电力线传输特性

电力线传输特性（精选十篇）

电力线传输特性 篇1

1低压电力线上输入阻抗及其变化

输入阻抗是表征低压电力线传输特性的重要参数。 研究输入阻抗, 对于提高发送机的效率, 增加网络的输入功率有重大意义。

研究表明低压电力线上的输入阻抗与所传输的信号频率密切相关。 在理想情况下, 当没有负载时, 电力线相当于一根均匀分布的传输线。 由于分布电感和分布电容的影响, 输入阻抗会随着频率的增大而减小。 当在电力线上有负载时, 所有频率的输入阻抗都会减小。 但是, 由于负载类型的不同, 使不同频率的阻抗变化也不同, 所以实际情况非常复杂, 甚至使输入阻抗的变化不可预测。

出于同样的原因, 电力线上不同位置的输入阻抗也会不同。 在由许多电阻、电容和电感组成的网络中, 从不同的点上看进去, 输入阻抗显然是不同的。可以看出, 信号输入点的不同对输入阻抗的影响是非常大的。 由于低压电力线输入阻抗的剧烈变化, 使发送机功率放大器的输出阻抗和接收机的输入阻抗难以与之保持匹配, 因而给电路设计带来很大的困难。

2低压电力线上高频信号的衰减及其变化

总的来说, 信号传输的距离越远, 信号衰减就越厉害。但是, 由于电力线是非均匀不平衡的传输线, 接在上面的负载的阻抗也不匹配, 所以信号会遇到反射、驻波等复杂现象。这些复杂现象的组合, 使信号的衰减随距离的变化关系变得非常复杂, 有可能出现近距离点的衰减比远距离点还大的现象。 对于民用电网, 其三相电源所接的负载大小和性质都不相同, 所以同样强度的信号在三相上的衰减也不同。 这种现象有时就表现为接收机和发送机的位置不变, 接在不同相上, 通信的误码率不同。

3低压电力线传输干扰特性分析

3.1低压电力线上干扰的周期性。 在以往的研究当中发现, 谐波噪声出现的形式是交流电频的整数倍, 所以我们在实际的工作中有足够的依据去推断干扰会存在着较为明显的周期性, 图1是某一时间段实验室当中电力线上的干扰波形, 而这种波形也展现出了非常明显的周期性特征, 其出现的频率是交流电频率的2倍, 同时其幅值比要比不变连续干扰大一些, 出现这种干扰强度的可能性是非常大的, 它的峰值甚至可以达到10V以上。

出现这种周期性干扰的一个非常重要的原因就是很多用电设备在运行的过程中可能会在工频交流电基波的某一个固定的香为上释放出一定的干扰。 为了对这样的周期性干扰进行全面的分析和研究, 制作出了图1干扰信号的对数频谱特性图如图2所示: 从图中我们可以看到干扰信号的频谱变化是没有规律的, 同时在这一过程中还出现了很多突然性的变化, 有些信号的强度很高, 有些信号的强度很低。 但是如果从大体的走向上来看9k Hz以上的干扰信号强度要比8k Hz以下的信号强度要大很多。 所以这种周期性的干扰主要也是因为有很多的高频干扰信号, 其共同构成了这种周期性的干扰。 因为我们日常所使用的电力载波通信设备的工作频率一般都不会地域10k V, 因此, 这样的干扰一定会对其运行状态产生一些不利的影响, 如果不能针对这样的情况及时的采取有效的措施, 就有可能会出现非常严重的数据传输上的错误。

解决这种干扰的过程中有两个困难, 一个是因为无法对这种干扰的固定周期以及发生的具体时间等重要的参数加以考证, 此外, 这些参数还存在着非常强的变化范围, 因此, 在实际的工作中, 我们很难有针对性的去采取有效的措施对这种干扰加以控制。 其次是因为这种干扰的宽度比较大, 所以对滤波器自身的性能有着非常严格的要求。 此外还要很多功率相对较大的用电设备在电网运行的过程中会释放很多的高次谐波。 这些高次谐波一般会存留在工频整数倍的频率之内, 但是它在运行的过程中会释放非常大的能量, 同时频率在这一过程中也可能会延伸到几万赫兹, 所以信号如果和干扰正好重叠, 就会对通信自身的可靠性和安全性产生非常不利的影响。

3.2低压电力线上干扰的随机性。 产生这种干扰的主要原因是因为高压开关操作、 雷电和负荷出现了比较明显的变化抑或是电力线路出现了较为明显的故障, 通常, 这种干扰本身是比较大的脉冲干扰或者是脉冲群干扰, 它的时间并不是很长, 但是能量集中性很高。 频谱宽度也很大。

