（电磁场与微波技术专业论文）室内天线及漏缆辐射场分布的研究.pdf

摘要 随着信息时代的到来，对无线通信的要求也越来越高，人们希望 能够随时随地地使用无线电来进行高质量的声音和数据传输，因而灵 活方便、质量可靠、并且能够适应复杂环境的无线通信系统成为今后 的发展趋势。这类系统不但能为终端用户提供便利，而且能极大地减 少新建建筑物内的线路安装，并能在现有建筑物内提供新的通信服务 而无需进行昂贵的、耗时的线路改建。室内无线通信系统中最重要的 技术之一就是有效的辐射和接收射频电波，并在有限功率下尽可能使 电波在建筑物内均匀传播。为此，我们需要设计节能、对环境电磁污 染小，同时又能提高通信质量的室内覆盖系统，而设计室内覆盖系统 中很重要的一个环节就是覆盏预测。针对这一课题，本文着重研究天 线和漏泄同轴电缆作为辐射源在室内环境下所产生的场分粕规律，并 探讨了一些有关予室内电波传播的问题，从理论和实验两方面研究室 内环境下的电波传播规律。 本文的主要工作及仓q 新之处主要有以下几点： 1 运用射线追踪法研究室内天线的辐射场分布规律，天线的位置 及放置方式对辐射场分布的影响是我们研究的重点，同时计算 了窗与金属壁对室内场分布的影响，以及二次反射对场强预测 结果的影响。 2 漏缆作为一种常用的室内辐射源也是本文的研究对象之一，文 中分别计算了漏缆在9 0 0 m h z 和1 8 0 0 m h z 工作于单模和多模 状态下所产生的场分布，并与天线所产生的场分布进行了比 较。 3 利用传输矩阵法计算了任意角度入射的t e 波和t m 波对于砖 墙的透射系数，并初步探讨了几何绕射理论在室内场强预测中 的应用。 4 自行制作了4 5 7 m h z 和8 0 0 m h z 两付半波天线，与信号发生器 及接收机构成测试系统，实际测量了几种环境下室内场强分布 情况，并与理论计算结果进行了对比。 关键词：室内覆盖电波传播射线追踪法漏缆天线 a b s t r a c t w i t ht h ec o m i n go ft l l ei n f b n n a t i o ne r a ，t l l ee x p e c 协t i o nt o 、“r e l e s s c o m m u l l i c a t i o ni s h i 曲e r a n dh i 曲e lh i 曲q u a i i t yv o i c e 锄dd a t a t r a n s m i t t i n gv i ar a d i oa ta n yp l a c ea n da ta r i yt i m ei sd e s i r e d t h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m 、v i t hf l e x i b i l i 吼r e l i a b i l 时a i l da d 印t a b i l i t yt o c o m p l e xe n v i r o m e n ti so nd e v e l o p m e n t t h e s ek i n d so fs y s t e m sc a nn o t o n l yb r i n gc o n v e n i e n c et 0t h et e n n i n a lu s e r s ，b u tc a na l s or e d u c et h ec a b l e i n s t a l l a t i o ni nn e wb u i l d i n g s s i g n i n c a n t ly i tc a i la l s oo m rn e w c o m m u n i c a t i o ns e r v i c e si n e x i s t i n gb u i l d i n g sw i t h o u te x p e n s i v ea n d t i m e - c o n s u m i n gr e w i r j n g o n eo f t h em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g i e so fi n d o o r w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi st or a d i a t ea t l dr e c e i v er a d i o 、v a v e ，a 1 1 di o d i s t r i b u t et 1 1 e 、v a v ei n l ob u i l d i n g sa su n i f b r ma sp o s s i b l ew i t hl i r n i t e dp o w e r t h e r e f o r e ，t h ei n d o o rc o v e r a g es y s t e mw h i c hi se n e 唱y s a v e d ，h a sl e