隧道内的无线电电波传播特性分析

隧道内的无线电波传播特性分析引言：本文分析了矩形截面与多扩展墙壁的隧道中的电波传播特性，这些墙由表面水分层、混凝土、钢筋网、混凝土和基岩组成，波长被认定比隧道的横截面小。在分析中，几何光学近似用于确定在这条隧道的电波传播途径，还有形成每一层的多层墙体材料的输入的阻抗是由等效传输线矩阵给出，并应用于隧道墙的无线电波反射损耗的计算，此外，我们举例计算的电波传播特点在隧道内使用隧道断面尺寸、岩石、钢筋混凝土介电常数以及其他参数。关键字：几何光学，传播，隧道，蜂窝电话，无线电，反射损耗引言在最近的几年，现在很流行的小型无线电设备，包括便携式电话，用于在信息通信系统在隧道和在隧道施工下道。图1是我们理想中的信息通信系统在隧道施工草图。为了有效地使用这样一个系统，知道隧道内电波传播特性的知识是必不可少的。在隧道中，无线电波明显衰减，因为其中大部分经过多次反射从周围的墙壁，还有一些渗透到墙。因此，与高于地面的版无限空间相比，波在隧道中传播有许多种不同的方式。衰减量取决于射无线电频率，隧道的横截面，墙壁上表面材料的介电常数，发射机与接收机之间的距离，和其他因素。在过去，分离变量法和几何光学被用于分析与假设的隧道断面是矩形或圆形，而且是均匀介电常数的基岩隧道周边中的电波传播。然而，实际隧道截面一般介于矩形和圆形。在这里，我们使用几何光学近似描述矩形截面的隧道中的电波传播，因为波相比隧道断面，它的波长是很小的。从分离变量法分析结果表明，传播损失是由于多次反射的多层介质的无限平面的多次反射，此外，我们通过基岩开挖的隧道中显示计算的结果与电波传播特性测量的比较。图1隧道内的通信系统的设想分析方法电波传播的路线矩形截面的电波传播分析隧道如图2（a）所示。我们假设隧道截面的长度为a，高度为b。隧道周围的基岩和土壤的介电常数均为ε2。我们设定截面的中心为坐标原点，水平方面为x轴，垂直方面为y轴，沿隧道长度的方向为z轴。我们设定波长满足图2矩形隧道截面和基本模式根据先前的研究，允许实现此类隧道稳定传播的小衰减的无线电波传播模式有两种：一种是Eh11模式，这是水平极化；另外一种是Ev11模式，这是垂直极化方式。这些模式是一个非常有用的功能，可以通过旋转它在X-Y平面90度获得其他。因此只有Eh11模式被列出。从麦斯威尔的方程和边界条件，在隧道内，Eh11模式（2/ay2/a和2/by2/b）的公式如下：xE：x方向上的电场Hy：y方向上的磁场k1：x方向上的传播常数k2：y方向上的传播常数k3：z方向上的传播常数k0：自由空间中的传播常数在公式（7）和（8）中，实部是相位常数，虚部是反射损耗。因此，可以通过公式（7）和（8）确定隧道四周均匀电介质中的传输损耗。在目前的分析中，相比的隧道截面，它的波长很小；因此，几何光学中，可以从近似公式（7）和（8）的实部确定相位常数的传播路径。此外，反射损耗可以确定为无线电波从无限平面多重反射损失多层墙体的不同介电常数材料组成。从公式（7）和（8）实部可以确定沿x和y轴传播常数为：因此，在x-z平面的电波传播路由和y-z平面的电波传播路径分别如图3(b)和图3（c)所示。从公式（9）可以看出电波沿x轴的相位常数β1和从公式（6）可以知道，电波传播方向与自由空间中的无线电波的壁面上的不断增长。