矩形隧道中的列车对电磁波截止频率的影响

矩形隧道中的列车对电磁波截止频率的影响 矩形隧道中的列车对电磁波截止频率的影 响 磊第赢赫意Vo1.16.No.1March.2001 文章编号:10050388(2001)OlOlO0—03 矩形隧道中的列车对电磁波截止频率的影响 孙继平石庆冬 (中国矿业大学北京校区信息工程研究所,北京100088) 摘要将隧道看作波导,利用有限元素法,分析了矩形隧道中的列车对电磁波截止额 率的影响,可知列车的存在使TE波模的截止频率降低,使TM波模的藏止频率升 高. 关键词隧道波导有限元素法截止频率电磁波模 中图分类号TD65文献标识码A Effectsoftrainsoncutofffrequencyinrectangulartunnel SUNJi-pingSHIQing-dong (ResearchInstituteofInformatirmEngineering,ChinaUniv.ofMiningand Technology—BugCampus,Beijing100083tChina) AbstractEffectsoftrainsinarectangulartunnelonthecutofffrequencywereana lyzedbythefiniteelementmethodwhenthetunnelhadbeenregardedasawaveguide. Generally,thetrainsintunnelloweredTEwavecutofffrequenciesandraisedTMwave cutofffrequencies. Keywordstunnelwaveguidefinite—elementmethodcutofffrequencyelectro—— magneticwavemode 1引言 矿井中的无线通信对于安全生产和紧急救护是 必要的.一般地,空隧道被看作波导,只有当工作频 率高于截止频率时,无线通信才是可能的.列车的存 在对截止频率会产生影响,下面将采用有限元素法 研究该影响. 2基本原理 根据实际情况及安全生产的需要,采用如图 l所示的矩形隧道.图l是含一辆列车的矩形隧道 的剖面图,设列车的宽为1.2m.高为h(m),其它尺 寸如图所示为了使问题简化,假设罐道与列车都是 无限长直的并且都是良导体可以采用直角坐标系 (.,#),要研究的问题是二维(一平面上的)问 题.设巷道内区域示为D(D内为空气),其边界 (由巷道壁与列车壁围成)表示为L.TE波模可表示 收藕日期:2000—05—24 为Helmho]tz方程 Z 图1古一辆列车的矩形隧道剖面图 (长度单位为米(m)) \/Hj+Hz一0 aH7一0 对于TM波模: 2Ez+H2—0 在D内 在,.上(1) 在,J内 第1期孙继平等:矩形隧道中的列车时电磁波截止频率的影响101 E=0在L上(2) 用有限元素法来求解,上边两式的等效泛函 为?: l厂?{(+(翥郴? 其中?一日(或),Hz是磁场的方向分量,E是 电场的方向分量,k是截止波数.a/&是沿边界 法方向的偏导数.用有限元素法可以将(3)式化为一 个广义特征值问题.可求得特征值k,则截止频率 为:一矗/(2?),和分别为自由空间 介电常数和磁导率. 3数值结果 图2是图1的TE波模的截止频率随列车高度 h的变化情况,图3是图1的TM波模的情况.图4 是含两辆列车的矩车的存在, 使得TE波模的截止频率下降,使得TM波模的截 止频率上升. 参考文献 [1]淮南矿业学院《井巷设计》编写组.井巷设计EM.北 京:煤炭工业出版社,1983,l,37. [2]倪光正,钱秀英.电磁场数值计算[M].北京:高等教育 l02电波科学学报第l6卷 出版社,1998.1s3,2s3. 曹世昌.电磁场的数值计算和微波的计算机辅助设计 - M北:电子工业出版}十.1989,43,91. 嶷行业标准3项 孙继平(I958一).男,山西 人.博士现为中国矿业大学(北 京校区)教授,博士生导师,信息 I程研究所所长.长期从事计算 机监控,网络,媒体技术和移动 通信等方面的教学与科研I作. 出版专着3部,译着l部,制定煤 获部级科研成果6项.专利3项, 煤蛊部,能源部,国家教委科技进步奖3项中国煤 炭I业劳保学会安奎监控专业委员会主任委员兼秘 长.中国煤炭学会计算机通讯专业委员会委员. 石庆冬(1971),男,江 苏人,博士研究生,研究方向为 矿井电磁传输特性 (上接第88页) 电离层引起的角度偏移量是很小的,在1E3度 量级.入射角的比率在IE一5量级.考虑波束角宽度 为时,由于电离层的折射,波束角将变窄.即电离 层具有聚焦的作用.但其幅度是非常小的.在1E4 量级.波束角宽度减小的百分比幅度为 警一4丁0,4COSH等H一卢一…LH.一” -n等…一一育J?D1 6 本文采用简单的电子密度模型,在水平分层下 得到了地面距离偏移公式比文献中公式具有更高的 精度,在球面分层下给出了修正的距离偏移公式.分 析r电离层引起的电波方向偏转.及相应的波束角 宽度变化 对于星载合成孔径雷达,电离层引起的距离偏 移造成图象位置的偏移.同时使单位脉冲响应扩展. 幅度为?P:2?xE/.取中心频率为200MHz.相 对带宽为5.人射角30.C.则扩展量为8m左右, 严重的破坏了分辨率,电离层的时空变化也将影响 雷达成像质量. 参考文献 [1TJFitzgeraldIonosphericeffec*sO11syntheticaper tureradaratVHF—C]1997IEEENatiov,alRadar Conf~y~nceSyracuseNYMay,1997.13--1j. [2]谢寿生.绦永进.微波遥感技术与应辟JEMj.北京:电 子丁业出版社,l987,388,359. E8]王元坤.电踱传播概论IM-.北京:国防工业出版社. 1g84,44,j1. 二4]张澄被.综合孔径雷达原理,系统分析与应用[M] Jc京:科学出版社1989.423,487 赵万里(1972).男,陕 西人.国防科学技术大学电子 科学与工程学院博士研究生. 研究方向为雷达信号处理 梁甸农男,教授,博士生导师.主要研究方向 为雷达信号处理,现在国防科学技术大学电子科学 与工程学院综合电子信息系统研究所主持国防重点 预研项目”超宽带雷达体制和关键技术研究” 周智敏教授.现任国防科学技术大学电子科 学与工程学院综舍电子信息系统研究所所长.主要 研究方向为雷选信号处理.