s s e l e c t r o m a g n e t i cp o l l u t i o n t o e n v i r o n m e n t ， a n dc a l l i m p r o v e t h e c o m m u n i c a t i o nq u a l i t yn e e d st ob ed e s i g n e d a st h ep r e d i c t i o no ft h er a d i o c o v e r a g ei s 鲫i m p o n a n tp a r to ft h ew h o l ei n d o o rc o v e r a g es y s t e md e s i g n ， t h e r e f o r e ，i nm i st h e s i s ，t h en e l dd i s t r i b u t i o no ft h ei n d o o ra n t e n n aa n d l e a l ( yc o a ) ( i a lc a b l ei ss t u d i e d ，s o m ep m b l e m sr e g a r d i 】1 9t h ei n d 0 0 rw a v e p m p a g a t i o na r ed i s c u s s e d t h ew o r l 【sa r ed o n e f r o mb o t l lr e s p e c t so f t h e o 叮 a n d e x p e r i m e n t t h em a i nw o r ka 1 1 dt h ec r e a t i v ep a r t so ft l l i s 血e s i sa r es u m m 撕z e da s f o i l o 、v i n g ： 1 t h ef i e l dd i s t r i b u t i o nr a d i a t e db yi n d o o ra n t e r u l ai ss t u d i e du s i n g 1 r a y - 订a c i n gm e 血o d t h ee 矗l e c to ft h el o c a t i o na n do r i e n t a t i o no f a n t e n n ao nt h ef i e l dd i s t r i b u t i o ni se m p h a s i s a tt 1 1 es 锄et i m e ， 也ei n n u e n c eo fw i n d o wa n dm e t a lw a l lo ni n d o o r6 e l d d i s t 曲u t l o ni sc a l c u l a t e d t h ee f f e c to f 也ed o u b l er e f l e c t e dr a y s o n 也ea c c u r a c yi sa n a l y z e d 2 a sac o m m o n - u s e di n d o o rr a d i a t o r l e a k yc o a ) ( i a lc a b l ei so n eo f t 1 1 er a d i a t i n gs o u r c e su s e di nt 1 1 i st h c s i s t h e 蹦dc o v e r a g e so f l e a l ( yc o a ) i a lc a b l e 、r k i n ga tm o n oa n dm u l t i m o d ea i l da t 舶q u e n c i e so f9 0 0 m h za f l dl8 0 0 m h za r es t u d i e dr e s p e c t i v e l y t h er e s u l t sa r ec o m p a r e dw i mt l l a to f a n t e n n a 3 t h et r a n s m i s s i o nc o e 佑c i e n to fac o n c r e t ew a j li sc a l c u l a t e d w h e nt h et ea n dt ma r ei n c i d e n ti nr a n d o ma n g i er e s p e c t i v e l y t h ea p p l i c a l i o no ft h eg e o m e t d ，d i 册a c t j o nt h e o r yj nt h e p r e d i c t i o no fi n d o o rn e l dc o v e r a g ei sd i s c u s s e d 4 t 、v os e t so fd i p o l ea n t e n n a