天线对隧道中电磁波传播特性的影响latest.doc

天线对隧道中电磁波传播特性的影响本课题得到国家自然科学基金的资助（“煤矿瓦斯传感技术和预警系统基础理论与关键技术研究”批准号：50534050）霍羽 徐钊 郑红党 周兴中国矿业大学，信电学院，江苏徐州 （221008）E-mail: huoyupaperyahoo.cn摘 要： 本文结合实验数据，利用几何光学模型进行仿真分析，研究探讨了天线的最佳方向图和最佳安放位置。结果表明：发射天线在隧道截面的位置对隧道中电磁波的场强分布有很大影响；与全向性天线相比，在隧道顶壁中心处，采用方向函数为的水平极化天线，或在隧道侧壁中间，采用方向函数为的垂直极化天线，可以改善电磁波传播的驻波图形，并降低传播损耗。关键词：无线通信，隧道，场强分布,天线位置，方向函数中图分类号：TD655； TN929.4 1. 引言近年来有学者为减小隧道内电磁波的传播损耗，提高天线的覆盖距离，探讨了发射天线在隧道中的最佳方向图，但是并没有考虑到天线位置的影响1。然而本文的研究发现所谓的最佳方向图并非对发射天线的任何安装位置都适用，对于某些位置，其传播特性甚至不如全向性天线。目前虽然已有不少文献就隧道内天线位置对电磁波场强分布的影响做过相关研究，但所得结论各不一致24。文献2用实际测量的方法进行研究，认为所得场强强度的差异是由天线的插入损耗对天线位置的敏感性造成的，而场强强度本身对天线位置不具敏感性。而文献3以多波模传输理论为基础进行仿真分析，认为电磁波场强强度对天线位置也具有敏感性，并且在隧道截面处的分布主要集中在中心区域。但文献4得出的实验结果显示随着收发天线间距的不同，场强在隧道截面的分布并非总是集中在中心区域。本文以几何光学模型57为基础，将实际测量数据与理论仿真相结合，首先分析和研究了天线位置对电磁波场强分布的影响，然后综合探讨了发射天线在隧道内的最佳方向函数和最佳安放位置。结果表明，在隧道内的适当位置选择具有适当方向性的发射天线，不仅可以大幅度降低电磁波的传播损耗，还可以明显改善隧道内电磁波传播的驻波图形，从而提高通信质量。2. 几何光学模型设主隧道横截面为矩形，宽为a,高为b,采用直角坐标系，原点位于隧道横截面左下角，x,y,z分别沿隧道的宽度，高度和长度方向，如图1所示。几何光学模型下的衰减规律为5，7:（1）、分别是发射天线发送的和接收天线接收到的电磁波信号场强；、分别是直射路径和第i条路径所对应的收、发天线图总增益，它是天线的方向系数和效率的乘积；是第i条传播路径的反射系数；、分别是直射路径和第i条路径所传播的路径长度。图1 仿真方案图 3. 天线位置对矩形隧道中电磁波场强分布的影响将发射天线先后放在如图1所示的四个位置，即隧道截面的中心，顶壁中间，右上角，右侧壁中间，坐标分别是（0.5a，0.5b，z0）、（0.5a，0.9b，z0）、（0.9a，0.9b，z0）、（0.9a，0.5b，z0），z0为纵向参考点。将接收天线置于隧道截面的中心，即（0.5a，0.5b，z）的位置，沿隧道纵向移动。观察电磁波场强随距离变化的规律，仿真结果如图2所示。仿真中，假设隧道截面宽a=6m,高b=4m。载波频率为1000MHz。采用全向偶极子天线。图2的四条曲线，不难看出，不同发射天线位置所对应的电磁波驻波图不同，衰减也各不相同，其中当发射天线位于隧道截面中心时，电磁波传输的场强强度最大，衰减最小，驻波图形最好。这文献2的测量结果相一致。但文献2认为这是由天线的插入损耗受发射天线位置的影响较大引起的，从本文的仿真可以看出，此结论不够准确，隧道内电磁波场强本身对发射天线的位置也具有敏感性。因为隧道截面的中心最接近于自由空间，与此位置相比，位于其他位置的天线受隧道壁的影响较大，因为反射造成的驻波现象较为严重，相对而言，电磁波的传输特性较差。然而，本文不认同文献3的解释“电磁波场强强度在隧道截面处的分布主要集中在中心区域”。将发射天线置于隧道截面的中心。图3(a),(b)分别仿真了垂直极化波场强沿宽度和高度方向上的变化情况。电磁波场强在隧道横截面上的分布近似于余弦函数。由仿真结果可以看出，在距离发射天线为300m时，垂直极化波的场强强度在接近截面中心的位置相对较小，但是在距离发射天线360m时，情况则相反，出现最大值。这和文献4的在隧道中的实验结果相一致。由此可以推断，电磁波在隧道中传输时能量并非集中在隧道中间，其在隧道截面上的分布随收发天线间相对距离的变化而不同。这是由电磁波场强随距离的变化规律所决定的。由于多径传输的存在，电磁波场强强度随距离的变化出现较大幅度的波动。本文对水平极化波的仿真，也可得出类似结论。图2 垂直极化波场强随距离的变化关系Fig.2 Variation of the vertical polarized electric field amplitude with distance depended on the transmit antenna positions in the straight tunnel (a)垂直极化波沿宽度方向的变化情况 (b)垂直极化波沿高度方向的变化情况图3 垂直极化波场强在隧道横截面上的分布Fig.3 Received vertical polarized electric field amplitude versus width and height of the tunnel 4. 隧道内发射天线的最佳方向图和最佳安放位置对于隧道这种狭长的传播环境，只有沿隧道纵向发射出去的电磁波才可以实现远距离传输，而其他方向发出的电磁波多因反射而迅速衰减掉。