基于fdtd方法的无线电波透地传输特性的研究

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1、基于FDTD方法的无线电波透地传输特性的研究

2、第1　　摘　要：介绍了时域有限差分法(FDTD)的基本原理；模拟了电磁波在大地非均匀介质信道中的传播，研究了透地通信系统中的电磁波在有耗大地分层面的反射和透射，得出了对透地通信系统设计有重要意义的反射系数和透射系数，说明了FDTD方法是解决电磁波在复杂媒质中传播的一种有效方法。关键词：透地通信；大地信道；时域有限差分法；透射　　PropagationCharacteristicsoftheRadioethod　　LIULingzhi，ogeneousandmultiplayerchanne

3、lofmunicationsystemthroughtheearthiscalculatedandsimulated，andthereflectionandtransmissioncoefficientsareobtainedbasedonthedifferentelectricparametersinthechannel．Theresultisveryimportanttodesignthesystemofmunicationthroughtheearth．ithasshoethodisaveryeffectiveissionpro

4、bleminplexmediums.Keyunication;stratumchannel;FDTD;transmission穿透地层的无线电移动通信是国内外少有人研究且尚未解决的一个难题，由于大地信道稳定且不受井下灾害事故的影响，透地通信被认为是最可靠地解决矿井救急的通信方式。他采用具有很好穿透性的低频信号，以分层大地作为传播媒质。由于现实中矿井布局及地质结构不尽相同，这就需要对大地的信道特性进行研究分析。时域有限差分(FDTD)方法是Yee在1966年首先提出来的一种计算电磁场问题的有效方法［1］，后来由Mur及Taflove等人

5、加以完善和发展［2，3］，目前已成功地运用于计算和模拟电磁波的传播、导引、散射和辐射等多个方面。他所需的存储空间与运行所需的时间只与所研究空间的离散网格数成正比。本文根据他的特点，研究了透地通信系统中的电磁波在有耗大地分层面的反射和透射；模拟了电磁波在大地复杂媒质中的传播，为透地通信系统的设计提供理论参考。1　时域有限差分法(FDTD)　　FDTD法的基本原理是把所求解的空间划分成一定数量的网格，在每个网格上对含E，D，B，H的Maxouseg(this)">2　求反射系数和透射系数　　透地通信系统可应用于各种矿井、隧道、地铁等场合。

6、透地传播中的媒质通常深度不超过500m的大地表层，这个大地表层媒质可以看作为分布不均匀的多层介质结构［5］，如图2所示。现应用FDTD方法计算大地表面的电波反射并模拟电磁波在大地媒质中的传播。500)this.style.ouseg(this)">　　设沿z方向传播的x方向电极化的平面波从空气垂直入射到大地表面，其入射波形采用时域上的升余弦脉冲Ei(t)＝0．5［1－cos(2πt/τ)］，0≤t≤τ，其他范围内为0。其中τ为脉冲底座宽度。阴影部分表示厚度为d的大地介质层。编程进行FDTD模拟时，考虑所需的CPU存储空间与运行时所需的

7、时间，取空间步长长度相等，Δh＝d/(3×107)，媒质的厚度d可以取为306m，其中媒质的介电常数取一个平均相对值500)this.style.ouseg(this)">=一般情况下取值为500)this.style.ouseg(this)">在空气和大地介面上介电常数的值取2种介质的平均值500)this.style.ouseg(this)">,500)this.style.ouseg(this)">=(ε0＋500)this.style.ouseg(this)">)/2，空气中的介电常数近似为真空中的介电常数，取值为ε0＝8．8

8、54×1012F/m，激励源取值为τ＝2×10－5s，频率f取值为100kHz。图3给出了所得到的与入射波电场矢量垂直极化的反射波的时域波形，图4给出了所得到的透射波的时域图形。500)this.style.ouseg(this)">500)this.style.ouseg(this)">　　从图中可以看出，同极化的矢量波透地传输时，在经过自由空间和大地表层，会有很大一部分能量反射，要使反射能量最小，根据Snell定律知，应该以接近Breouseg(this)">500)this.style.ouseg(this)">为第i层媒质的电

9、志率，di为第i层媒质的厚度[7]，一般情况下，取500)this.style.ouseg(this)">。图5给出了电磁波在有耗大地中的传播情况，用FDTD法得出的时域波形，通过傅里叶变化可得到其频域值。500)thi