组合墙及其影响分析短径传播建模.docx

文献翻译 学生学院：郑州大学软件学院 专业班级：电子与通信工程09级学生姓名：简超峰 实验日期：2011年12月31 短径传播建模组合墙及其影响分析 帕特里克属首位，克里斯托弗L。霍洛威会员，IEEE会员，IEEE， 罗纳德R. DeLyser，高级会员，IEEE会员，IEEE和Kenneth C.艾摘要：对于短期的传播路径，正确代表从表面反射的电磁能量是准确的信号电平的预测的关键。在本文中，同质化的方法是用来确定有效建筑常用的复合材料的材料特性。块墙壁和其他类型的与这些同质化的有效物质属性计算的材料的反射系数。还调查准确地代表信号水平预测模型的反射的重要性。结果表明，在接收到的信号强度（RSS）的5- 10 - dB的误差可能会发生，如果没有妥善处理的复合墙壁。在短距离内信号传播的准确预测是适用于微孔个人通信服务部署在城市峡谷以及室内无线专用分组交换机和局域网。复合墙-混凝土墙，有效的材料特性，同质化，传播模型，反射系数。一,导言通过城市环境的长期路径传播的许多工作已在过去所做的那样1 - 10。在大部分工作，很少关注到准确地表述了一股引人注目的建筑物表面的反射系数（F）的。在本文中，复合墙与电磁波相互作用的问题解决。这里所使用的一些例子混凝土砌块墙体和图1和2中描述的其他复合结构。 在大部分发表的作品，建筑物的反射系数是通过假设的建材是完美的导体或建筑幕墙与一些假设性质的材料单楼板。大部分，这很可能是合理的“城市峡谷”的传播路径。 在长期的路径传播，发射和接收天线被设置在一个比较大的距离。占主导地位的贡献，为城市峡谷设置的总信号，使关闭的建设一两个反弹波，采取直接的路径，使离地之一反弹（见图3）。在这种情况下，波反弹建筑物事件的角度接近放牧，或90。即使非常不同的角度依赖性的一种复合材料的反射系数可以表现较理想导体或一个实心板，这是不是一个长期的传播路径的重要问题。因此，无论建设的物质，大入射角的实际反射系数将接近一个完美的导体。 越来越多的人需要在2-100米范围内的信号水平来预测短期的传播路径商业校区利用无线专用分支交流（交换机）和无线局域网络（局域网），以提供通过城市峡谷移动语音和数据通信，车辆通信附近的继电器，和微孔个人通信的服务（PCS的）部署在购物中心和机场仅仅是几个例子。对于这些短期的传播路径，准确地反映了从墙壁上的波行为是非常重要的。 计算领域的互动（即反射和传输系数）的复合材料结构在图1和图2所示的类似，是一个典型的问题（见11 - 27）。这些技术包括从像弗罗奎兹分析和模式匹配的时刻（MOM），有限元，有限差分方法的方法等完整的数值方法的分析技术。这些技术精度高，但计算密集的，因此，不借给信号预测模型自己准备使用。对于短路径的信号预测模型（如光线跟踪和其他几何光学模型），高效的封闭形式表达复合材料结构的反射和透射系数计算所需。 在本文中，我们介绍一些常用的复合建材的有效物质属性的表达式。这些有效物质属性表达式可以用来有效地获取复合材料组成的墙壁的反射和透射系数。这些反射和传输性能，我们调查准确地代表了在短距离内接收到的信号强度（RSS）预测的相互作用的复合墙的重要性。 二。有效的材料性能取从均匀化 手头的问题是确定一个领域的事件将在图1和图2所示的复合周期结构的反射和/或传输系数。在图1混凝土砌块墙体是相当于5层介质。 1和5层是自由的空间，第2层和4的混凝土材料的性能，和第3层代表了一维（1 - D）周期性结构。二维图2（2 - D）复合墙体相当于四层介质。 1和4层是自由的空间，3层的混凝土材料的性能，和第2层的2 - D的周期性结构。为了以计算这些复合结构，字段的的定期部分交互标记为3层（1 - D图1的结构）和第2层（的2 - D结构的的反射和/或传输系数必须确定图2）。近日，同质化已知的周期性结构的分析方法已被用于解决此类问题时的结构期间相比是很小的波长。