sw o r k i n ga tt h e f i e q u e n c i e so f 4 5 7 m h za t l d8 0 0 m h za r cm a d e ，a n da r ec o 【1 i l e c t e dt 0t h es i g n a l g e n e r a t o ra j l dr e c e i v e rr e s p e c t i v e l y w h i c hf o r mt h et e s ts y s t e m f i e l dc o v e r a g e su n d e rs o m ei n d 0 0 re n v i r o n m e n t sa r em e a s u r e d a 1 1 dt h er e s u l t sa r ec o m p a r e d 、v i mt l l et h e o r e t i c a lo n e s k e y w o r d s ：i n d o o rc o v e r a g e ，w a v ep r o p a g a i i o n r a y n 置c i n gm e t h o d ，l e a l ( y c o a x i a lc a b l e a 士1 t e 皿a i v 宣内天线及漏缆辐射场分布的研究 第一章前言 避第来，蘧着瓣援的透多纛经济懿飞速笈鼹，移动逶傣已经藏蠢 人们日常生活中不可或缺的一部分，移动用户癸求随时随地进行高质 量的数掇传输。特别是随着移动通信的普及，移动月户在黧内使用手 梳酶穰会蠢益增藤，遥韬要求撬铰更好靛室肉移动逶信环浚，歪是在 这种背精之下室内覆盏系统产生了。 。l 憋渡在室蠢传籀孛存在的闰题 移动通信网络奇勺舰模日益扩大，我国投入大量的资金用乎移动通 售熬鄹终建设，戳滚跫惩户霹移貔逶售薅号覆燕麓要求。移动逶售熬 网络覆盏按照区域的范围可以分为巨蜂窝、宏蜂窝、微蜂窝投微微蜂 窝，其中的微微蜂窝即包含室内覆缢。室外宏蜂窝基站密度大量增加。 基基零 毅裂7 麦缝覆蘧，霹络矮嫩毽逢一步褥翻改饕霸褥麓，毽羁终 的室内覆盖还存在一定的问题f 1 6 拍3 4 l ： 1 搿中心高楼大厦林林总总，她下结构如地铁、地下室、地下车库 等大量涌现，诵筋混凝豹缩构霹予无线瞧渡静疆鞘帮啜竣律焉 非常明显，这使得室内信号大幅度衰落撼缀出现盲区： 2 。 建筑豹塞爱窒阕极易存在天线频率于挠，警规弱时臻铰副足令基 站的功率相近的信号，出现磐乓效应，容易掉话，通话质量差甚 至不能通话； 3 。 兹撬臻、车麓、蔫鲎中心、大羹公寓、会议中心等遗嚣，壹子移 第1 页 j b 京交通大学硕士学位论文 动毫落傻雳塞凄过丈，焉部露终容耋不满麓麓户露袋，炙线信 道发生拥塞现象。 由予以上这些闯题约存在，使室内覆盖系统靛建设成为网络建设 翡当务之惫。室内覆羲麓针对室内瘸户群、用于潋落建筑裙肉移动逶 信环境的一种成功的方聚，也叫室内解决方案。目前最有效的方法就 是建设室内分布系统，姆基站豹信号通过无线或鸯线方式直接弓 入到 室内，再通过小型天线将信号发送剽嚣要覆盖的每一个医域，获两达 到消除室内覆盖盲区，抑制干扰的目的，为室内移动通信用户提供稳 定、可纛的信号供其使髑，馒瑁户农囊内也能享受怒凄量豹个人通信 服务。 1 。2 室内电波传播的解决方案室内覆盖系统胆4 】 ( 1 ) 微蜂崮形式的室内攫盖系统 对于话务集中、容掇要求赢的大型展览中心和磷业中心，知弼将 信号最大隈发、最稳勾堍分布蜀室内簿个逮方，楚疆络往豫所要考 虑的关键，由此应运而嫩的室内覆虢系统称为室内微蜂窝覆盏系统， 即戳室内微蜂窝系统作为室内覆盖系绫信号源豹霄线接入方式，如图 l - l 所示。缆徽蜂窝在赛肉使用时，受建筑耪结鞫的影响，使其稷盖受 到很大限制，因此天线类型的选择、，乏线安装位鬻的选择以及功率分 靛系统的设诗将是工 擘的重点。同时，嚣要进行频率魏划，需凝增建 传输系统，酗络优诬工佟藿大。由予这种形式鹤螯内覆盖系统猩建设 和设计上都需要较大的投入，因此事先一定要做好话务预测，以避免 建设靛喜爨瞧。另外，这秘影式豹室内覆盖系统凌设诗姥要避免傣号 第2 贸 室内天线及漏缆辐射场分布j 订研究 的泄漏，以免影响建筑物周围的信号覆盏效果，同时要考虑好与周围 宏蜂窝基站的切换关系，在建筑物的高层可以考虑与距离较远的基站 定义单向切换，避免形成乒乓切换。 合器 图l 1 微蜂窝形式的室内覆盖系统示意图( 本图来自参考文献 2 4 】) ( 2 ) 宏蜂窝形式的室内覆盖系统 图l 2 宏蜂窝形式的室内覆盖系统( 本图来自参考文献 2 4 】) ( 3 ) 直放站形式的室内覆盖系统【3 5 】 有时在离基站很近、室外站存在富余容量的地方也会存在室内的 覆盖盲点，如地下室和大楼底层的深部地带。这时，直放站不失为一 第3 页 北京变通大学硕：学位论文 耱经济实嚣瓣解决方索，蒸系统绥构麴鬻1 3 鬟汞。这静方式弱姆赢建 不需要基站设备和传输设备，安装简便灵活，但系统容量不会增加， 一般用于低话务量和小砸积的地方，通常用于补膏点，用于小型娱乐 殇掰、捧孳缓等避方。 