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基于矢量抛物方程方法的铁路沿线电波覆盖特性研究

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基于矢量抛物方程方法的铁路沿线电波覆盖特性研究

作者：刘茜溪北京交通大学

学位级别：硕士

铁路沿线稳定的无线通信系统是列车安全运行的重要因素之一。我国山区铁路沿线地形复杂,为了避免列车无线通信信号和外界信号相互干扰,通常要将列车的无线通信信号控制在铁路沿线有限空间内传播。因此,实现铁路沿线电波在有限区域内的... 详细信息

铁路沿线稳定的无线通信系统是列车安全运行的重要因素之一。我国山区铁路沿线地形复杂,为了避免列车无线通信信号和外界信号相互干扰,通常要将列车的无线通信信号控制在铁路沿线有限空间内传播。因此,实现铁路沿线电波在有限区域内的高效覆盖是提高无线通信质量,进而保障铁路无线控制系统安全运行的重要手段。铁路沿线电波覆盖的研究主要集中在隧道这一单一场景上,对沿线开阔空间、以及包括开阔空间与受限空间接续区域在内的混合空间中电波覆盖研究的很少。本文针对现有研究的不足,对铁路沿线混合空间中的电波覆盖特性和规律进行研究,希望为我国中西部地区铁路铁路无线通信系统的设计提供理论依据。本文的主要内容和创新点有以下几个方面:(1)在原有的交替方向隐式抛物方程方法的基础上,研究了隧道的阻抗边界条件并进行模拟,推导了此环境中的双向抛物方程方法,利用该方法能够考虑存在列车时的后向散射电波,因而能更加真实地模拟隧道内的电场分布。为了验证方法的正确性,利用射线追踪方法对抛物方程方法的结果进行了验证。(2)将抛物方程方法应用于开阔空间中的电波覆盖特性研究。此类环境因为没有明确的物理边界,难以用计算方法进行全空间计算。因此,利用窗函数设置开阔空间中抛物方程方法的计算区域边界,对边界处的电波进行吸收,从而将计算区域模拟成开阔空间。为了验证方法的正确性,利用自由空间电波传播经验公式和双射线方法对抛物方程方法的结果进行了验证。(3)利用抛物方程方法研究了铁路沿线混合空间中的多种因素对电波覆盖的影响。建立了开阔空间-隧道等多场景电波覆盖模型,对电波在不同场景中的传播特性进行了仿真。利用场强中值和平坦因子两个指标对天线位置对电波覆盖的影响进行了研究,得出了最适合安装天线的区域范围;此外,对隧道本身的介质对电波覆盖的影响进行了研究,得到介电常数和电导率改变时的电波覆盖规律。(4)从理论和实测两个方面对楼道环境下不同天线位置以及存在障碍物时的电波覆盖情况进行了研究,测量了不同天线位置时的接收功率分布规律,并与抛物方程模型分析得到的结果进行了比较研究。

关键词：矢量抛物方程铁路沿线受限空间混合场景电波覆盖

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嵌套型受限空间中的电波覆盖特性研究

嵌套型受限空间中的电波覆盖特性研究

作者：刘百川北京交通大学

学位级别：硕士

隧道中列车内部受限空间与列车外部受限空间形成了嵌套型受限空间。嵌套型受限空间中稳定的无线电波覆盖是列车控制系统安全运行以及公众移动通信系统稳定可靠的重要保障。我国中西部地区地形复杂、多隧道,为了提升这类环境中的无线通... 详细信息