只有少数这些公布的结果适用于电磁问题：28和29为瓦楞纸阻抗表面，30和31一个网格线和导电条，32一个粗略的完美和非理想导体表面粗糙，33 - 36分析锥体电磁减震器。即使同质化的技术是基于小的波长相比，结构期间，在34给出的结果37 - 39表明，同质化的模型是准确的期间至少1 /2-1自由空间波长和可能有损周期性结构甚至更高。这是更详细的讨论在第五节。(a) (layer1,2,3,4,5,为第1,2,3,4,5层) (b)图1。（a）与沿Y轴的砖和（b）与它沿x轴的砖混凝土墙体的混凝土砌块墙体的插图。图2。一个2 - D定期砌块墙体的插图。图3。插图在四线模型的射线。（wall reflection:墙面反射，direct ray:直接光ground reflection:地面反射）图4。一维周期结构图5。二维周期结构。同质化的使用渐近展开和多尺度的概念，以扩大在慢速和快速变化的渐近幂级数的E和H场。这些慢速和快速的变化与微观和宏观领域的变化。同质化的平均场允许从微观结构的分离40 - 46。渐近幂级数的E和H场，麦克斯韦方程组的可分为不同的权力结构的时期（P）。33发现在此过程中的细节。这种类型的分析，平均零阶领域由以下有关：, 这个等式国家的平均领域满足麦克斯在均匀介质的各向异性方程特点张量这些有效物质匀浆介电常数一个被称为属性和通透性和由以下定义： 平均零阶领域和在一个单一的张量介质的属性。这些张量的值可从解决方案的2- D静态源领域的问题，执政小号和 （见33）。 现在，它已被证明的平均场看到作为一种有效的各向异性同质定期中等张介电常数和通透性，我们的地区现在需要确定有效的材料特性这一地区。已经在极大的关注过去走向确定复合材料的有效性能地区。对于这项工作的调查，请参阅48。 对于一维周期结构，有效性能第3层（见图1）是必要的。如果期间（）的板坯在图所示的结构。 4小相比，在波长无论是中小型相比还小的皮肤深度，然后有效的属性1733和49 - 52作为 其中g=a/p（p和a是定义在图1）是相对占用空间体积的材料，和 散装材料，复杂的参数和和自由空间中的值。对于砌块墙体的2 - D图5所示（其中和），纵向介电常数和渗透性完全被知（28，40和48） 其中g=a/p（a,p被定义在图2）音量占用空间的一小部分材料和和散装材料的复杂的参数。 这种对称的2 - D的周期性结构，和 参考文献33表示横向介电常数和渗透率不是简单的空间平均值作为往往被假设。有没有确切的封闭形式的表达式为横向材料特性，然而，上限和下限为这些属性中可以找到48。村和平泽53做了数值研究类似的周期性结构，他们发现，Hashin- Shtrikman上限48和54关联很清楚这种类型的有效物质属性周期性结构。因此，横向的材料特性可以近似情况如下：再次，g=a2/p2是空间的体积分数所占用的材料。在33，图结构交谈。5，即，一个介质，周围空气（C2C1）进行了分析。如果（5）的材料特性的角色互换凯勒的缩放定理55（这样C1500米），有坚实的墙，复合墙体，或一个完美的墙上之间的差别不大。然而，短路径长度，固壁或一个完美的墙上收到的权力不能重现的共振行为，是目前在复合墙。这个数字说明，短期传播路径，10 - 20- dB的不准确之处可能发生，如果我们假设复合墙体作为固壁处理 正如人们所预料的的，进一步之间的距离墙和两个天线，分离距离较大天线之间必须是前三次曲线相吻合。结果接收功率与频率之间的距离900兆赫和两个天线放置在离墙4米56所示。在这个例子中，四个结果不同的墙壁关联d1公里。在图8中，我们显示的总接收功率为的结果天线的天线间距的功能放在上面一个完美的进行地面和两堵墙之间。 “在图的结果。 8一个发射器和接收天线地面间隔1米和1米，从每个墙。这两个墙壁都被假定为一个完美进行墙，单层板墙上，或混凝土砌块墙。接收功率的计算方法是假设总功率是由四个不同的光线（图3）：直接路径，地面反射，并一次性反映各两堵墙。