室內(nèi)環(huán)境下超寬帶信號透射特性仿真與分析

【摘要】 時域射線跟蹤技術(shù)是研究室內(nèi)環(huán)境下超寬帶信號透射特性的有效方法。本文利用時域射線跟蹤方法研究了超寬帶信號在室內(nèi)環(huán)境的透射特性。然后對典型室內(nèi)環(huán)境仿真，分析透射對超寬帶信號功率延遲分布的影響。

【關(guān)鍵詞】 時域射線追蹤方法 透射 功率延遲分布

一、理論基礎(chǔ)

在復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境中，UWB信號會產(chǎn)生空間擴散傳播，墻面（包括室內(nèi)的墻面）、地面、天花板、門窗等都會產(chǎn)生反射、透射等現(xiàn)象。根據(jù)射線跟蹤方法就可以按照每一條徑所遇到的電波傳播現(xiàn)象卷積時域的傳播系數(shù)，得到某一極化方式下的接收波形，從而得出功率等重要信息。

對于有耗介質(zhì)，復(fù)介電常數(shù)為ε=ε0（εr+σg/jω），其中σg=120πσc。經(jīng)過拉普拉斯變換，并根據(jù)拉普拉斯變換的性質(zhì)，將頻域反射系數(shù)變換得到時域反射系數(shù)[1、2]：

（1）

式中In（t）為n階的貝塞爾函數(shù)，K=，a=τ/2，τ=σg/ε。

對于水平極化，κ=；對于垂直極化，κ=。其中“+”表示水平極化；“-”表示垂直極化，對下文中的表示都如此。

根據(jù)電磁理論，透射系數(shù)和反射系數(shù)存在以下的等式關(guān)系[3]：

T（t）=I+R（t） （2）

式中I為單位矩陣。

故在有耗介質(zhì)中傳播時，時域的透射系數(shù)為T（t）[3]：

（3）

式中各參數(shù)的含義與（2）式中一致。

二、環(huán)境仿真

本文采用文獻(xiàn)[1]中的仿真環(huán)境是一個的空房間。在文獻(xiàn)[1]中，研究者并沒有考慮到透射現(xiàn)象對超寬帶信號傳播的影響。但是在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中，透射也是一種非常重要的傳播機制。本文對文獻(xiàn)[1]中的環(huán)境進(jìn)行改造，在房間中間加了一堵帶有木門的墻，來代替室內(nèi)實際環(huán)境中房間的墻，以討論對超寬帶信號傳播的影響。并忽略了天線和波形的對傳播的影響。房間的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

經(jīng)過對傳播環(huán)境的仿真，分別在不同的極化方式下，逐漸增加透射的次數(shù)，得到圖2和圖3的數(shù)據(jù)。

如圖2和圖3所示，在考慮透射時，明顯出現(xiàn)峰值減小，出現(xiàn)時間滯后的現(xiàn)象。但是而且增加了透射次數(shù)之后也并不能改變這種現(xiàn)象。圖中三次反射三次透射曲線和三次反射二次透射曲線幾乎是重疊的，也正說明了這一點。

三、結(jié)論

通過對室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境中UWB信號的透射特性分析，可以得到：第一，在考慮透射和不考慮透射時，接收機接收到的功率峰值大小以及峰值出現(xiàn)的時間有著明顯不同。考慮透射時，會出現(xiàn)一個峰值減小且峰值出現(xiàn)的時間會滯后；第二，在考慮透射的影響之后，出現(xiàn)如第一點所示的結(jié)論之外，增加或減少透射次數(shù)并不能改變峰值大小和出現(xiàn)時間。對于在考慮透射時會出現(xiàn)峰值減小及峰值出現(xiàn)時間滯后現(xiàn)象的原因，由于電波在有耗介質(zhì)中傳播時，傳播速度有所降低，且傳播的能量也被有耗介質(zhì)吸收。所以才會出現(xiàn)峰值減小和峰值出現(xiàn)時間滯后的現(xiàn)象。當(dāng)然，對于不同電磁特性的介質(zhì)，有著不一樣的影響。這就使得在復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境中，超寬帶通信系統(tǒng)的研究和設(shè)計都不能忽視這種影響。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] R. Yao， et al. UWB Multipath Channel Based on Time-Domain UTD Technique[C]. Globe Telecommunications Conference 2003 （GLOBCOM’ 03）， 2003：1205-1210.

[2] P. R. Barnes， Frederick M. Tesche. On the Direct Calculation of a Transient Plane Wave Reflected from a Finitely Conducting Half Space[J]. IEEE Transaction on Electromagnetic Compatibility， 1991， 33（2）：90-96.

[3] F. Saez de Adana， O. Gutierrez et al. Efficient Time-Domain Ray-Tracing Technique for the Analysis of Ultra-Wideband Indoor Environments Including Lossy Materials and Multiple Effects[J]. International Journal of Antennas and Propagation， 2009：1-8.