隧道中列车内部受限空间与列车外部受限空间形成了嵌套型受限空间。嵌套型受限空间中稳定的无线电波覆盖是列车控制系统安全运行以及公众移动通信系统稳定可靠的重要保障。我国中西部地区地形复杂、多隧道,为了提升这类环境中的无线通信系统性能,实现嵌套型受限空间高效电磁波覆盖尤为关键。然而,嵌套型受限空间中电磁环境复杂以及物理结构多样,要进行精确的电波覆盖预估需要精确模拟嵌套型受限空间结构。本文采用FDTD方法计算分析了嵌套型受限空间中列控无线通信系统和公众移动通信系统的电波覆盖特性,并在理论分析基础上进行了实验研究,得到受限空间中电波覆盖的基本数据。本文工作对中西部地区铁路沿线嵌套型受限空间的电波覆盖预估及高效设计具有指导意义。本文的主要研究内容和创新点如下:1)建立了嵌套型受限空间计算模型,利用并行FDTD技术和等效原理相结合的方法,比较真实地模拟了列车存在时隧道内和车体内的电场分布情况,研究了列车车体的材料参数、发射天线位置参数及空间分集、直放站等因素对列控无线通信系统电波覆盖特性的影响,为嵌套型受限空间中列车控制无线通信系统的高效电波覆盖设计提供了依据。2)在列车模型中引入了人体与座椅等因素,构建了更为实际的车体内部的复杂环境。研究了列车车体导致的屏蔽损耗,分析了列车车体材料参数、内部人体损耗以及乘客率、发射天线位置参数及分集、直放站天线等因素对公众移动通信电波覆盖的影响,为嵌套型受限空间中公众移动通信系统的电波覆盖设计提供了基本数据。3)搭建了嵌套型受限空间的实验研究环境,测量了不同发射天线参数和接收天线参数情况下嵌套型受限空间中的电波覆盖情况,同时与仿真结果进行对比,验证理论方法的正确性。依据测试结果,分析了不同发射天线参数与接收天线参数对嵌套型受限空间中电波覆盖特性的影响,提出了实现嵌套型受限空间高效电波覆盖的方案。

关键词：嵌套型受限空间电波覆盖时域有限差分法列控无线通信公众移动通信

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轨道交通无线通信系统电波覆盖特性研究

无线互联科技 2020年第15期17卷 17-18页

作者：周谷鸣冯伟明钱程无锡地铁集团有限公司江苏无锡214023 江苏航天大为科技股份有限公司江苏苏州215011

轨道交通在目前的城市交通系统中发挥着非常重要的作用,对轨道交通的各个方面进行分析与了解有突出的现实意义。就当前的资料研究来看,轨道交通的稳定和安全运行与无线通信系统的关系密切,如果无线通信系统电波覆盖存在遗漏,或者信号传... 详细信息

轨道交通在目前的城市交通系统中发挥着非常重要的作用,对轨道交通的各个方面进行分析与了解有突出的现实意义。就当前的资料研究来看,轨道交通的稳定和安全运行与无线通信系统的关系密切,如果无线通信系统电波覆盖存在遗漏,或者信号传输有迟滞等现象,轨道交通运行安全会大受影响。为了规避轨道交通无线通信系统的相关问题,也为了更好地处理轨道交通无线通信系统中的电波覆盖问题和缺陷,文章就相关内容展开分析,旨在为实践提供帮助和指导。

关键词：轨道交通无线通信系统电波覆盖特性

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一种预测室内电波有效覆盖的混合模型

电信快报 2001年第11期 32-33页

作者：李荣李培源吴志忠南京邮电学院 210003

文章介绍一种预测高楼中某一楼层路径损耗和电波有效覆盖范围的混合模型。该模型结合二维射线追踪法和“直折射”模型,并考虑金属物体的影响,可明显提高预测的准确度。

关键词：电波覆盖室内传播模型直折射模型电波传播

实现隧道环境中电波高效覆盖的天线研究与设计

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实现隧道环境中电波高效覆盖的天线研究与设计

作者：白清莹北京交通大学

学位级别：硕士

隧道、矿井等受限空间中的环境往往复杂多变,无线信号在其中传播时会受到隧道壁的反射、绕射等影响,从而形成较为复杂的电磁环境。在这样的受限空间内,如果没有高效的电波覆盖系统,就很难保证隧道中的通信质量,甚至威胁行车安全。目前... 详细信息