预测的信号电平是由以下：其中是地面反射系数水平极化和垂直极化 和的幅度和相位。墙壁的反射系数: （离地面反射路径）和 r（关闭的墙壁的反射路径）由下式给出： 和 其中h为天线高出地面的距离，W是天线从墙壁的距离，D是分离两个天线。结果与图一致。7。对于小的距离（d1公里），复合墙体的结果表明，在8-10分贝的信号接收从其他两个类型的墙壁的结果的差异。图9显示了一个发射器和接收天线间距4米，离每个墙。此图显示之间的40-500米，砌块墙体的结果表明，平均约8- 10 - dB的接收信号比从固体或完全进行墙体获得的差异。砌块墙体空值并不像其他两面墙的深根据频率块的散装材料的性能，和块尺寸，复合墙体可能或可能不会像一个单一的楼板墙壁或一个完美的墙上。图10显示的结果2块组成的墙壁的反射率（见表一）。此块是相同的块与异常的介电常数（）是不同的1。图10所示，为垂直极化（TE），砌块墙体具有非常大的的小入射角的反射率值，实心板的结果，而这些小角度的反射率小值。对于垂直极化，我们应该想到，如果从四线模型（11）收到的总功率计算，然后砌块墙体的结果会与墙壁的完美进行关联相当不错。 （y-axis orientation:Y轴方向，x-axis orientation: X轴方向，solid wall:固壁perfect conducting wall:完美进行墙） 图7反射功率与天线分离墙。这些结果1块（见表一）沿Y轴和f=900MHz的导向砖。天线离墙1米。 （y-axis orientation:Y轴方向，x-axis orientation: X轴方向，solid wall:固壁perfect conducting wall:完美进行墙）图8。接收功率与天线分离为四线模型。这些结果为1块砖沿导向（见表一）Y轴和F =900兆赫。天线离地面1米从每个两墙间距1米。（y-axis orientation:Y轴方向，x-axis orientation: X轴方向，solid wall:固壁perfect conducting wall:完美进行墙） 图9。接收功率与天线分离为四线模型。这些结果为1块砖沿导向（见表一）Y轴和F =900兆赫。天线离地面1米和间距4米的两堵墙. 图10。一个垂直反射率与入射角（TE）和平行（TM）极化波。这些结果为2块（见表一）沿两个Y轴和X轴和F =900兆赫砖导向。另外所示为单层厚度等于2L2+ L3板的结果（y-axis orientation:Y轴方向，x-axis orientation: X轴方向，solid wall:固壁perfect conducting wall:完美进行墙） 图11。接收功率与天线分离为四线模型。这些结果为2块平行偏振（见表一）砖沿Y轴导向，F =900兆赫。天线1米折地面和行距1米，每两堵墙。 图10显示为平行偏振（TM），块2展品深空值的反射率。此外，他们轴取向复合墙体的结果对应非常密切的大入射角的固壁的结果。因此，总的预测，预计关联更加紧密合作，以坚实的墙壁，而不是理想导体墙复合墙体的电源。就是这种情况，共收到四个射线模型的力量的结果在图11所示。对于5-60米之间的天线分离，预测块墙的信号比一个完美的墙上少了约5-10分贝。 56结果列于表I所示为其他块墙壁。结果这里介绍56说明如何预测的信号电平可随不同的几何形状和材料特性砖墙。根据块墙参数，预测的信号电平的最短路径传播与无论是实心板墙或一个完美的导体组成的墙。从这两种类型的墙壁之一，它也可以有不同的行为。 四,一个2 - D砌块墙体的反射如图的2 - D的复合结构。2被替换4层的介质。1和4层是自由的空间，第3层是一个与和L3=4.75厘米固体培养基和第2层是一个周期性的培养基（4）和（5）给出的有效物质属性。对于这个媒介，它假定和d=15.3cm和l2=12.8cm, 这种复合结构为垂直和平行极化的反射率56。正如所料，共振行为了坚实的墙比的复合结构是不同的。