高压开关的断开和闭合操作会使得电路上出现暂时性的电磁脉冲, 在这一过程中其也会受到很多因素的不利影响, 所以出现了较为明显的分散性特征。 此外, 低压电力线路当中的大功率负载出现了突然性的开关动作, 功率因数补偿电容器的投切和短路现象也会使得电压和电流出现突变现象, 同时谐波的分量也会不断的增加。 在距离接收机比较近的距离之内, 一些中小频率的负载也会对信号产生较大的干扰, 这样就使得通信质量在不断的下降。

结束语

电力系统在运行的过程中, 低压电力线载波通信是非常重要的一部分, 其信号的运行质量会受到很多因素的影响, 在这样的情况下, 我们必须要采取有效的措施对其信号传输的特性加以详细的分析和研究, 只有这样, 才能更好的减少不必要的干扰, 同时, 在这一过程中也可以更好的对电力系统运行的质量和水平加以改进和提升。

摘要：当前我国的供电自动化水平有了非常显著的提升, 低压电力线载波通信的作用在实际的工作中也日益的凸显出来, 所以在实际的工作中, 我们应该采取有效的措施对低压电力线路中的信号传输特性加以研究和分析, 只有这样, 才能更好的保证低压电力系统运行的质量。本文主要分析了低压电力线载波通信中信号传输特性, 以供参考和借鉴。

关键词：低压电力线,载波通信,阻抗,衰减,干扰

参考文献

[1]郭以贺, 谢志远.配电网载波通信信道的分析和建模[J].电力自动化设备, 2010 (3) .

电力线传输特性 篇2

二维损耗和色散介质光子晶体传输特性的研究

将传输矩阵法(TMM)用于光子晶体传输特性的研究,采用Mur近似吸收边界和周期边界来截断计算区域,计算了以TM模正入射时,二维方格子光子晶体在完整周期结构下的.透过率谱;在微波波段制作了光子晶体模型,并设计了实验装置,实验与数值模拟计算结果相符合;另外还研究了有损介质光子晶体、色散和吸收介质光子晶体的传输特性,及其对光子禁带的影响.

作 者：梅洛勤 曾淳 叶卫民 袁晓东 朱志宏 张晚云 王华  作者单位：国防科技大学理学院,湖南,长沙,410073 刊 名：国防科技大学学报  ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF NATIONAL UNIVERSITY OF DEFENSE TECHNOLOGY 年，卷(期)：2004 26(1) 分类号：O436 关键词：光子晶体   光子禁带   传输矩阵法   吸收边界   透射谱  

光纤通信的传输特性及应用 篇3

【关键词】光纤通信；传输特性；应用

1.光纤通信的传输特性

现在的光纤通信技术的特点有哪些？笔者经过深入的调查与总结，得出了以下的结论。

1.1光纤通信的传播速度较快。光纤通信与其他传统的通信技术相比，有着较大的带宽。就目前的光纤通信技术来看，其单波长的光纤通信系统的传输速度一般可以达到2.5Gbps到10Gbps。这是一个相当快的传播速度。光纤是通过较为复杂的技术使得传输的容量得以增加，使得其能够突破终端设备带来的电子瓶颈效应。

1.2光纤通信的损耗程度低，节约成本。相比于传统的铜通信设备，光纤设备采用石英作为原料，降低了设备的损耗。具实验表明，石英光纤的耗损低至0Db/Km到20dB/Km。这就说明了其低损耗的性能。同时由于光纤设备的低损耗现象，使得光纤通信可以使用更少的中继站，这就意味着光纤通信的系统费用也在减少。笔者认为光纤通信的低损耗特性是一个较大的优势。

1.3光纤通信具有较好的抗电磁干扰的能力。由于光纤的材料是石英，这就意味着其有较好的抗电、抗磁干扰的能力。用于石英具有很好的绝缘效果，它不会受到雷电干扰、电离层变化的干扰，也不会受到太阳黑子运动的干扰。不仅如此，光纤通信还可以很好的避免人为因素的干扰，使得其能够很好地应用于军事等需要较好保护的方面。

1.4光纤通信的泄漏较少，具有较好的保密作用。在传统的通信技术中，信息的不经意泄漏是一个较为严重的问题，使其容易造成信息泄露与信息丢失。但是光纤通信就可以很好地解决这一问题，在传播的过程中，射线的泄漏都可以很好地被包皮所吸收，使得其具有较好的保密性。

