CC BY
38
о
© В.Н. Абарыков, А.С. Батороев,
Э.Р. Чимитиыленов, 2003
УЛК 621.373.3
В.Н. Абарыков, А.С. Батороев, Э.Р. Чимитиыленов
ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ УКВ ВНУТРИ ЗЛАНИИ
Описаны постановки и методы измерения амплитудно-
поляризационных храктеристик УКВ поля внутри зданий, с помощью которых получены результаты, иллюстрирующие сложную структуру поля и наличие при его формировании интерференционных и деполяризационных факторов. Статистически оценены амплитудные распределения поля и величина деполяризационных эффектов.
Быстрое развитие микросото-вых систем персональной связи и других информационных систем, предназначенных для работы в диапазоне УКВ внутри крупных зданий и промышленных объектов, обусловило необходимость исследования процессов распространения и формирования структуры поля в помещениях зданий и строительных сооружений. В опубликованных работах, посвященных данной проблеме, отмечается большой разброс значений амплитудночастотных, поляризационных и временных параметров поля на незначительных расстояниях, ограниченных размерами объекта [1, 2], что, безусловно, вызвано крайне сложным характером среды распространения и влиянием многочисленных факторов на формирование результирующего поля. Такое положение затрудняет построение надежных моделей прогностического расчета поля и определяет необходимость дальнейшего детального изучения процессов передачи энергии внутри зданий путем накопления статистически обеспеченного материала. В данной работе приводятся методика измерений пространственной амплитудно-поляризационной структуры напряженности и частотной корреляции поля в объеме замкнутых помещений зданий и некоторые полученные экспериментальные результаты.
Методика и постановка эксперимента
Ставилась задача изучения пространственного распределения уровня напряженности X-, У-, 2-составляющих электромагнитного поля (амплитудно-поляризационной структуры) на нескольких фиксированных частотах (частотной корреляции) в отдельных помещениях, комнатах здания, отстоявших на различных расстояниях и разных этажах от излучателя линейной поляризации, который размещался в том же здании и последовательно ориентировался в Х,У,2 направлениях. Для обеспечения статистической достоверности результатов по каждому параметру поля предстояло провести огромное количество дискретных измерений величины радиосигнала в объеме каждой выбранной комнаты и по зданию в целом. Поэтому с целью ускорения и автоматизации процесса измерений был выбран метод кусочно-непрерывных пространственных разрезов поля в вертикальном (от пола до потолка) или горизонтальном (между стенами) направлениях в локализованных местах объема помещения. Дискретизация регистрируемого сигнала осуществлялась в АЦП при вводе в ПЭВМ для последующей обработки. В качестве излучателей и приемных антенн-зондов применялись симметричные полуволновые диполи, соединенные с генератором и приемником коаксиальными фидерами через симметрирующие и согласующие устройства. Длина соединительных фидеров выбирались из условия обеспечения необходимого энергетического потенциала измерительного комплекса и возможности выноса аппаратуры за пределы обмеряемого помещения. Основным элементом зондирующего узла измерительной системы был переносной деревянный монорельс с подвижной диэлектрической кареткой, на которой устанавливался приемный диполь. Управление движением каретки было дистанционным, и при плавном перемещении ее вдоль мо-
норельса на расстояние около 3,5 м выполнялся разрез поля в любом координатном направлении. Таким образом, для каждой частоты и каждого координатного положения излучающего диполя при одной установке монорельса проводились последовательно три разреза напряженности поля с измерениями вариаций пространственного уровня его составляющих Ех ,Еу ,Ег. Для получения наиболее полной картины амплитудно-поляризационной структуры составляющих поля в объеме помещения для всех измеренных частот и определения частотной корреляции радиоканалов проводились серии равномерно распределенных по объему комнаты разрезов путем соответствующего перемещения монорельса.
Статистические параметры пространственных распределений уровней поляризованных составляющих напряженности поля в каждом разрезе и по объему помещения рассчитывались на ПЭВМ. Коэффициент передачи мощности V, характеризующий ослабление радиоволн при распространении их в здании, определяется по формуле:
V = Р2/Р1 п1 П2 ,
где Р1 - мощность на входе передатчика; Р2 - мощность на входе измерительного приемника; г|1 П2 -ослабление энергии в фидерах передатчика и приемника.
Измерения проводилась на частотах 0,2 ГГц, 0,7 ГГц, 1,2 ГГц в двух пятиэтажных зданиях: кирпичном и из сборного железобетона. Оба здания административного типа с продольными коридорами на каждом этаже, по обе стороны которых располагались служебные комнаты разных размеров. Внутренняя инфраструктура зданий включала в себе армирование, лестничные проемы и переходы, тонкие и капитальные стены и перегородки, межэтажные железобетонные перекрытия, а также большое количество оконных проемов, выполненных из стекла, металла и дерева. Из внешних возмущающих факторов необходимо отметить наличие оживленной транспортной магистрали, проходившей примерно в 50 м от фасадных сторон зданий. Методика измерений заключалась в следующем. Излучатели поочередно устанавливались стационарно в середине заданных помещений зданий на высоте 1 м от пола и ориентировались преимущественно в вертикальном направлении
влияния диаграммы направленности диполя. К каретке монорельса, установленного в обмеряемом помещении, крепился соответствующий приемный диполь-зонд и последовательно ориентировался вдоль одной из осей координат Х,У,Ъ при каждом разрезе. Затем монорельс переставлялся в новую позицию в пределах объема помещения. В выбранной системе координат горизонтальная ось X соответствовала фасадной стороне здания, горизонтальная ось У торцевой стороне, ось Ъ проходила в вертикальной плоскости.