图i 誊放站形式的塑内覆蘼系统 o 2 2 5 6 9o 0 1 8 1 3 o 5 3 9 9 2 9 4 7 6 7 ( 1 3 ，o 1 ，1 3 ) 0 2 3 4 5 50 0 1 6 2 3o 5 3 83 0 4 0 9 2 8 ( 1 j 3 5 ，o ，l ，l 3 5 ) o 2 3 2 9 6o ，0 0 9 7 lo 。5 2 1 23 4 ，5 9 5 7 ( 1 。毒，0 1 ，】。毒) 0 。2 2 5 6 6o 0 1 8 7 寒爵。5 1 9 争2 8 ，8 毒4 4 s ( 1 4 5 ，o 1 ，1 4 s ) o 2 3 5 0 2o 0 1 9 3 s0 s 3 5 i2 8 8 3 5 0 9 ( 1 5 ，o + i ，1 5 ) o 2 3 8 2 80 0 1 5 2 90 5 4 7 63 1 0 8 1 1 2 ( 1 5 5 ，o ，l ，1 5 5 ) o 2 3 1 2 5o 0 2 5 9 6o 5 3 l2 5 9 1 7 9 5 f 1 & 0 。l ，l 。国 0 。2 3 3 5 7e 。0 2 5 2 80 5 0 3 22 5 9 7 9 2 7 第】7 页 北京交通大学硕士学位论文 ( 1 6 5 ，0 1 ，1 6 5 ) 0 2 4 2 0 70 0 2 2 9 60 5 6 2 92 7 7 8 9 1 9 ( 1 7 ，o 1 ，t 7 ) 0 2 3 8 3 60 0 2 6 1 8o 5 0 1 92 5 6 5 2 9 5 ( 1 7 5 ，0 1 ，l ，7 5 ) 0 2 3 4 3 20 0 2 8 0 8o 5 1 6 32 5 2 9 0 1 ( 1 8 ，0 1 ，1 8 ) 0 2 4 2 5 l0 0 3 1 7 9 o 5 5 8 22 4 8 8 9 9 9 ( 1 8 5 ，0 1 ，1 8 5 ) 0 2 4 4 7 30 0 2 1 2 60 5 0 7 32 7 5 5 4 0 3 ( 1 9 ，o 1 ，1 9 ) 0 2 3 9 1 3o 0 2 9 8 20 5 2 2 42 4 8 6 9 9 1 ( 1 9 5 ，0 1 ，1 9 5 ) 0 2 4 1 6 30 0 3 4 9 60 5 3 4 32 3 6 8 4 2 8 ( 2 o ，o 1 ，2 0 ) o 2 4 8 5 3o 0 3 0 7 1o 5 1 9 5 2 4 5 6 6 11 ( 2 0 5 ，o 】，2 。0 5 ) 0 2 4 5j 5 0 0 2 】4 60 5 0 6 42 7 4 5 7 2 s ( 2 1 ，0 1 ，2 。1 ) 0 2 4 3 2 2 o 0 3 2 7 lo 5 0 7 22 3 8 0 9 9 7 ( 2 1 5 ，o 1 ，2 1 5 ) 0 2 4 9 2 5o 0 2 9 1 3 o 5 1 9 72 5 0 2 8 2 4 ( 2 2 ，0 1 。2 2 ) 0 2 5 0 8 70 0 1 8 9 o 4 8 8 92 8 2 5 5 1 6 ( 2 2 5 ，o 1 ，2 2 5 ) o 2 4 6 8 90 0 2 9 3 2o 4 8 2 7 2 4 3 3 0 2 7 ( 2 3 0 1 ，2 3 ) 0 2 4 9 5 50 0 4 7 3 4 0 5 2 5 62 0 9 0 8 5 4 ( 2 3 5 ，0 1 ，2 3 5 ) 0 2 5 4 1 30 0 2 9 9 20 4 7 7 62 4 0 6 2 0 5 ( 2 4 ，0 1 ，2 4 ) 0 2 5 l s 8 0 0 1 90 4 7 8 52 8 0 2 2 5 7 ( 2 4 5 ，0 1 ，2 4 5 ) 0 2 5 0 8 50 0 2 6 6 40 5 l l i2 5 6 5 9 4 3 ( 2 5 ，o 1 ，2 5 ) 0 2 5 5 4 7 0 0 3 2 7o 4 8 4 92 3 4 2 2 0 9 ( 2 5 5 ，o 1 ，2 5 5 ) 0 2 5 5 9 30 0 1 7 2 6o 4 8 9 22 9 0 4 8 9 l ( 2 6 ，o 1 ，2 6 ) o 2 5 3 2 80 0 2 7 5 lo 4 7 9 52 4 8 2 5 9 6 ( 2 6 5 ，o 1 ，2 6 5 ) 0 2 5 5 7 20 0 3 6 2 9o 4 8 2 72 2 4 7 7 81 ( 2 7 ，o 1 ，2 7 ) 0 2 s 8 8 50 0 2 5 1 50 4 7 9 5 2 5 6 0 5 0 l ( 2 7 5 ，o 1 ，2 7 5 ) 0 2 5 6 7 20 0 1 8 1 s 0 4 6 9 52 8 2 5 5 1 8 ( 2 8 ，0 1 ，2 8 ) 0 2 5 6 20 0 3 3 3 3 0 4 8 1 72 3 1 9 8 8 3 ( 2 8 5 。