2.光纤通信的日常应用

在日常生活中，光纤通信主要运用在那些方面？在光纤通信的运用过程中出现了什么样的问题？下面笔者将结合光纤通信的实际应用以及光纤通信的应用现状做一定的阐述与说明。

2.1光纤通信中的光纤到户接入技术的应用。随着现代技术的不断发展，现代技术应用于各家各户。那么光纤技术也不例外。随着每家每户的对于网络的需求，宽带技术在不断的发展，为了能够更好地满足消费者的需求，往往采用光纤到户接入技术，它可以保证信息能够快速、准确地传输到每家每户。但是在实际的光纤到户接入技术的应用过程中，存在着一定的瓶颈，使得光纤通信技术受到了一定的限制。

2.2光纤通信中的单纤双向传输技术的应用。由于双向传输技术存在不足之处，导致了光纤在传播过程中使得信号较为分散。因此引入了单纤双向传输技术。在单纤传输技术中，所有的信号都在一根光纤上完成，这就使得其较为集中。但是由于是一根光纤的传输，这就导致了光纤传输的容量受到了一定的限制，使其无法达到理想的效果。并且就笔者的调查来看，目前我国还是采用的双向传输的技术，这就使得光纤资源被极大的浪费掉了。

3.光纤的未来发展前景

随着技术的不断进步，光纤技术也在不断的发展与进步。那么光纤设备的发展方向是什么？光纤通信的未来发展前景如何？笔者认为有必要针对这一系列的问题进行思考与探究。那么接下来笔者针对这些问题，结合笔者自身的思考与调查，进行一定的说明。

3.1光纤通信的集成化发展。随着计算机技术的不断发展，现有的带宽接入技术已经快跟不上时代的发展了。这就需要实现光纤通信的集成化，这可以使得光纤的工作性能得到很大的提高，可以加快信息的传播速度，可以使得信息技术得到更好地发展。

3.2光纤通信实现全光网络。随着时代的发展，光纤通信技术需要朝着更加快速的方向进行发展。在这个方面，全光网络提供的解决思路。全光网络技术即是指在任何形式下，信号与信息都是以光波的形式进行传播的。从目前的情况来看，在网络节点的位置，还是没有采用光电器，这就使得通信的速度受到了很大的限制。那么未来光纤通信的发展方面必定是向全光网络方向进行。而建立此项技术的关键在于建立完整的光网络层，将光纤的瓶颈部分问题解决。

3.3光纤通信实现智能化。随着计算机技术的不断发展，智能化技术越来越受到人们的喜爱与支持。因此光纤通信的智能化发展也成为了一个必然的发展趋势。实现光纤通信智能化的关键技术是将自动连接控制技术和自动发现技术等一系列自动化技术应用于智能化技术中，使得其具有一定的智能化功能。不仅如此，在智能化的过程中，我们需要建立完整的波长通道，使得光波在通道中可以实现动态调整，使得光纤通信智能化具有理论基础。

3.4光纤通信采用多波长通道。随着技术的不断发展，人们对于技术的要求也越来越高了。在上文中，笔者提到了单根光纤的不足之处，它限制了信息的容量，因此，在未来的发展过程中，光纤通信必然是朝着多波长通道的方向发展。

4.总结

通过本文，可以知道光纤具有很多优势能够使得其受到广泛的关注与重视。在光纤技术发展的今天，我们应当认识到光纤技术在我们日常生活中的重要作用，同时也要客观的认识到光鲜技术在现阶段还是存在着一些问题的。因此笔者认为光纤技术需要不断地完善与改进。当然这就需要广大的光纤从业工作者针对出现的问题进行积极的思考，不断提出创新型思维，不断完善光纤技术，为光纤技术的发展不断地做出贡献。

参考文献

[1]郑立士.光纤通信的传输特性及应用分析[J].电子世界，2015，（15）：56，58.

