截面尺寸对矩形巷道中电磁波传播的影响.pdf

第3 4 卷第5 期中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 4N o ．5 2 0 0 5 年9 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g yS e p ．2 0 0 5 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 5 0 5 0 5 9 6 0 4 截面尺寸对矩形巷道中电磁波传播的影响 孙继平1 ，成凌飞1 ’2 ，张长森2 1 ．中国矿业大学信息工程研究所，北京1 0 0 0 8 3 ； 2 ．河南理工大学电气工程系，河南焦作4 5 4 0 0 0 摘要矩形巷道截面尺寸对电磁波的传播特性有很大的影响．本文在矩形巷道模式匹配理论的 基础上，运用软件模拟的方法，具体分析了截面尺寸对不同极化模式下的场强变化的影响．结果 表明在宽度尺寸大于高度尺寸的矩形巷道中，水平极化模式的场强明显高于垂直极化模式，高 度尺寸的变化对场强的影响比宽度尺寸的变化要大，这种影响差异随频率的增高和截面尺寸的 增大而变小． 关键词矩形巷道；截面尺寸；电磁波；垂直极化；水平极化 中图分类号T D6 5文献标识码A I n f l u e n c eo fT r a n s v e r s eD i m e n s i o n so nE l e c t r o m a g n e t i c W a v e sP r o p a g a t i o ni nR e c t a n g u l a rT u n n e l s S U NJ i p i n 9 1 ，C H E N GL i n g f e i l ”。Z H A N GC h a n g s e n 2 1 ．I n s t i t u t eo fI n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，B e i j i n g10 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 ．D e p a r t m e n to fE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g ，H e n a nP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y ，J i a o z u o ，H e n a n4 5 4 0 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t T r a n s v e r s ed i m e n s i o n so fr e c t a n g u l a rt u n n e l sh a v eg r e a ti n f l u e n c eo ne l e c t r o m a g n e t i c w a v e sp r o p a g a t i o n ．B a s e do nt h em o d em a t c h i n gt h e o r ya n dt h es o f t w a r es i m u l a t i o n ，t h ei n f l u e n c e s o nf i e l d s t r e n g t h i nd i f f e r e n tp o l a r i z a t i o nm o d e sw e r es t u d i e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a ti na r e c t a n g u l a rt u n n e lw i t hb i g g e rd i m e n s i o no ft h ew i d t h ，f i e l ds t r e n g t ho fh o r i z o n t a lp o l a r i z a t i o n m o d ei sm a r k e d l yh i g h e rt h a nt h a to fv e r t i c a lp o l a r i z a t i o nm o d e ，i n f l u e n c eo ft h eh e i g h tc h a n g eo n t h ef i e l ds t r e n g t hi s s t r o n g e rt h a nt h a to ft h ew i d t hc h a n g e ，a n dt h ed i f f e r e n c eo fi n f l u e n c e s d e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go ff r e q u e n c ya n dt r a n s v e r s ed i m e n s i o n ． K e yw o r d s r e c t a n g u l a rt u n n e l ；t r a n s v e r s ed i m e n s i o n ；e l e c t r o m a g n e t i cw a v e ；v e r t i c a lp o l a r i z a t i o n ； h o r i z o n t a lp o l a r i z a t i o n 近三十年来国内外研究表明，电磁波在矩形巷 道中的传播特性受到巷道截面尺寸和形状、传播频 率、巷道岩壁的电参数以及天线极化方式等诸多因 素的影响口。