o 1 ，2 8 5 ) 0 2 5 9 8o 0 3 5 5 40 4 7 6 72 2 5 5 0 5 5 ( 2 9 ，o 1 ，2 9 ) 0 2 6 0 10 0 1 6 6 2 0 4 62 8 8 4 2 5 4 ( 2 9 5 ，o 1 ，2 9 5 ) o 2 5 7 9 70 0 2 8 2 3o 4 5 8 9 2 4 2 2 0 1 4 ( 3 0 ，o 1 ，3 0 ) 0 2 5 9 5 2o 0 3 0 5 8 o 4 6 4 22 3 6 2 5 3 5 ( 3 0 5 ，0 1 ，3 0 5 ) 0 2 6 2 0 l o 0 2 1 1 30 4 6 1 42 6 7 8 3 5 6 ( 3 1 ，0 1 。3 1 ) o 2 6 0 7 90 0 2 0 6 50 4 5 9 32 6 9 4 3 5 3 ( 3 1 5 ，o 1 ，3 1 5 ) o 2 5 9 9 60 0 4 6 6 90 4 6 7 32 0 0 0 7 4 4 ( 3 2 ，0 1 ，3 2 ) 0 2 6 2 3o 0 3 0 0 90 4 5 9 32 3 6 7 3 4 9 ( 3 2 5 ，0 1 ，3 2 5 ) o 2 6 2 9 50 0 1 2 2 40 4 5 4 6 3 1 3 9 6 9 6 ( 3 3 ，0 1 ，3 3 ) 0 2 6 1 3 50 0 3 4 5 8o 4 4 9 6 2 2 2 8 0 0 3 ( 3 3 5 ，0 1 ，3 3 5 ) o 2 6 1 9 5o 0 4 1 2 50 4 5 7 1 2 0 8 9 1 7 5 第1 8 页 室内天线及漏缆辐射场分布的研究 i 3 。4 ，0 1 ，3 4 ， o 2 6 3 s 3 o 。0 1 3 9 3o 4 5 3 53 0 2 5 2 5 2 ( 3 4 5 ，d 1 ，3 4 5 ) 0 r 2 6 2 9 6o 0 1 8 3 so 4 4 7 92 7 ，3 6 7 1 l ( 3 5 ，o 1 ，3 ，5 ) 0 2 6 1 5 8o 0 5 2 7 5o 4 4 8 81 8 5 9 6 6 1 由表2 1 可稚，对予位子露一裔淡垂童藏嚣静举波天线，警其承平 位置沿天花板对角线恋化时，所产嫩的室内场分布有较为显著的变化， 其中交化范围【2 0 l o g ( e m a x 愿m i n ) 】是我们所关心嬲量，因为其誊接影 嫡到所要求的接收梳韵动态范晷。鬟为蛊蕊速，我稍将二者鹃关系显 示在图2 4 中。 圈2 4 不糊位鬟的天线所产生的场强变化范围 而圈2 5 则表示了天线位于不同位置时在室内所产生的溺分布的 平均值。对于同一发射功率的发射涎线，能在蹩个空间产生越小的场 强交键藏溺、越丈豹平均藿，我鬟壤诀秀其覆羲羧鬃越理想。综合霆 2 4 和图2 5 我们可以褥出一个结论，天线越接近予天花板的几何中心 越能得到较为均匀且均值较大的场分布。 第1 9 页 口融糖：粼臻蒋 北京交通大学硕士学位论文 墨 堙 霸 昏 鼎 蠊 晨线位置坐持，拍 图2 一s 不同位置的无线所产生场的平均值 图2 - 6 给出了工作频率为9 0 0 m h z 的半波天线水平放在不同位鼷 时、距地面扣1 5 m 平面上的电场分稚情况。 鹪无线承平放置( 35 ，o ，l ，3 5 ) 第2 0 页 室内天线及漏缆辐射场分布的研究 ( b ) 天线水平放置( 3 5 ，0 1 ，o 1 ) ( c ) 天线水平放置( o 1 ，0 1 ，3 5 ) 图2 6 天线水平放置 = 1 5 m 平面的场强分布图 比较图2 - 6 ( a ) ( b ) ，图( b ) 似乎只是将图( a ) 沿平行于工轴方向的中心 线切掉了一半，为了便于观察，我们沿直线炉3 5 m 做出一维曲线，并 将由图2 6 ( b ) 得到的曲线沿z 轴正方向平移3 4 m ，得到图2 7 ( a ) 所示的 第2 l 页 北京交通犬学硕士学位论文 两条魏线： 珈 ( 对图2 6 ( a x b ) 中场强沿捌5 m 赢线的变纯 x 打n ( b ) 图2 - 6 ( a ) ( c ) 中场强沿罔5 m 巍线的变化 冁：4 国2 - 6 申沿缴横孛线妁爝强变像 豳图2 7 ( a ) 可见，在产3 5 m 剁乒7 m 之间，两条曲线并不完全重台， 这种现象的产生题酿隆壁反射造戏靛，砸圈2 翻：b ) 则为躅2 6 ( a ) 鼢孛场 强沿铲3 5 m 蛊线酌交纯情况。 觜2 2 页 一山薹m一 室内天线及漏缆辐射场分布的研究 综合图2 3 、2 6 、表2 1 可见，天线位置不同时室内场强分布差别 较大，垂直放置于天花扳中心处的半波天线产生驰场强分布较均匀， 而垂_ 赢放置在墙角以及水平放舞的半波无线产生的场很不均匀。我们 的研究还发现垂直放置的半波天线处于阔一个赢度、但距墙壁的鞭离 改变时场强分布有所改变，变化的规律是；天线越接近于天花板的中 心，室杰的场强覆盖越均匀。 此外，考虑到办公自动化和无线局域网的要求，我们计算了工作 频率分别为9 0 0 m h z 和1 8 0 0 m h z 的半波天线在距地面矗= o 8 m 承平面 ( 办公桌高度) 的场强分布。场强分布图与图2 3 类似，其场强分布规 律也与前述相阉，在此不再累述。 