因此，在墙面上的反射角为把公式（6）和（9）带入可得：同理，下面的公式可以推导：Za和Zb分别是通过一次反射无线电波抵达x-z平面和y-z平面的距离为：图3传播的主模式隧道表面的反射损耗假定隧道的波长将小于截面尺寸，隧道壁是多层介质组成的表面水分层，混凝土、钢筋网、混凝土，与母岩、土壤组成的无限的平面，无线电波在墙体表面上的反射损耗的等效电路如图5所示。计算主要是对TE和TM模式的，但我们的重点在TE模式。TE模式和TM模式分别有下标变量e和m。在图5中，Z4e是介电常数为E的无限厚基岩和土壤的特征阻抗。这是以θ角入射到隧道的TE模式的电波。它的特征阻抗有下面的公式决定。我们规定在自由空间的特征阻抗是Z0=377欧姆。下面，图5的总的反射系数：图4混合多乘此的隧道枪图5混合多层次隧道强的等效电路在（22）中[F1e][F2e][F3e]是图4中第一、二、三和四层介质的反射系数。在TE模式的无线电波在介质表面入射角θ0，每个层的厚度是Li，相对介电常数是εj。另外，[Fre]是从钢筋网的大小确定的传输矩阵。Ae、Be、Ce、De是][eF的元素。因此，图5的输入阻抗为：在TE模式中，反射系数和无线电波的回波损耗可由（24）表示：类似的，在TM模式下的反射系数为：这里lmr是TM模式下的回波损耗。由于多次反射从隧道侧壁表面，图3（b）x-z平面上，沿z轴传播过程中每单位长度的TE模式的无线电波的反射损耗为：因此，整条隧道的单位长度的Eh11模式的传输损耗是无线电波的无线电波在侧壁上的TE模式中的损失和TM模在天花板和地板的损失的总和：Ev11模式每单位长度的传输损耗被通过在x-y平面上的90度旋转电磁场的Eh11模式：计算实例两种类型的隧道截面用于的计算，其中钢筋混凝土墙体与基岩下，显示在图6和7。我们计算每100米长度为水平极化和垂直极化波的传播损耗的两个单元的频率范围从300MHz至3（1.3）GHz，在每个上述截面隧道（传播损耗由符号Xh，Xv和在下列数字显示计算的结果）。钢筋混凝土的隧道墙在图6的钢筋混凝土墙是由表面水分层去除从图4中的多层结构墙体的墙体结构的一个例子。计算的参数表示情况下钢筋混凝土与无采用增设钢筋网。结果如图8所示。图6计算模型图7通过基岩隧洞的横截面图8无线电波传播在有没有钢筋混凝土网格的情况这张图显示的反射损耗为RH和RV在网格的具体案例是小的（或有利于电波传播）比较案例的反射损失的CH和CV没有频率在大约700或更少的网格MHA。超过这个频率，确定网格是在混凝土或不存在对结果没有影响。台下基岩施工测试所使用的分析方法，在隧道开挖基岩，通过测量无线电波的传播特性，并对隧道模拟相同的条件下进行。隧道基岩墙水稍顺着天花板和侧壁的细流。地面图7隧道横截面2.8-m宽3.6-mhigh是湿的。平均而言，表面水分层厚约0.002-111在墙壁和地板上0.005-m厚。计算结果相比，图9中的测量。图中显示的计算与测量。图9正在施工的隧道无线电波传播计算不同于两方面的测量条件。一是，实际隧道有1504钢支撑在壁面约1.2米的间隔，这可以通过两个途径影响不包括在计算测量：钢中的无线电波感应，有利于传播，并通过支持无线电波的散射，这是不利的波的传播。第二，定向天线（八木天线）进行测量。这些允许电台波段到一点到达直接在接收天线，倾向于在减少传播损耗假定计算中的稍高。结论本文分析了无线电波的传播特性在隧道中的波长小于隧道的横截面。结合传播路径的几何光学近似反射损耗确定输入阻抗的传输矩阵的多层结构墙。这种分析可以普遍推广应用，但它是非常重要的介电常数的准确值用于墙壁，包括从材料的含水量大的影响。