5 ] ．这些文献在讨论截面尺寸的影响时， 仅指截面积的增大或减小，目前尚未发现对单一尺 寸 如高度、宽度 变化产生影响的相关文献． 在实际巷道中，由于种种原因，巷道截面无论 是尺寸或者形状都不是一成不变的．截面尺寸变化 后，电磁波的传播特性势必也要发生变化．因此，理 论研究截面尺寸对矩形巷道中电磁波传播特性的 影响是很有必要的． 1基本理论 假设矩形巷道宽为W ，高为h ，周围介质的介 电常数为e ，天线位于巷道的中心位置．选用直角 坐标系，原点选在天线的位置，X 轴沿水平方向，y 收稿日期2 0 0 4 1 2 2 2 基金项目高等学校博士学科点专项科研基金 2 0 0 3 0 2 9 0 0 1 9 ；河南省自然科学基金项目 0 4 1 1 0 1 4 7 0 0 作者简介孙继平 1 9 5 8 ，男，山西省翼城县人，教授，工学博士，博士生导师，从事矿井监控及通信方面的研究 万方数据 第5 期孙继平等截面尺寸对矩形巷道中电磁波传播的影响 轴猫垂直方向，Z 轴沿巷遭走向． E m s l i e 根据模式匹配理论提出Ⅲ，巷道中电磁 波的传播模式由2 种基本模式构成水平极化B 和垂直极化E ．B 的各分量可以表示为 。 E h 。一E o c o s k l x c o s k 2 y e 一赫r ， 1 E h ， 0 ， 2 如一鲁耶i n 志l X C O S 切e “。￡， 3 式中走，，k 。和k 。分别表示z ，Y ，z 方向上的波数． 毛一鼍W ≯2 畚／1 ， 4 ㈨．f k 2 舰T - 兰兰竺， 5 ，。 矿Z i ’ ’ 是。 ～／4 A 7 r 。2 一研一忌；， 6 式中m 和挖代表波模序对 m ，竹 ．相对应的，既的 各分量和波数表示如下 E 。。一0 ， 7 E 。， E o c o s k l x c o s k 2 y e 一‘6 3 2 ， 8 E 。一i i k 2 E 。c 。s 如 s i n 愚2 y e 枷‘ 9 尼，一竺 些， 1 0 惫1 一i 石兀i ’ ‘1 u ’ 铲箐 焉鲁， Ⅲ， 铲√等叫嗡． 1 2 根据上面的场强公式，可以推导出2 种模式的 衰减率为 里 曾 里 目 ～，乱3 4 3 如 W 纛i h 焉岳 ， 1 3 ，I。 ／￡一l。 ／￡一l ／ ～，乱3 4 3 心 Z 各 焉言 ． 1 4 ， 需要说明的是，以上公式没有考虑电导率的影 响．事实上在大多数的巷道中，由于巷壁电导率比 较小，它的影响可以忽略口] ．如果需要考虑电导率 的影响，只要将介电常数e 替换为以电导率为变量 的复介电常数即可． 2软件模拟 巷道中允许存在许多模式的电磁波，某点的电 场分布应该是所有这些模式在该点电场的叠加结 果．由于存在模式的数量很大，计算所有的模式是 不可能也是不必要的，因为高次模的衰减很大，对 电场分布的作用远小于低次模．因此本文在计算场 强时仅考虑了 1 ，1 ～ 1 0 ，l O 范围的模式．具体场 强的计算公式可以表示为 1 01 0 E ∑∑ E E ， E D ． 1 5 m ‘。。 ln ‘。。 ’l 图1 描述了在同一巷道中，水平极化模式和垂 直极化模式的场强在9 0 0M H z 传播频率时随距离 的变化情况．在宽4m 高3m 的巷道中，水平极化 模式的场强明显高于垂直极化模式；而在宽3m 高4m 的巷道中，情况刚好相反，图1 b 中的水平极 化曲线正是图1 a 中的垂直极化曲线．这是因为巷 道的高度和宽度对调，相对应于水平极化和垂直极 化的对调．因此，本文将只对宽度大于高度的巷道 进行分析． 距离／m距离／m a 宽4 m 高3 1 1 1 b 宽3 1 1 1 高4 m 图1同巷道中水平极化和垂直极化模式的场强分布 F i g ．1 F i e l ds t r e n g t ho fh o r i z o n t a lp o l a r i z a t i o nm o d ea n dv e r t i c a lp o l a r i z a t i o nm o d ei nt h es a m et u n n e l 图2 显示了在频率增高到18 0 0M H z 和截面 尺寸增大到宽6m 高4m 时的场强变化情况．可 以看出，水平极化模式的场强仍大于垂直极化模 式，但差异不象图1 a 中那么明显．也就是说，随着 频率的增高和截面尺寸的增大，场强增加了，而由 于极化方向不同造成的差异减小了． 