因此本文假设天线的方向函数为或,n=0,1，2，3。显然，当n=0时，方向函数为1，即全向天线。上述方向函数与偶极子天线独立。本文将综合考虑隧道壁中不同位置的影响，探讨天线的最佳方向图和最佳安放位置。基于实际情况，将不讨论隧道截面中心的位置。对于垂直极化天线，图4仿真了在距离为450m时场强的变化情况。图4（a）中，方向函数为的天线在隧道顶壁的中心时，对场强衰减的改善最好。衰减值随n的增加逐渐减小，但当n3以后，衰减值减小的很少。而图4（b）中，方向函数为的天线在隧道右侧壁中间时，对场强衰减的改善最为明显。衰减随n的增加单调减小，当n3时，衰减的减少并不明显。图5仿真了电磁波场强随距离的变化情况，曲线1为隧道顶壁中心采用方向函数为天线的传播情况，曲线2所反映的是隧道右侧壁中心采用方向函数为的天线的传播情况，作为对比，曲线3、4分别为全向性天线在隧道顶壁中心和右侧壁中心的传播电磁波的情况。通过比较，可以看出曲线1、2对全向天线的驻波图形都有所改善，其中的天线所对应的驻波图形最好，而的天线对电磁波场强衰减的改善最好。因此如果对驻波要求不是很高的情况下，垂直极化天线的最佳方向函数为，考虑到矩形隧道的几何对称性，最佳位置是隧道左/右侧壁中心。 (a) |Ev| For Antenna Pattern (b) |Ev| For Antenna PatternFig.4 Field Profile with 450m Distance from Vertical Antenna, and Depended on the Transmitted Antenna 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对于水平极化天线，图6做了与垂直极化天线类此的仿真，得到的结论近乎相似。图7仿真了电磁波场强随距离的变化情况。4条曲线的定义与图5一致。所不同的是这里仿真的是水平极化波。与相应位置处的全向天线相比，曲线1、2对驻波图形均有所改善。只是此时方向函数的驻波图形最好，而方向函数对信号场强衰减的改善最好。因此如果对驻波要求不是很高的情况下，水平极化天线的最佳方向函数为，最佳位置是顶壁中心。 (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 Polarized Electric Field Amplitude with Distance Depended on Different Antenna Patterns in the Straight Tunnel5. 结论本文结合实验数据，利用几何光学模型进行仿真分析，得出结论： 隧道内传播的电磁波场强分布对发射天线的位置敏感。 相对于全向性天线，在合适的位置安装具有一定方向性的天线不仅可以减弱电磁波的传播损耗，还可以很好的改善电磁波的驻波图形。 水平极化天线的最佳方向函数为，对应的最佳位置是顶壁中心；而垂直极化天线的最佳方向函数为，对应的最佳位置是隧道的侧壁中间。参考文献：1 K.FUJIMORI, H.ARAI. Ray Tracing Analysis of Propagation Characteristics in Tunnels Including Transmitting Antenna. Antenna and Propagation Society International SymposiumA. 1996.2 Y.P.Zhang, Y.Hwang. Characterization of UHF Radio Propagation Channels in Tunnel Environments for Microcellular and Personal CommunicationsA. IEEE Transactions on Vehicular Technology. VOL.47, NO.1, 1998,123 郑红党,徐钊,聂小燕. 矩形隧道中电磁波场强分布的研究与分析J. 中国科技论文在线.2008.104 Ph.Mariage, M.Lienard, and P.Degauque, Theoretical and Experimental Approach of the Propagation of High Frequency Waves in Road Tunnels J. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, VOL.42, NO.1,JANUARY,1994.5 李晶，井下巷道超高频无线电波传播及定位算法的研究D，天津：天津大学，20066 MAHMOUD S.F., WAIT J.RGeometrical optical approach for electromagnetic wave propagation in rectangular mine tunnels J Radio Sci，1974，9：114711587 张申，帐篷定律与隧道无线数字通信信道建模J.通信学报，2002年11月，23（11）：41-50方向函数的确定可以从布鲁斯特角以及反射系数的角度去考虑，方向函数在不同位置处的特性可以考虑因为反射造成的能量损耗大小，当置于隧道顶壁中心和侧壁中心时，能量都缺失了一半，但是反射过程中，能量衰减快慢有所不同，由于隧道的几何对称性，垂直极化天线和水平极化天线的特性互逆。还需进一步理论分析。