類似結(jié)論。圖2 垂直極化波場強隨距離的變化關(guān)系Fig.2 Variation of the vertical polarized electric field amplitude with distance depended on the transmit antenna positions in the straight tunnel (a)垂直極化波沿寬度方向的變化情況 (b

8、)垂直極化波沿高度方向的變化情況圖3 垂直極化波場強在隧道橫截面上的分布Fig.3 Received vertical polarized electric field amplitude versus width and height of the tunnel 4. 隧道內(nèi)發(fā)射天線的最佳方向圖和最佳安放位置對于隧道這種狹長的傳播環(huán)境，只有沿隧道縱向發(fā)射出去的電磁波才可以實現(xiàn)遠距離傳輸，而其他方向發(fā)出的電磁波多因反射而迅速衰減掉。因此本文假設(shè)天線的方向函數(shù)為或,n=0,1，2，3。顯然，當n=0時，方向函數(shù)為1，即全向天線。上述方向函數(shù)與偶極子天線獨立。本文將綜合考慮隧道壁中不同位置的影響，

9、探討天線的最佳方向圖和最佳安放位置?；趯嶋H情況，將不討論隧道截面中心的位置。對于垂直極化天線，圖4仿真了在距離為450m時場強的變化情況。圖4（a）中，方向函數(shù)為的天線在隧道頂壁的中心時，對場強衰減的改善最好。衰減值隨n的增加逐漸減小，但當n3以后，衰減值減小的很少。而圖4（b）中，方向函數(shù)為的天線在隧道右側(cè)壁中間時，對場強衰減的改善最為明顯。衰減隨n的增加單調(diào)減小，當n3時，衰減的減少并不明顯。圖5仿真了電磁波場強隨距離的變化情況，曲線1為隧道頂壁中心采用方向函數(shù)為天線的傳播情況，曲線2所反映的是隧道右側(cè)壁中心采用方向函數(shù)為的天線的傳播情況，作為對比，曲線3、4分別為全向性天線在隧道頂壁中

10、心和右側(cè)壁中心的傳播電磁波的情況。通過比較，可以看出曲線1、2對全向天線的駐波圖形都有所改善，其中的天線所對應(yīng)的駐波圖形最好，而的天線對電磁波場強衰減的改善最好。因此如果對駐波要求不是很高的情況下，垂直極化天線的最佳方向函數(shù)為，考慮到矩形隧道的幾何對稱性，最佳位置是隧道左/右側(cè)壁中心。 (a) |Ev| For Antenna Pattern (b) |Ev| For Antenna PatternFig.4 Field Profile with 450m Distance from Vertical Antenna, and Depended on the Transmitted Anten

11、na Positions in the Straight TunnelFig.5 Variation of the vertical Polarized Electric Field Amplitude with Distance Depended on Different Antenna Patterns in the Straight Tunnel對于水平極化天線，圖6做了與垂直極化天線類此的仿真，得到的結(jié)論近乎相似。圖7仿真了電磁波場強隨距離的變化情況。4條曲線的定義與圖5一致。所不同的是這里仿真的是水平極化波。與相應(yīng)位置處的全向天線相比，曲線1、2對駐波圖形均有所改善。只是此時方向函數(shù)

12、的駐波圖形最好，而方向函數(shù)對信號場強衰減的改善最好。因此如果對駐波要求不是很高的情況下，水平極化天線的最佳方向函數(shù)為，最佳位置是頂壁中心。 (a) |Eh| For Antenna Pattern (b) |Eh| For Antenna PatternFig.6 Field Profile with 450m Distance from Horizontal Antenna, and Depended on the Transmitted Antenna Positions in the Straight TunnelFig.7 Variation of the Horizontal Pol

13、arized Electric Field Amplitude with Distance Depended on Different Antenna Patterns in the Straight Tunnel5. 結(jié)論本文結(jié)合實驗數(shù)據(jù)，利用幾何光學(xué)模型進行仿真分析，得出結(jié)論： 隧道內(nèi)傳播的電磁波場強分布對發(fā)射天線的位置敏感。 相對于全向性天線，在合適的位置安裝具有一定方向性的天線不僅可以減弱電磁波的傳播損耗，還可以很好的改善電磁波的駐波圖形。 水平極化天線的最佳方向函數(shù)為，對應(yīng)的最佳位置是頂壁中心；而垂直極化天線的最佳方向函數(shù)為，對應(yīng)的最佳位置是隧道的側(cè)壁中間。參考文獻：1 K.FUJI

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