隧道、矿井等受限空间中的环境往往复杂多变,无线信号在其中传播时会受到隧道壁的反射、绕射等影响,从而形成较为复杂的电磁环境。在这样的受限空间内,如果没有高效的电波覆盖系统,就很难保证隧道中的通信质量,甚至威胁行车安全。目前实际应用于隧道的天线以八木天线、螺旋天线等传统天线为主,而此类天线的设计并未考虑其所应用的受限空间环境特性,因此在应用中易造成电波覆盖波动较大的问题,有时甚至会形成盲区。同时,现有的对隧道环境电波覆盖的研究,多采用平面波入射,而采用实际天线方向图与隧道环境结合的研究还不多见。本文针对上述问题,将实际天线的真实方向图与射线追踪法相结合,分析了天线特性参数和位置对隧道的电波覆盖的影响。设计了一种新型的高增益、低副瓣的左右手结构漏波天线,证实了相比于现有的天线,其在隧道中的电波覆盖效果更好。本文的主要内容和创新工作有:1.研究了不同类型的发射天线对矩形隧道内的电波覆盖效果的影响。分别以偶极子边射阵、偶极子端射阵和八木天线作为发射天线,在保持辐射功率相同的情况下,分析了天线波束宽度、增益对隧道中电波覆盖的影响。结果表明,采用类型相同、波束宽度不同的发射天线时,矩形隧道中的电波覆盖规律相似。随着发射天线增益提高,隧道中接收天线的接收功率会相应提高。2.利用受限空间中的路径损耗模型划分了电波覆盖空间间断点,以区分隧道中的近、远场,并提出了利用远场区的中值(50%)功率、90%功率和95%功率来估计间断点后的电波覆盖效果。结果表明,采用相同类型、不同波束宽度的天线时,远场区的中值功率、90%功率和95%功率与天线增益呈线性关系。因此随着发射天线增益的提高,远场区的接收功率呈线性增加,表明必要时可通过提高发射天线的增益改善隧道内的电波覆盖效果。3.设计了一种新型的高增益、窄波束、低副瓣的左右手结构漏波天线。设计时利用了上述隧道中的电波传播规律,并利用泰勒电流分布和切比雪夫阵列理论降低了两侧旁瓣,提高了增益。进一步结合射线追踪法,对所提出天线在矩形隧道中的电波覆盖效果进行了分析,结果表明,所设计天线比现有的八木天线等传统天线有更好的隧道电波覆盖效果。

关键词：隧道环境电波覆盖射线追踪方向图漏波天线

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天线波瓣宽度对巷道中电磁波传播特性的影响

传感器与微系统 2022年第3期41卷 47-50,53页

作者：陈诺成凌飞张薇静焦晓龙河南理工大学电气工程与自动化学院河南焦作454000 河南理工大学物理与电子信息学院河南焦作454000

选取矩形巷道作为受限空间模型,基于镜像射线追踪法,通过仿真及实验分析验证了全向天线和不同的定向天线对受限空间内电波覆盖的影响。在巷道、矿井这类受限空间中,定向天线的第一分界点比全向天线的第一分界更远;在矩形巷道中,半功率... 详细信息

选取矩形巷道作为受限空间模型,基于镜像射线追踪法,通过仿真及实验分析验证了全向天线和不同的定向天线对受限空间内电波覆盖的影响。在巷道、矿井这类受限空间中,定向天线的第一分界点比全向天线的第一分界更远;在矩形巷道中,半功率宽度对电波覆盖效果起着至关重要的作用,同时可以通过适当增加第一零点宽度来改善电波的覆盖效果;定向天线存在辐射盲区,在定向天线的辐射盲区内,全向天线的接收功率高于定向天线的接收功率,在定向天线的辐射区域内,定向天线的接收功率高于全向天线的接收功率。研究内容对矩形巷道中无线通信系统的天线的设计、选型及优化布局具有指导意义。

关键词：矩形巷道电磁波天线电波覆盖

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具有目标信息感知功能的智能天线研究

具有目标信息感知功能的智能天线研究

作者：李晓皖北京交通大学

学位级别：硕士

随着移动通信技术的快速发展,通信设备数量逐渐增加,频谱资源十分紧缺,通信系统能耗也不断增加。为了解决这些问题,智能天线技术得到广泛关注。智能天线可以发送定向信号、进行波束切换、降低系统能耗。智能天线一般包括三个模块,分别... 详细信息