图3 中的曲线分别表示在宽度增加高度不变 和高度增加宽度不变的情况下，2 个极化模式的场 万方数据 中国矿业大学学报第3 4 卷 强分布情况．在水平极化模式下，仅宽度增加的巷 道中的场强稍高于仅高度增加巷道中的场强，与原 巷道中的场强相近．在垂直极化模式下，仅宽度增 加的场强同原场强非常接近，而仅高度增加的场强 明显高于其它2 种场强．这说明在宽度大于高度的 矩形巷道中，截面尺寸的变化对水平极化模式的场 强影响不大；而对于垂直极化模式的场强，宽度上 的变化影响不大，高度的变化却有较大的影响． 2 0 1 0 O 要。1 0 罾- 2 0 ．3 0 距离／m距离／m a 传播频率l8 0 0N l z b 宽6m 高4m 图2 频率增高和截面尺寸增大后的场强分布 F i g ．2 F i e l ds t r e n g t ho fh i g h e rf r e q u e n c ya n db i g g e rt r a n s v e r s ed i m e n s i o n 距离／m 距离／m a 水平极化 b 垂直极化 图3 截面尺寸变化对场强的影响 F i g ．3 I n f l u e n c eo ft h es h i f ti nt r a n s v e r s ed i m e n s i o no nf i e l ds t r e n g t h 3 衰减率计算 根据式 1 3 ～ 1 4 ，分别对3 种尺寸的巷道在 2 种传播频率下的衰减率进行了计算，结果如表1 ， 表2 所示． 表19 0 0M H z 不同截面尺寸巷道中的衰减率 T a b l e1A t t e n u a t i o no fd i f f e r e n tt r a n s v e r s ed i m e n s i o n s o ft u n n e l si n9 0 0M H zf r e q u e n c yd B ／10 0 m 表2 18 0 0M H z 不同截面尺寸巷道中的衰减率 T a b le2A t t e n u a t i o no fd i f f e r e n tt r a n s v e r s ed i m e n s i o n so f t u n n e l si n18 0 0M H zf r e q u e n c yd B ／1O O m 分析表1 和表2 的结果可以看出 1 水平极化的衰减率小于垂直极化的衰减 率． 2 传播频率的增加和截面尺寸的增大都将导 致衰减率的减小，并且使得不同极化的衰减率差异 减小． 3 水平极化时，宽度的增加引起更小的衰减 率，但与高度增加相比差别很小；垂直极化时，宽度 增加的衰减率与原巷道衰减率几乎相同，而高度增 加的衰减率却减小得相当明显． 4结论 截面尺寸影响着巷道中电磁波的传播特性．尺 寸的改变随着极化方向的不同，对传播特性的影响 也不尽相同．在宽度尺寸大于高度尺寸的矩形巷道 中，高度上的变化对场强的影响比宽度变化要大， 这种影响差异随频率的增高和截面尺寸的增大而 变小．这个结论为巷道无线通信系统的研究和设计 提供了理论依据和技术论证． 加 m o 邶 锄 ∞ M H p ／I 『叫H 万方数据 第5 期孙继平等截面尺寸对矩形巷道中电磁波传播的影响 5 9 9 参考文献 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 3 [ 5 ] [ 6 ] E m s l i eA ，L a g a c eR ，S t r o n gP ．T h e o r yo ft h ep r o p a g a t i o n o fU H Fr a d i ow a v e si nc o a lm i n et u n n e l s [ 口] ． I E E ET r a n s a c t i o n so nA n t e n n a sa n d P r o p a g a t i o n ，1 9 7 5 ，2 3 1 9 2 2 0 5 ． D e r y c kL ．N a t u r a lp r o p a g a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cw a y e si nt u n n e l s [ J ] ．I E E ET r a n s a c t i o n so nV e h i c u l a r T e c h n o l o g y ，1 9 7 8 ，2 7 1 4 5 1 5 0 ． J a c a r dB ，M a l d o n a d oO ．M i c r o w a v em o d e l i n go fr e c t a n g u l a rt u n n e l s [ J ] ． I E E ET r a n s a c t i o n so n M i c r o w a v eT h e o r ya n dT e c h n i q u e s ，1 9 8 4 ，3 2 5 7 6 5 8 1 ． 