2 。2 2 天线放星方式黠室内场分布盼影响 在2 2 1 中我们分别讨论了垂直放置和水平放置的半波天线，为了 便于观察，我们将天线垂直和水平放置予天花扳中心位置时f 3 5 m 直 线上的场分布描绘于图2 - 8 中。 嘲2 - 8 天线垂直和水平放置予哭花板中心时f 3 5 m 直线上的场分布 第2 3 页 北京交通大学硕士学位论文 由图2 - 8 可见，对于9 0 0 m h z 半波天线，虽然水平放置时在室内形 成的电场最大值比较大，但其场值变化范围较大，这就要求移动台有 较大的动态接收范围，而天线垂直放置于同一位置时所形生的场分布 则比较均匀。由此可知，垂直放置的半波天线更能实现均匀覆盖。 2 3 窗与金属壁对室内场分布的影响 此前只考虑了理想空房间的场强分布，但这并不实用，因为实际 的房间都是开有门窗，并且陈设着一些桌椅家具等物的。为此，我们 考虑了开窗对室内场分布的影响。在图2 1 所示的模型中，左侧墙壁开 两扇窗子，其位置和尺寸如图2 9 所示 图2 - 9 墙戆开窝结构示意图 由于玻璃的厚度很薄，对于电波的反射系数很小，我们假定开窗 位置没有反射，用前面同样的方法可以计算得到开窗后室内的场强分 布，如图2 1 0 所示。由图2 1 0 可以明显的看出开窗的位置，似乎在窗 户的位置有引力将场吸引出去，这是容易理解的，因为墙壁有反射而 窗子没有反射，照射到窗子上的场被透射到窗外的无限大空间去了。 第2 4 页 赛内天线及漏缆辐射场分布的研究 弼2 矗8 考瘩蜜予蛙夔室内埂努存 根据义献资料可知，木制家具对场的反射和吸收都不明照，而金 疆壁受g 会产尘全反射现象，强跣必须考意室内企瘸物体对场分硌魏影 响。简荦超见，我们必考虑在一侧撵墙的位瑟并排放有金属书柜，其 位鼠和大小如图2 1 l 所示。 黉2 1 l 盘藉整示意盈 不考虑金属柜的厚度，将计算缀果表示于图2 1 2 中，图中肯一角 场强萌嚣铰强，这是衾属框稳垒反麓与直辩波稷干静结采。霹觅，蠡 第2 5 页 北京交通大学硕士学位论文 果室内有金属壁存在，以该金属壁为界，靠近源的一面场强较强，远 离源的一面场强较弱，有时甚至完全屏蔽。 图2 - 1 2 考虑金属壁时的室内场分布 2 4 二次反射对室内场分布的影响 以上计算都是基于只考虑一次反射的基础上的，根据前面的讨论 我们知道，能否忽略二次以及更高次反射要根据计算精度的要求来确 定。因此，我们有必要讨论一下二次反射对于计算结果的影响。 与计算一次反射的过程类似，二次反射的计算首先要解出反射点 的位置，判断其是否在墙面范围内。然后再代入公式( 2 7 ) 计算。以 左侧墙反射后再经地面反射到达场点的射线为例，其平面示意图如图 2 1 3 所示。 第2 6 页 室内天线及漏缆辐射场分布螅婴冀 罂知1 3 = 次反射场求解平蘧示意蹰 其中焉= 瓜i 万瓦再丙孓而， 霞2 茹0 ( x 2 一而) 2 + ( y 2 一y 1 ) 2 + 茗：一曩 2 ， 凡= 瓜i y 丽i 了可磊y 。 ( 2 7 ) 蕉繁一令爱辩蟊麴入射线写爱射瑟之阉貔夹楚矗、我替公式( 2 3 ) 和( 2 4 ) 中的，分别得到l i 和l 。，同理，用两个反射点之间的线 段专第二爱射蘧之闼熬夹是矗：我蛰杰，分裂褥黧蠢3 秘瓦：。 利用前面的公式，我们可以计算出天线位于同一位置、束考虑二 次反射彝考虑了二次反饕誊时室内场强熬分蠢祷况，爨2 - 1 4 绘爨了工 筝 在9 0 0 醐溆的半波天线垂直放置予必花板中心( 3 ，5 ，o 1 ，3 5 ) 时，在距地 面肛1 ，5 m 的平面上的场强分布。 第2 7 页 & 麓一 彳i 黜 汐 啪一墨 酗了 一镌 一+ 玩 e q 嚣 j b 京交通丈攀颓士擎位论文 轴) 不考瘩= 敬发射 ( b ) 考虑：次发射 图2 - 1 4 = 次反射对激内场分布的影响 由图2 - 1 4 可见，滞虑了二次反射以后，室内的场强分布眈米考虑 = 次反射时均匀了一些。为了便于观察二次反射对结果的影响，图2 1 5 泠窭该平颡爨妻- 3 。5 藏袁绫上戆驽强分布靖覆。霜时，霭2 6 鲶爨了娄 第2 8 翼 室内天线及漏缆辐射场分布的研窒 半波天线永平放置于无藏扳中心( 3 5 ，o 1 ，3 ，5 ) 对的场分布。 圈2 _ 1 5 二次反射对垂直放置于( 3 5 ，o 1 ，3 5 ) 构半波天线场分布的影响 固2 - 1 6 二次发射对水平放置子( 3 5 ，0 。l ，3 5 ) 的半波天线场分布的影响 由翻2 一1 5 、闰2 1 6 可以看出，考虑了= 次反射在一定程度土改变 了计算结果。最然曲线整体形状没有改变( 这是必然的。凶为考虑了 二次反射只是使结果更接近于实际情况。是在一次反射的基础上加了 第2 9 页 北京交通大学硕士学位论文 一点修正) ，但是考虑二次反射后，曲线峰值的位置略有改变，而且某 些峰值的大小变化很大，例如图2 1 5 中捌8 2 ，1 3 4 ，1 5 3 附近的峰值都 显著升高了，而在f 1 1 4 附近的峰值变得平坦了。从上面的分析可以 看出，如果要得到更精确的场分布还是应该考虑二次反射的影响。