图12说明了频率为900兆赫的四个射线模型和天线放置在离墙1米的接收功率的结果。在此图显示的结果承担了坚实的墙，一个复合的2 - D结构，和一个完美的墙上。在这里，为混凝土砌块墙体，从三个不同的墙壁的结果长期传播路径的方法之一。然而，对于短期的传播路径（1公里），可预测相差约5分贝。这再次说明了妥善代表短期传播路径的墙壁反射的重要性。（composite wall:复合墙体，solid wall:固壁，perfect conducting wall:完美进行墙）图12。收到的四线模型与天线分离的权力。这些结果与L2 =4:75厘米，L3=12点08厘米的2 - D砌块墙体，D =15时03厘米，A =2时07厘米，R=6时05分，=1:9510魛3，和F =900兆赫。天线离地面1米和两个间隔1米墙壁。 五，有效介质模型的有效性在本文所用的有效物质属性模型的基本假设是，结构的时期相比是很小的一个波长。如何大的一个时期的波长相比，我们是否可以期待有效的结果？可以回答这个问题指的是一个类似的问题同质化的结果。在早期的工作中，一维楔和2 - D锥体减震器结构进行了分析33 - 36采用相同的技术。参考文献34和36说明，定期吸收结构的有效属性，反射系数可以解决一个经典的非均匀层状介质中的问题。这些有效的物质属性获得的理论反射系数一直比较两个实验结果，3738，并从一个完整的数值得到的结果模拟吸波材料34，39。从Ellam实验结果37和Pues38指出，有效的材料特性模型用于分析一个时期如1-3大的吸收材料是有效的自由空间波长。34，通过使用有效的材料特性模型计算的反射系数相比，从矩方法计算得到的结果，并证明是优秀的协议。在这种比较的结果等于半自由空间波长的结构内，高达90大入射角表现出良好的协议。使用有限差分时域技术，霍洛韦等。39表明，优秀的协议是实现自由空间波长为正常发病率大的一个时期。协定也取得了一段时间一个半波长入射角一样大90。这些数值模拟和实验结果表明，在这里提出了复合材料结构的有效物质属性模型是准确的，期间至少一个半自由空间波长为大，甚至可能更高, 频率上限周期性结构的有效物质属性可用于目前正在调查39。沃特斯57已调查砌块墙的声学波相互作用的问题，但他的成绩是这里不适用，。然而，沃特斯没有表明，某些类型的面积加权平均模型可以用来计算通过这些类型的墙壁的传输损耗（参见图1057）。 六。讨论与结论我们已经提出了一个定期的复合材料结构分析电磁波的反射和传输模式。有了这个模型，我们调查的正确预测与短径传播渠道的墙壁的电磁场相互作用的重要性。短径传播（1公里）的固体或复合材料结构的结果的方法之一。这是预料之中，因为在墙壁上的波率的角度大传播路径的方法放牧（90）的，因此，无论壁挂式，反射系数的大小的方法之一。对于长期的传播路径，在传播路径附近的墙壁反射的能量的大小是可以治疗的，如果墙体的行为作为理想导体与一般性的小损失。这个假设的一个例外是在这期间是足够大，以引导能源结构中的一个周期性结构。对于这种情况，定期结构的作用就像一个波导结构，能源，就可以进行了波导模式，因此它不反射光谱方向的表面。一些建筑材料包括定期间隔在混凝土的金属棒。人们可能会首先尝试使用这里讨论的同质化概念来分析这样一个问题。不过，既然是一个大的材料之间的金属棒和具体的财产对比，标准的同质化失败（见3958），必须使用所谓的僵硬的同质化。这种方法已经被用来对付密集的定期嵌入电介质的空间散射的散射59。详情将于稍后公布。即使反射系数的模型分解为大的时期，结果还是说明准确预测反映短距离传播的重要性。不幸的是，一旦结构期间变大，反射系数的简单表达式是不可用。在这些条件下，必须采取更复杂的手段，如一个弗罗奎兹型分析或一个完整的数值方法，12，1819，2627和60，计算的反射系数。 参考 1 H. 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