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基于抛物线方程的电波传播研究

沈玮  
【摘要】: 随着高频电磁波技术的迅猛发展,复杂环境下的电波传播特性预测已经成为一个重要的研究课题。在构建诸如雷达预警、电子战和指挥自动化等诸多军事无线电系统时,准确的战场电磁环境数据是不可或缺的重要内容。在规划和优化通信网络的过程中,需要消除信号盲区,因此研究电波传播损耗就成为一个重要的课题。随着移动通信的发展,用户也在迅猛增加,对系统容量的要求也越来越高。另一方面,随着无线通信的发展,发射源也越来越多,使得城市电磁污染进一步加重,对人体不利。因此有必要对某辐射源的电波传播特性进行分析,本文基于抛物线方程方法来计算移动通信中的电波传播损耗。 在已有的电波传播预测模型中,基于射线跟踪方法的诸多模型不能同时处理不规则地形和复杂大气结构对电波传播的影响,因而无法准确预测复杂环境下的电波传播特性,而从波动方程推导出的抛物方程(PE)模型则能克服这个缺点,是目前预测对流层电波传播问题最为准确的模型,因此,本文主要基于PE方法,深入研究了预测大尺度电波传播特性的二维抛物方程(2DPE)模型和预测城市小区电波传播特性的三维抛物方程(3DPE)模型。 本论文对抛物线方程算法在电磁波的散射和传播计算中的应用进行了深入系统的研究,具体开展以下诸方面的工作:对PE算法的理论进行细致推导。介绍了两种PE的数值解法,即Split-Step-Fourier-Transform、Crank-Nicholson差分法,重点介绍Crank-Nicholson差分法。为了克服PE的固有缺点,通过旋转抛物线轴向技术计算更大范围的双站RCS。详细分析了PE本身算法给预测结果带来的误差,提出了减小误差的方法;为获得PE的初始场分布,提出了天线方向图方法,本文的方法不但精度更高而且具有通用性。对用于PE算法的吸收边界条件(基于复坐标系的完全匹配层)二维和三维的问题进行深入的分析和推导,使其既能用于散射体的RCS计算,又能处理无界空间的不同入射角的电磁传播问题;为了将PE方法应用于各种介质中,针对不同极化方式情况推导了介质体的阻抗边界条件在PE中的应用。通过对现有多个不规则地形模型的比较,确立了一种目前最为精确的地形模,对于移动通信中较为常见的地形和环境进行模拟,对地面、海面(结合分形技术)、山峰以及多个建筑物的电波传播损耗进行计算。针对PE计算棱边散射体时精度较差的缺点,引入等效边缘电磁流方法,来提高其计算精度,这对于将其应用于实际生活是很有意义的。建立一种位函数PE模型,可以一次性得到各场分量;并且与计算图形学结合编写了可视化软件。结合神经网络知识及动态最优化方法,研究了城市小区中基站的位置及布局的优化方法。


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