而 三次以至更高次的反射，一方面由于其超出镜像法所能解决的范围， i 。 另一方面由于其影响很小，可以忽略不计。 第3 0 页 室内天线及漏缆辐射场分布的研究 第三章漏缆在室内形成的辐射场分布的计算 漏泄同轴电缆是一种屏蔽不完善的特种通讯电缆，一方面它可以 导引电信号沿电缆轴向传输，另一方面又向电缆径向辐射电磁波信号。 泄漏同轴电缆具有对地形的适应性强、场强稳定、传输率高和节省频 率资源等优点，在数字化、大容量移动车辆通信方面有独特的优势。 由于它的这种独特性质，漏泄电缆一直被用于隧道通信系统中。近年 来人们也将它应用到了室内无线通信系统中【5 l 。本章将对漏泄同轴电 缆的结构及工作模式作一些简单的介绍，并在此基础上研究漏缆在室 内形成的场分布情况。 3 1 漏泄同轴电缆结构及工作模式介绍1 2 】 漏泄同轴电缆的结构与普通电缆的主要区别在于电缆的外导体 上，漏泄电缆的外导体并非完全封闭，而是人为产生一些槽孔，以便 向外耦合电磁能量，图3 1 给出了几种开槽形式。这些槽孔从外部看就 像一个个小天线，组成一个天线阵；从内部看，它们又是一个个吸波 单元，沿电缆不断吸收电波能量。增加电缆的传输损耗。漏泄电缆外 导体上这些槽孔的大小、形状以及排列方式决定了漏泄电缆的基本辐 射模式。漏泄电缆的辐射模式大体上可分为两类，即表面波模式和辐 射模式，辐射模式又可细分为单模辐射模式和多模辐射模式【6 】，这些都 与电缆外导体上所开槽孔的结构和传输信号的频率有密切关系漏泄 电缆的电气性能也就决定于此。 第3 1 页 北京交通大学硕士学位论文 图3 - 1 漏泄同轴电缆外导体上的一些开槽形式 本文中我们仅分析典型结构的漏泄同轴电缆，也就是在同轴电缆 外导体上沿电缆轴向以d 为周期开有一系列槽孔，其结构如图3 2 所 示。 圈3 2 漏泄同轴电缆的典型结构 f 【o q u e t 定理指出，在无限长周期型结构中，各个周期段之间的场 原则上没有差别，因此。某任意点上的场与相邻为一周期的另一点上 的场最多只差一个常系数，一般来说，这个常系数可能是复数。根据 这一原理，我们可把漏泄电缆外的场用圆柱坐标的形式表示为 矿( ，r ，f ) = 巾( ，7 ，n ，r k 7 “( 3 1 ) 式中中( 卵，啊咒) 必须是z 方向的周期函数，并可按傅立叶级数展开 ，z ， 为中( 叩，力，r ) = 中。p 1 了2 ，卅= o ，土1 ，控，式中d 为电缆外导体的开 槽周期。由此，式( 3 1 ) 可写为 2mz y ( 七，r ，f ) = 。e 吖百2 e 甜一一= 芝中。e 叫k p 删 ( 3 - 2 ) 第3 2 页 室内天线及漏缆辐射场分布的研究 其串嘉。= t 。+ 警。式( 3 2 ) 表稿，当嘏缆箨导体上开蠢矮鞠 性槽孔时。就必然产缴无穷多次空间谐波来使藏加后的总电磁场仍能 在电缆鲍黪镕上溃是迭器条 孛。上武孛敦。为基波魏传援常数，也鄂为 电缆中电波的传播常数，。为第晰次空间波的传播常数a 式中m 。一 般包含有特殊函数，特殊蘧数中含露袭征径向传播特性的常数封， 曙2 ；瑶一露； ( 3 3 ) 如聚叩2 ) o ，则。巾的特殊函数一般为贝塞尔函数和第二炎汉克尔 函数，表承有辐射波存在；如果节2 ( o ，则击。中的贝塞尔函数和第二类 汉克尔函数将转变为第一类变态贝塞尔函数和第= 类变态瞰塞尔函 数，袭零段骞表嚣波或爨藩臻存在。嚣筵，径惫窍没骞辐越突全玉式 ( 3 3 ) 确定。 下弱我们进一步分橱径向和轴向传播常数之瓣的关系。对予第掰 次烹闽波脊下式成立 玎：= 鼯一磕= 霹一( k + 警) 2 ( 3 - 4 ) 由予 l 。= 乒：，其中占。为电缆中绝缘奔质的等效介电常数( 本 文中取值为1 2 5 ) ，故肖瘫= 碍一( i + 警) 2 。由于总是大于 l ，鼗当嘲。辩，荦：惑麓小于。静，也就是说，对予谚。豹波榛不可能 向外辐射，全部被束缚在电缆表面形成雕落场。简对于m 一l 的波模 裂不一样，下嚣我们分嬲讨论。 第3 3 贾 北京交通大学硕士学位论文 当埘曼一l 时，要使旌) o ，必须有 ( 厄+ 警) 2 ( 砖，m - 1 ，每 即有一五i 舞( k 。( 一五i 惫，肌= 一1 ，_ 2 ，- ( 3 5 ) 为便于说明，我们将上式图示出来如图3 3 所示。从中可以清楚地 看出，坍= 一1 次波模在一个很宽的频带内均能形成辐射波，带宽的上 下频限比为( 占。+ 1 ) “占。一1 ) ，这也是漏泄电缆单模辐射可能达到的 极限带宽。可见单模辐射的最大带宽受电缆中绝缘介质等效介电常数 的限制，等效介电常数占。越小，则单模辐射可能达到的带宽也越宽。 当然，以上只是说单模可能达到的极限带宽，也就是超过这一频限， 就绝不可能由单模辐射实现。但要在这一宽度内实现单模辐射必须 将这一宽度内的其它高次模抑制掉，这一问题参见参考文献【6 】。 荔黧瓣寒 l 荔麟蕊 、 一 图3 3 漏泄同轴电缆各波模分布图 第3 4 页 模 由图3 3 可见，当频率厂小于某一值 ，使得( 五习薪时， 漏泄电缆周围只能存在表面波，无辐射波，此种模式的漏泄电缆为表 面波型漏泄电缆a 频率大于 后，) 五刁，进入_ 1 次波模的辐 射区，此时有1 次波模向外辐射，漏泄电缆也由表面波型转为辐射型。 