Некоторые экспериментальные результаты
Результаты измерений показали наличие многолучевого прохождения радиоволн в зданиях как по внутренним, так и по внешним путям распространения за счет явлений отражения, преломления и дифракции на многочисленных неоднородностях инфрастуктуры зданий и внешнего окружения. Подтверждением тому были характерные временные флуктуации радиосигнала при неподвижных антеннах передатчика и приемника,
которые наблюдались при движении людей или перемещении предметов внутри здания, а также при проезде по магистрали крупногабаритных транспортных средств и трамваев. Относительная интенсивность этих флуктуаций была сильней при малых уровнях принимаемого радиосигнала, характерного для удаленных от излучателя помещений.
Амплитудно-поляризационная структура поля в каждом помещении имела сложный интерференционный характер. На каждой частоте у всех составляющих поля Ех , Еу , Ег наблюдались чередование максимумов и минимумов уровня, квазипериод которых зависел от длины радиоволны и составлял от 0,12^ до 0,4^. Характерная картина разрезов поля в комнате показана на рис. 1 для частоты 0,2 ГГц. При небольшом различии средних уровней напряженности Ех, Еу, Ег пространственные положения их экстремальных значений не совпадали, так что в некоторых локальных точках объема помещения уровень кроссполяризационной составляющей существенно превышал основную, а результирующий вектор поляризации поля в принятой системе координат был ориентирован случайным образом, что свидельствовало о сильной деполяризации радиосигнала внутри помещений зданий. На рис. 2 показаны интегральные распределения массивов коэффициентов деполяризации Б = Ех,у/Ег (рис. 2а) и среднеквадратических отклонений ох,у,г (рис. 2б), характеризующих пространственные вариации значений составляющих поля в объеме любой комнаты в здании административного типа из сборного железобетона. Из распределений
видна некоторая частотная зависимость деполяризации и пространственной устойчивости радиосигналов внутри помещений. Так для частоты 0,2 ГГц деполяризация проявилась сильнее (Б ~ -3 дБ в 50% реализаций) при большей устойчивости (о ~ 2 дБ в 50% реализаций), а для частоты 1,2 ГГц эти же величины соответственно составили: Б ~ -5 дБ, о ~ 4 дБ Вариации средних уровней поля по объему помещений определялись путем проведения вертикальных разрезов, равномерно распределенных по площади комнат разных размеров: 70 м3 - 12 разрезов, 150 м3 -16 разрезов, 870 м3 - 56 разрезов. В дальнейшем анализировались от-
ношения Ех /Ех0, Еу /Еу0, Ег /Ег0 где Ех,у,г - среднее значения составляющих в каждом разрезе, Ех0,у0,г0 - среднее значения составляющих в середине комнаты. В абсолютном большинстве реализаций значения величины отношений средних уровней по разрезам укладывались в интервал - 6дБ < Е/Е0 < +6дБ. С изменением места установки излучателя пространственная картина объемного распределения средних уровней в разрезах также менялась, при этом интервал вариаций относительных значений их оставался в прежних пределах.
Зависимость напряженности поля от расстояния между излучателем и приемником при размещении их внутри здания характеризовалась величиной средних по комнатам коэффициентов передача
мощности ^ху2. Анализ массива V показал, что разброс значений коэффициента в объеме здания лежал в больших пределах от -(30ч60) дБ для ближних к излучателю комнат до -(100ч120) дБ при максимальном разнесении антенн излучателя и приемника по комнатам и этажам здания. При этом отмечено, что зависимость V от расстояния далеко неоднозначна. При одинаковых расстояниях до излучателя для разных помещений, разнесенных в пределах этажа и между этажами, различия в величинах V достигли 30 дБ и более. Следует заметить, что расстояния между антеннами определялись по кратчайшему пути из чертежей проектной документации здания, что, возможно не всегда соответствовало истинному пути прохождения радиоволн, особенно при междуэтажном распространении. На рис. 3 показаны зависимости
коэффициента ^ от расстояния для обоих зданий. Из-за большого разброса данных и для удобства их представления во всем исследованном диапазоне вертикальной чертой на графике обозначен весь диапазон реализаций ^ на данной частоте радиосигнала, попадавший в интервал расстояний: -5м < АН
<+5м, где Н = 10, 20, 30... 60 м.
Положение условного значка частоты на вертикальной черте соответствует среднему значению ^ (дБ). На графиках рис. 3 видна тенденция частотной зависимости ослабления радиоволн с расстоя-
-о— 0,2 ГГц
-20 - | -X- 0у — -Л- 1.2 —
_ < і
-60 - [ |l ,
lb її, . .
