基于柱坐标系抛物方程和矩量法混合算法的电波传播研究

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在无线通讯系统中,电磁波是通讯系统中信息传输的载体,电波传播是通讯系统中信息的传输过程,无线通讯质量的好坏在很大程度上取决于信息传输过程的好坏,而在电磁波的传输过程中,各类不同的地表地形、障碍物、受限空间等等会构成电波传播的复杂电磁环境,因此针对不同的电磁波传输环境,提前分析通信系统中收发路径间的电波传播特性将对建立高效的无线通信系统起到关键性的积极作用。抛物方程法(Parabolic Equation Method,PEM)是一类基于电磁波波动方程的确定性电波传播分析方法,该方法可以快速且准确的计算大尺度空间中的电波传播情况,传统的PEM主要基于直角坐标系,其存在计算方位角受限的问题,基于圆柱坐标系中的PEM可以在计算时考虑全方位角上电场变化,相较于前者,后者更具实用性;矩量法(Method of Moments,MOM)是一类全波电磁分析方法,将其用于电波传播计算时具有极高的计算精度且能够处理复杂的边界条件,但是该方法存在运算量大、计算平台要求高的缺点,目前该方法仅适用于小区域空间环境中的电波传播建模。本文基于上述两类算法的优缺点,提出了适用于复杂场景电波传播建模的MOM-PEM电波传播混合算法,并将其运用到了实际环境下的电波传播建模,具体的研究内容如下:第一,从二维直角坐标系中的PEM出发,推导了PEM的理论计算原理和求解PEM的快速傅里叶(SSFT)算法,研究了PEM用于电波传播计算时的误差影响因素并给出了不同迭代步长下的PEM计算结果。第二,详细推导了圆柱坐标系PEM和MOM用于电波传播计算的求解原理并给出了相应场景下的电波传播数值仿真结果,针对辐射源周边存在障碍物的电波传播场景,提出了MOM-PEM电波传播混合算法,该方法在MOM计算域内实现辐射源和近源障碍物的建模和传播问题的严格解析计算,在MOM计算域外的大区域范围内采用圆柱坐标系PEM进行电波传播的数值近似计算。相较于全PEM,混合算法可以直接对辐射源和近源障碍物建模,使仿真更贴近实际;相较于全MOM,混合算法在大区域空间中采用的是数值近似计算,省去了大量矩阵运算,提高了仿真的计算效率。第三,将MOM-PEM电波传播混合方法运用到了复杂场景下的电波传播分析,主要包括:近源区域存在有限开窗屏障碍物场景、立方体障碍物场景和半封闭空间障碍物场景下的电波传播特性分析,此外还包括专用短程无线通讯技术(Dedicated Short Range Communication,DSRC)车载无线通讯场景下的电波传播特性分析。
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