1 次空间谐波的辐射方向可由式( 3 - 6 ) 决定 惘n t 华蚓n 1 厄一寺 b a ， 图3 4 为1 次波模的辐射方向图。 图3 4 1 次波模的辐射方向圈 由式( 3 - 6 ) 可见，当户，i 时，晓= 一9 0 。此后，一1 次波模的辐射 方向逐渐由后向转向前向，并在频率达到石时，矿。= 9 0 。此后，- 1 次波模不再向外辐射，转变为束缚波。而在此之前，当频率达到五时， 就已经开始进入2 次波模的辐射区，进入后，将同时有两个波束向外 辐射，如图3 5 所示。如果频率继续升高，到达3 次波模的辐射区时， 第3 5 页 北京交通大学硕士学位论文 则3 次波模开始辐射，此时又多一个波束。如此频率升高，产生辐射 的高次波模也逐渐增多，辐射波束也逐渐增多。在1 次波模的整个辐 射区内共可以同时出现胛【( i + 1 ) ( i 1 ) 1 个波束。 图3 - 5 h 2 次波模的辐射方向图 3 2 漏缆辐射场的近似计算理论与公式 根据3 1 节的介绍，我们知道漏泄同轴电缆是在封闭同轴电缆的外 导体上周期性地开了一些槽孔。根据电磁理论，每个槽孔可等效为一 个磁偶极子，运用叠加原理，漏泄电缆辐射的总场就等于各个槽孔辐 射电场的叠加【3 l ： 图3 6 磁偶极子阵列 第3 6 页 室内天线及漏缆辐射场分布的研究 图3 2 所示的漏泄同轴电缆，沿z 正向馈电，那么它可以等效为图 3 6 所示的磁偶极子阵列。而对于我们常用的手机天线来说，能够引起 感应天线上电流变化的是竖直方向的电场分量，所以将磁偶极子分解， 我们只需考虑一系列水平方向的磁偶极子所产生的辐射场。 我们假设漏缆沿z 轴方向放置，第，个槽孑l 的坐标为，如，( f 一1 ) d 。 与前面水平放覆天线的场强计算类似，漏泄电缆的辐射场也可分为直 射场和各墙面反射场。直射场的总强度等于所有槽孔直射场的叠加， 为： 阱喜竿幽诈翟 仔， 其中r = ( x x o ) 2 + ( y y o ) 2 + 【z 一( f 1 ) d 】2 ，为第f 个槽孔至0 场 点的距离，岛，七分别为自由空间和漏缆中的电波传播常数。这里我们 忽略了信号在电缆中传播电场强度的衰落，而认为每个槽孔的辐射场 强度均为1 0 v m 。细心的读者还会发现在漏缆辐射场的计算中没有考 虑g 分量，这是因为平行于g 轴放置的磁偶极子不会产生z 方向的电 场分量。 同样以左墙面的反射为例，在场点接收到的反射场强为： = 薯玩箐咖只嚣轰) s ， 其中r “= ( 工。一) 2 + ( y ，一虬) 2 + k 一( f 1 ) 川2 ，为源点 粕，如， p 1 ) d 到相应反射点，h ，而) 的距离， 第3 7 页 北京交通大学硕士学位论文 墨：蕊i 忑了石= 嚣尹i 丽浅示获爱射焱爨缓熹沁秘痴戆距 离：d 为漏缆的开槽周期：6 为第f 个槽孔的入射线与z 轴的夹角，卿 为第i 个横孔的入射线在婶平面上的投影与x 轴的夹角。 3 3 漏缆的单模和多模辐射场的比较 与天线疆袈场麴诗冀类议，壤掇藏蘑豹公式诗算瀑澄毫缆程室内 的辐射情况。我们假设沿房间静长发方向( z 轴方向) 悬挂漏满电缆， 位置距灭花板和侧壁均为o 2 m ，同样研究距地面舾1 5 m 的平面。图 3 7 分裂为9 8 0 m 珏z 秘l8 0 0 m 至| z 、瀑缆z 终于攀搂黢多摸圈嚣寸该擎嚣土 的电场分= f l i 。 出图可见，单模情况下每个槽孔都向后向辎射，在整个房间的场 分，枣澎或魏强3 0 国( c ) 掰示翡三燕嚣。三霆区秘大小与1 次搂靛辖瓣囊 度有直接关系。 ( a ) 9 0 0 m h z d = 0 2 3 3 m( 单模辐射) 第3 8 贳 室内天线及漏缆辐射场分布的研窒 ( b ) 9 0 0 m h z d = 0 4 6 m ( 多模辐射) ( c ) 1 8 0 0 m h z d = 0 1 m ( 单模辐射) 第3 9 页 北京交通大学硕士学位论文 嫡) 1 8 酗h d = 0 ，2 3 3 m 多模辐射) 罄3 7 漏缆：作子单模承f 寥模时电场分布的魄较 盛銎3 7 鼍数番窭，潺缆在室内爨产生戆场在瀵缆豹经定形成端势 驻波，对予单模的情况，在漏泄电缆终端位置( 圈3 7 中漏缆是瀚2 辘 正方向馈电的，终端位鬣就是指与馈电相反的一端，即= 接近予7 m 的 爱萋) 戆场媛覆燕不是缀好，这主要是嚣秀漏缆王份子萃摸爨，必毒1 次空间谐波商外辐射，并且只有一个辐射方向( 通常是后向辐射。即 辐射方向与馈电方向相反) ，辐射方向可由公式( 3 6 ) 得到。其中c t c 为电缆中绝缘穷震戆等效介毫零数，统；为一1 次空越谐波熬辏袈方囊与 漏缆径向之间的夹角。可见，当晓妒时，漏缆的辐射电波不怒沿着漏 缆径向而是指向z 轴负向的，因此必然强漏缆终端出现场值很小的三角 影嚣壤。当然，当灞缆熬稽攘霆毅选取套适辩，毒袋缮九翘。缎麸理 论上讲，当晓= 0 。时，备槽孔处的小反射在馈电端同相迭加。可能导 致驻波增大的情况发生i ”。因此，如果逐想让缆工作于单模，