船体电波传输特性分析
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船体电波传输特性分析

2021-10-25 04:07:11 投稿作者: 点击:

【摘 要】随着大型船舶的发展和陆上集群调度通信的成熟,未来以民用集群调度通信系统为代表的无线通信手段在大型船舶上的应用将成为一种可能。以船舶平台作为试验载体,通过对模拟环境的实地测试,对无线通信在船上的传播特性进行分析,提供了一种适合于船舶平台的无线传输特性的分析方法,并建立无线传输模型。

【关键词】船舶平台 集群调度通信 无线传输

1 引言

目前,集群调度通信在机场、重大活动场馆(如奥运、亚运场馆)、矿场和市区内(如公共安全等)等陆地上特定场合已经普遍应用,在通信网络的设计规划与优化中,相应采用的无线信号的传播特性与模型早已是相对成熟。相对于陆地上环境的普遍应用和技术成熟,在民用大型船舶上的应用还相对较少,相关的研究也比较薄弱。本文以集群调度通信系统为参考,通过理论建立无线传输模型,测试无线信号在非钢筋混泥土材料、层数多达十几层和舱室隔段多的复杂结构的船舶上的传输损耗,并经过计算分析,得出在船舶上无线信号的传播特性。

2 传输特性模型

根据电磁波在自由空间内的传播理论,通过测试研究无线电波在船舶平台环境下受船舶非钢筋混泥土结构的舱壁隔段阻挡、舱门/盖屏蔽等影响,分析其传播损耗计算方法,建立无线传输模型。

2.1 自由空间无线传播特性

自由空间无线传输损耗为:

排除天线增益的因素,即收发天线为增益Gr=Gt=0的理想全向天线,则自由空间的路径传播损耗为:

2.2 船舶环境的无线信号传播特性与模型

相对于自由空间传输,在船体平台内电磁波传播受影响的因素较多,如舱壁、舱顶、通道走廊、人员活动和室内物体摆设等,会引起电磁波的反射、折射、散射和吸收等现象。因此,船体平台内的电磁场分布较自由空间和一般普通陆地环境更为复杂,在描述其无线信号衰减特性时要根据不同空间环境的通信应用需求建立相应的无线传播模型。

(1)全向天线应用无线传输模型

首先,在船舶环境中,由于舱壁、舱顶的反射以及人员活动和室内物体摆设引起的散射,将使收发天线间存在多条传播路径,接收端收到的信号实际为多条路径传播信号的总和。其路径损耗随距离的衰减速度将大于上述的自由空间环境,只有在收发间完全视通、传输路径周围空旷的环境下,路径损耗才接近于自由空间环境。为表征船舶环境中的不同路径损耗特征,将式(2)中的20lgd改由20nlgd代替,引入路径损耗指数n,以表征路径损耗随传播距离衰减的速度。

其次,在船舶环境中,往往不能保证收发间直通。当收发间存在舱壁、遮挡物、隔层或隔段等阻隔时,阻隔会对电磁波进行吸收,导致传播损耗增大。为此,在船舱内的无线信号传播模型中增加了隔断引起的传播损耗W,以表示阻隔引起的损耗。该损耗由阻隔的材质、大小和屏蔽效果决定,对于不同的阻隔情况取值也不同。

由此得出适合船体平台环境的无线传播损耗模型为:

其中,20lgf为频段差异引起的损耗;W为隔断引起的传播损耗;n为路径损耗指数;d为理论净空传播距离。

对于大型舱室(如餐厅、会议室、健身娱乐室等)、相对面积较为空旷的甲板及顶部空旷区域(如露天泳池),适合采用式(3)进行分析:

◆甲板及顶部空旷区域:除活动的人员外,主要为净空环境,其无线信号传播特性接近于自由空间;路径损耗指数略大于自由空间传播,隔断引起的传播损耗不大。

◆大型舱室:空间较狭窄,由金属墙壁形成封闭空间,其无线信号传播特性接近金属波导环境,信号反射后增强了内部的信号强度;路径损耗指数接近甚至略小于自由空间传播,隔断引起的传播损耗大。

(2)狭长空间泄漏电缆应用无线传输模型

相对于大型空间,在船舶上狭长的通道走廊、上下楼梯(船上楼梯一般都比较狭窄)及两侧居住排列等小型舱室,一般会采用类似陆地上矿洞、隧道和地下铁道的同轴泄漏电缆的应用。同轴泄漏电缆是一种能实现沿轴向近似均匀传输的天馈设施,其无线信号传播与传统的偶极子阵元传播不同:偶极子阵元以球面波的方式向外辐射能量;而泄漏电缆近似以圆柱波的方式向外辐射能量。因此,泄漏电缆在通道走廊及小型居住舱室内应用的无线传播模型也可以表示为:

其中,n为路径损耗指数,理论上最小值为1;X为截距损耗值,理论上取2m处的耦合损耗因子计算;d为接收点距离泄漏电缆的径向距离,单位为m。

通过模拟这两种环境测试和分析,完成对模型中的n值和W值的修正,获得符合船体平台无线信号传播特性的数据模型,从而分析实际环境电波的传输特性。

3 无线传输测试

3.1 测试的必要性

相对于陆地城市等环境,船体环境的无线信号传播特性差别较大。为取得较准确的无线信号传播模型,有必要進行实地的无线信号传播特性测试。

3.2 测试步骤

本文通过对一般客货两用轮的大型货仓和过道走廊边的会议室进行数据采样(由于甲板面积太小,在此不进行测试),采用如下仪器设备:

◆信号源:HP射频信号源

◆天线:全向天线

◆泄漏电缆:7/8漏泄电缆一段

◆接收机:手持式频谱仪

◆全向天线:增益3dBi

◆馈线:损耗1.2dB

测试步骤如下:

(1)数字信号发射源连接馈线,输出端连接天线,天线的位置简易固定在大型舱室的正中央天花板上。

(2)设置信号源发射功率(Tx)为10dB,无调制,并确保在发射输出状态,选取与通信设备相近的一个900MHz频点作为发射频点。

(3)频谱仪中心频点设置为发射源频点,设置相应的带宽,并查看900MHz频点上的接收幅度,等到接收功率稳定跳动后,在发射源附近和舱体多个位置(尽量满足位置分布均匀和多种隔舱环境)记下幅度变化范围值。

测试连接与示意图如图1所示:

3.3 测试数据结果

(1)测试数据一

大型货舱测试数据如表1所示:

(2)测试数据二

过道走廊及边上舱室测试数据如表2所示:

4 无线传输损耗计算

通过对本次测试的数据进行统计和计算分析,可以对无线信号传播模型特征参数进行修正。

4.1 大型货舱传输损耗

通过对数据进行计算分析,得出大型货舱传输损耗如表3所示:

4.2 过道走廊传输损耗

通过对数据进行计算分析,得出过道走廊传输损耗如表5所示:

5 结论

本文通过测试和分析计算,获得了金属体为主结构的船体平台的舱室、通道走廊等不同环境下应用不同的天线进行无线信号传输时的损耗,从而建立一种适合于船体平台上的无线信号传播特性分析方法和模型。

参考文献:

[1] 闻映红. 电波传播理论[M]. 北京: 机械工业出版社, 2013.

[2] 肖远强,张武军. 漏泄电缆的性能分析[J]. 移动通信, 2002(6).

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[4] 王均宏,简水生. 漏泄同轴电缆耦合损耗的计算[J]. 铁道学报, 1996(6): 17-22.

[5] 卢万铮. 天线理论与技术[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2004.★

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