基于射线跟踪仿真的弯曲隧道中电波传播特性研究

作     者：许婷 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：艾渤

授予年度：2015年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：弯曲隧道 额外损耗 大尺度衰落 

摘      要：社会经济发展越来越快,人们的精神与物质需求越来越高,通信中进一步提高与优化用户体验是必然趋势,也是人们不断努力的目标。 城市迅速扩张意味着涌入了更多的人口,交通压力是城市生活中永恒的话题,地铁、高铁等受限空间的利用为人们打造了方便快捷的生活方式。在通信领域中,受限空间不同于开放空间,电波传播特性有所改变。几十年来,已经有一些学者对直隧道进行研究,并提出了很重要的理论和模型。可是关于弯曲隧道的研究还比较少,电波在弯曲隧道中传播产生的路径损耗比电波在直隧道中传播产生的路径损耗更大,本文的创新点在于通过对这种电波在弯曲隧道中产生的额外损耗进行仿真、提取、分析和建模来研究电波在弯曲隧道中的传播特性。 本文主要工作如下： (1)通过仿真的方式得到所需的直隧道和弯曲隧道内接收信号功率,分别对不同横截面形状的隧道进行仿真,如矩形横截面隧道、拱形横截面隧道(本文称为“Type1型隧道)和马蹄形横截面隧道(本文称为“Type2型隧道),也对不同信号的发射频率、弯曲隧道的不同曲率半径以及隧道内接收机的不同位置进行仿真,为后续电波传播特性的研究提供数据。 (2)根据仿真得到的数据计算路径损耗因子,探究隧道内不同因素对电波传播损耗的影响。发现弯曲隧道的曲率半径越小(隧道弯曲程度越大),损耗因子越大,表明隧道弯曲减少了波导效应。发现发射信号的频率越高,损耗因子越大,损耗越大。此外,论文还探讨了隧道横截面以及隧道内不同位置的接收机对损耗因子的影响。 (3)对弯曲隧道场景仿真得到的数据进行额外损耗的计算,探究隧道内不同因素对额外损耗的影响。额外损耗是一个相对概念,指电波在弯曲隧道内传播产生的损耗与相同环境下在直隧道中产生的损耗之差。根据观察到的额外损耗的特性,提出在距离上对额外损耗进行阶段分析,共分成三个阶段,为弯曲隧道的额外损耗建立更精确的模型。发现三个阶段中,弯曲隧道曲率半径越小(弯曲程度越大),额外损耗越大;在前两个阶段中,发射信号的频率越高,额外损耗越大,但在第三个阶段中没有显示出这样的特性;此外,本文还发现接收机在弯曲隧道内壁侧时,隧道内的额外损耗比接收机在弯曲隧道外壁侧时的额外损耗大。 综上所述,本文从理论上提供了可应用到不同类型的弯曲隧道内电波传播的模型,从工程应用上为弯曲隧道内的网络规划提供指导。