保罗．德隆涅．漏泄馈线和地下无线电通信[ M ] ．王椿 年，戴耀森，高怀珍，等译．北京人民邮电出版社， 1 9 8 8 ． 孙继平．矿井无线传输的特点[ J ] ．煤矿设计，1 9 9 9 ，4 2 02 2 ． S u nJP ．C h a r a c t e r i s t i co fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni n c o a lm i n e [ J ] ．C o a lM i n eD e s i g n m e n t ，l9 9 9 ，4 2 0 - 2 2 ． S u nJP ，C h e n gLF ，L i uXY ．I n f l u e n c eo fe l e c t r i c a l p a r a m e t e r so nU H F r a d i op r o p a g a t i o ni nt u n n e l s [ A ] ． I nt h eJ o i n tC o n f e r e n c eo ft h elO t hA s i a P a c i f i c C o n f e r e n c e o nC o m m u n i c a t i o n sa n dt h e 5 t h I n t e r n a t i o n a lS y m p o s i u mo nM u l t i D i m e n s i o n a lM o b i l e C o m m u n i c a t i o n s [ c ] ．B e i j i n g I E E EP r e s s ，2 0 0 4 ． [ 7 ] [ 8 3 [ 9 ] [ 1 0 ] [ 1 1 ] 4 3 6 4 3 8 ． 孙继平，张长森．梯形隧道中电磁波的传播特性[ J ] ． 中国矿业大学学报，2 0 0 3 ，3 2 1 6 4 6 7 ． S u nJP ，Z h a n gCS ．P r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i co f e l e c t r o m a g n e t i cw a v ei nt r a p e z i u mt u n n e l [ J ] ．J o u r n a l o fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ，2 0 0 3 ， 3 2 1 6 4 6 7 ． 孙继平，魏占永．矿井隧道中电磁场能量的损耗[ J ] ． 中国矿业大学学报，2 0 0 2 ，3 1 6 5 7 5 5 7 8 ． S u nJP ，W e iZY ．L o s so fe l e c t r o m a g n e t i ce n e r g yi n m i n et u n n e l [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo f M i n i n g8 LT e c h n o l o g y ，2 0 0 2 ，3 1 6 5 7 5 5 7 8 ． 石庆冬，孙继平．弯曲矩形隧道电磁波衰减特性[ J ] ． 中国矿业大学学报，2 0 0 1 ，3 0 1 9 1 9 3 ． S h iQD ，S u nJP ．A t t e n u a t i o nc h a r a c t e “s t i co f g u i d e dE Mw a v e si nc u r v e dr e c t a n g u l a rm i n et u n n e l [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆ T e c h n o l o g y ，2 0 0 1 ，3 0 1 9 1 9 3 ． Z h a n gYP ．N o v e lm o d e lf o rp r o p a g a t i o nl o s sp r e d i c t i o ni nt u n n e l s [ J ] ．I E E ET r a n s a c t i o n so n V e h i c u l a rT e c h n o l o g y ，2 0 0 3 ，5 2 5 1 3 0 8 1 3 1 4 ．， A b oS ，O s a m aM ．P r o p a g a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i c w a v e si nar e c t a n g u l a rt u n n e l [ J ] ． A p p l i e d M a t h e m a t i c sa n dC o m p u t a t i o n ，2 0 0 3 ，1 3 6 2 3 4 0 5 4 ] 3 ． 责任编辑姚志昌 万方数据