HUD - _ xZ?-
3 го 40 бо м Рис. З
нием. В большинстве реализаций (до 90% случаев) с увеличением частоты радиосигнала происходит
V
уменьшение 2, хотя и неоднозначно для разных трасс. В отдельных случаях наблюдались обратные эффекты, когда на более высокой частоте передачи уровень поля в помещении возрастал на 4ч6 дБ. Чаще такие эффекты появлялись на частоте 0,7 ГГц в здании из сборного железобетона, реже на частоте 1,2 ГГц в кирпичном здании. Такие же результаты с некоторыми вариациями абсолютных значений отмечались для кроссполяризован-ных составляющих V . В среднем
* Х,у
различие в величине у на крайних
частотах 0,2 ГГц и 1,2 ГГц составило 5ч15 дБ, когда излучатель и приемник находились на одном этаже, и 15ч25 дБ при этажном разнесении антенн. Таким образом, из приведенных результатов следует, что определяющим фактором ослабления радиоволн в зданиях является не только протяженность радиотрасс, которая, как правило, не превышает и ста метров, сколько их «радиопрозрачность», определяемая количеством и толщиной стен, перегородок, перекрытий, наличием проемов, пустот и плотностью заполнения помещений мебелью и оборудованием на пути прохождения радиоволн. Иллюстрацией этому служит ха -рактер изменений ослабления ра-
разнесении антенн. На рис. 4 приведены усредненные значения V ,
определенные на разных этажах и разных интервалах расстояний между антеннами, при фиксации приемного комплекса в одной из комнат второго этажа и перемещении передающего блока по всем этажам здания. Как следует из рис. 4, величина поэтажного скачка коэффициента V зависит от зоны дальности помещений. В ближней зоне до ~30 м, а также на смежных этажах, когда прозрачность радиотрасс резко меняется за счет быстрого изменения суммарной толщины перегородок и перекрытий, «скачок» ^2 принимает наибольшие значения, достигая 15ч25 дБ на разных частотах. В удаленной зоне 30 <Я <60 м, когда прирост толщины препятствий замедляется и возрастает вероятность побочных путей прохождения радиоволн, величина поэтажного «скачка» V заметно уменьшалась от 6ч8 дБ до почти полного исчезновения.
Многолучевой характер прохождения радиоволн в структурах зданий весьма усложняет моделирование процессов ослабления поля, в связи с чем была рассмотрена эмпирическая модель убывания напряженности поля на основе аппроксимации экспериментальных данных логарифмической функцией:
= -(50+Х/Хо) ^ (г/ Хо) --10 1§[1+(Хо/Х)3] - 20 п ^(1+10 Хо2/г Х)
В этом выражении первый и второй члены учитывают зависимость ослабления поля от длины радиоволны Х и относительного расстояния г между корреспондентами, Хо- единичная длина волны. Т ретий член определяет между этажный скачок изменения напряженности поля. Здесь п- разность номеров этажей расположения приемника и передатчика. Это выражение применимо в частотной области 0,1 ГГц < ! <10 ГГц для зданий административного типа. В других типах зданий жилых, промышленных цехах, складских помещениях и т. д. закономерности изменений напряженности поля могут существенно отличаться. На рис. 5 представлены усредненные экспериментальные зависимости ослабления радиосигнала частотой 1,2 ГГц на разных этажах здания из сборного железобетона при установке излучателя на 2-м этаже. Подобные зависимости были получены и для других частот 0,2 ГГц и
0,7 ГГц. На этом же рис. 5 пунктиром построены зависимости ослабления поля на частоте 1,2 ГГц с учетом междуэтажных скачков напряженности при п = 0,1,2,3. Как видно, эти зависимости удовлетворительно согласуются с экспериментальными кривыми.
СПИСОК ЛИТEPAТУPЫ
1. Пономарев Г.А., Куликов А.Н., Тельпуховский Е.Д.
Распространение УКВ в городе. МП “Раско”, Томск, 1998.
с.220.
2. Троицкий В.Н., Шур А.А. Особенности распространения радиоволн УВЧ и СВЧ диапазонов внутри зданий/ Электросвязь, №8, 1998, с. 26-29.
КОРОТКО ОБ ABТОPAX
Абарыков В.Н, Батороев А.С., Чимитцыденов Э.Р. - отдел физических проблем при Президенте Бурятского научного центра СО РАН.
Файл:
Каталог:
Шаблон:
Заголовок:
Содержание:
Автор:
Ключевые слова: Заметки:
Дата создания:
Число сохранений: Дата сохранения: Сохранил:
Полное время правки: Дата печати:
При последней печати страниц: слов: знаков:
АБАРЫКИН
в:\По работе в универе\2003г\Папки 2003\01ЛВ4_03 С:\и8еге\Таня\ЛррБа1а\Коаті^\Місго80й\ШаблоньіШогта1Ло1т Измерения характеристик электромагнитного поля УКВ внутри зданий
Чимитицыденов Э.Р.
31.03.2003 10:07:00 11
07.11.2008 23:12:00 Таня
20 мин.
07.11.2008 23:53:00 3
2 196 (прибл.)
12 521 (прибл.)