随着移动通信技术的快速发展,通信设备数量逐渐增加,频谱资源十分紧缺,通信系统能耗也不断增加。为了解决这些问题,智能天线技术得到广泛关注。智能天线可以发送定向信号、进行波束切换、降低系统能耗。智能天线一般包括三个模块,分别为目标信息感知模块、控制模块以及天线结构。传统的智能天线这三个模块分别由相对独立的系统完成,因此,天线系统体积大、耗能高。本文所研究的基于目标信息感知的智能天线将智能天线的三个模块集成化,可以实现天线对环境目标的自感知,即根据目标位置自动切换波束方向,使目标始终处于电波覆盖的最佳状态,其无需远端控制设备,所以缩小了天线体积,降低了系统整体能耗。本文所设计的智能天线系统对短距离移动通信的发展具有重要的意义和实用价值。首先,针对长直走廊等一维受限空间中的移动通信,以微带贴片天线为基本辐射单元,设计了一维波束可切换天线,通过改变相邻单元的相位差实现了波束指向的改变。由于一维波束可切换阵列天线在波束指向与阵列法向方向夹角较大时,阵列天线会出现较大的旁瓣,性能下降;为了实现更大跨度的电波覆盖,设计了能够形成端射波束的微带准八木天线,并与一维波束可切换阵列集成,从而实现了一维空间的大跨度波束可切换功能。其次,针对室内、站厅等二维空间的移动通信,在一维波束可切换阵列天线的基础上,基于平面阵列的基本原理,设计了二维波束可切换天线,天线仍然以微带贴片天线为辐射单元。设计了Butler矩阵作为馈电网络,通过切换馈电端口,实现了二维空间的4波束切换。对所设计的天线进行了加工测试,测试结果与仿真结果吻合较好,验证了天线的波束切换功能。最后,设计了智能天线控制模块,并以本文所设计的二维波束可切换天线为例,研究了天线与智能控制模块的集成。对集成的智能天线系统进行了测试,验证了智能天线实现环境目标自感知和自动波束跟踪的功能。在测试中,所设计的智能天线系统能够根据环境中目标的位置变化,自动切换波束指向,使目标始终处于电波覆盖最佳状态。

关键词：智能天线波束可切换天线自感知电波覆盖

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受限空间适应型圆极化天线研究

受限空间适应型圆极化天线研究

作者：张媛媛北京交通大学

学位级别：硕士

受限空间环境中的电波覆盖特性关系到受限空间中无线通信的可靠性,会直接影响其中载体运行及人员的安全。由于圆极化波具有抗多径衰落、抗极化失配等特点,因而被认为能够提供比较均匀的电波覆盖,并且已经有工程实例将圆极化天线作为受... 详细信息

受限空间环境中的电波覆盖特性关系到受限空间中无线通信的可靠性,会直接影响其中载体运行及人员的安全。由于圆极化波具有抗多径衰落、抗极化失配等特点,因而被认为能够提供比较均匀的电波覆盖,并且已经有工程实例将圆极化天线作为受限空间中的发射天线使用,如西班牙马德里隧道。然而圆极化波在受限空间的覆盖情况到底如何,并没有明确的结论,因为受限空间边界复杂,反射波的极化多变,目前有关受限空间中圆极化波传播的研究成果还很少,因此有必要对受限空间中圆极化天线及其产生的电波覆盖进行深入的研究。本文利用基于镜像原理的射线追踪法,对圆极化波在矩形硬边界受限空间中的电波覆盖特性进行研究,并据此提出了两种类型的圆极化阵列天线。这两种天线分别使用蝴蝶结型天线和交叉振子天线作为阵列单元,横截面积小,可在风阻较大的受限空间中使用。本文的主要贡献有如下几个方面:1.研究了基于镜像原理的射线追踪方法,并且将电波覆盖的研究与天线具体特性相结合。研究了矩形硬受限空间中不同极化波的传播规律,对比分析了不同极化波的传播特性差别,发现圆极化波在矩形隧道中的覆盖特性处于水平极化和垂直极化两种情况之间,分析了圆极化波这一特性的成因。2.分析了单向端射和双向端射的发射天线在受限空间中的电波覆盖特性。根据能量均匀性和系统能效因子,研究了在长受限空间中通过改变天线纵向分布位置来实现电波覆盖特性优化的方法,对受限空间中天线分布的实际设计有指导意义。3.采用正交放置的蝴蝶结型天线为单元,设计了低风阻圆极化阵列天线。此阵列天线工作在900 MHz,在两端辐射旋向相同的圆极化波,可作为发射圆极化波的多天线系统的单元使用,具有结构紧凑、安装方便的优点。4.采用交叉振子单元设计、并制作了单向辐射和双向端射的交叉振子单元圆极化阵列天线,两个阵列天线都工作在当前铁路通信系统正推广使用的1.7 GHz频段,可分别用于发射圆极化波的单天线或多天线系统。

关键词：受限空间电波覆盖圆极化射线追踪方法阵列天线