电力分组传输网时延特性测试研究 篇4

在电力通信网承载的业务中,无论是生产调度类业务还是运行管理类业务对于数据传输的时延和抖动性能都有很高的要求。分组传输网(Packet Transport Network,PTN)作为目前新兴的传输技术能够实现面向连接的多业务统一,基于分组的转发机制使得PTN的传输效率大大提升。在电力通信网中,多数生产业务的信号传输都采用时分复用的传统方式,PTN的技术特点兼顾了传统的时分复用业务,同时具备与SDH类似的运行管理维护机制,对于在数字化变电站中应用越来越多的以太网业务有着比SDH网络更好的传输效率和Qo S保障。

在电网业务的承载过程中,严格的时延性能要求能够保障电力公司的生产信息系统可靠运行和电力设备的安全性,而PTN在电网中承载数据的传输性能指标并没有深入的测试研究。由于PTN通过仿真 电路方式 实现时分 复用(Time-Division Multiplexing,TDM)电路传送本身的技术限制[1],需结合设备特性和设计对该类设备的应用进行优化。 因此,通过对PTN伪线仿真技术、PTN网络TDM电路承载和以太网报文承载的具体分析[2],进行电力PTN网络时延特性的测试研究。

1时延特性研究

时延是指数据包第一个比特进入传输网元到最后一比特从传输网元输出的时间间隔[3]。通过端到端时延特性的测试数据,对视频、语音业务等进行接入控制和带宽分配控制的分析,以此制定网络运行时的负载分担情况。

端到端的时延主要分为3个部分。

1)传输时延(Transmission delay)。用户侧数据接入到PTN设备,通过服务商边缘设备(Provider Edge,PE)进行数据的分组转发,将一组数据从PE设备完全转发的时间就是传输时延。传输时延主要由设备的交换容量所决定,对于同一类型(相同优先级情况下)报文,传输时延是一致的。对于PTN设备,当传输路径上的标签交换路径(Label Switch Path,LSP)和伪线(Pseudo Wire,PW)建立起来时, 标签转发的时延抖动是很小的。

2)传播时延(Propagation delay)。 其是指PE节点设备进行转发的数据报文通过中间节点按照预先设定的标签交换路径到达接受PE节点的时间。 传输时延由底层信号的物理传播速度和传播路径的长度所决定。

3)排队时延(Queuing delay)。其是指传输报文由接入层进入PTN的PE节点的存储缓冲区时, 报文进行存储转发的缓冲时间。排队时延是由转发节点的分组交换能力决定的,PTN在进行报文处理时设定的报文装载时间和报文缓冲时间都将影响排队时延的大小,这也是测试项目的重点研究部分。

时延产生机理如图1所示,对于一个H跳的链路,端到端的时延定义如下:

其中:tg,0为分组在源端的传播时延;tt,0为分组在源端的传输时延;tt,h为第h跳的传输时延;tq,h为第h跳的排队 时延;tp,h为第h跳的处理 时延;tg,h为第h跳的传播时延;tq,D为分组在终端处的排队时延。

2测试方案及结果分析

选用中国 电力科学 研究院电 力通信网 络实验室 标准测试 环境,利用思博 伦数据网 络分析仪Testcenter SP-11U和安利网 络性能分 析仪MP1590B进行相应 的测试。 测试内容 包括不同 报文装载时间的电路仿真业务(Circuit Emulation Service,CES)时延测试、 不同抖动缓冲时间CES时延测试、CES长期时延监测、CES抖动性能测试、以太网报文传输时延测试。测试配置拓扑如图2所示。

2.1不同报文装载时间的CES时延测试

按照图2搭建测试组网。创建一条NE1到NE7的CES,封装类型为基于分组传输网的结构化仿真 (Circuit Emulation Service over Packet Switched Network,CESo PSN),配置CES的2 M时隙,同时进行测试仪表的相应配置,测试并记录CES的端到端的时延值。测试过程中,将PE节点设备的报文装载时间进行相应调整,依次为1 ms、2 ms和3 ms,测试并记录不同情况下的业务时延。不同报文装载时间的CES时延测试结果见表1所列。

2.2不同抖动缓冲时间的CES时延测试

按照图2搭建测试 组网。 创建一条NE1到NE7的CES,封装类型为CESo PSN, 配置1~31条64 k时隙。配置报文装载时间和抖动缓冲时间为默认值。通过仪表监测业务,记录业务端到端的时延。 将抖动缓冲时间依次设置为3 ms、5 ms、8 ms。通过仪表监视业务,记录不同抖动缓冲时间的CES端到端的时延测试结果(见表2)。

2.3CES时延长期监测

CES时延测试测试时间为48 h,测试时在收端设备上设置远端环回,因此测量值为双向时延。现网时延性能测试结果如图3所示,从测试结果中分析, 测试时延最大值为17.6 ms,最小值为9.8 ms,平均值为15.7 ms。对应2 M信号的漂移值为113.2 Hz。

从测量值可以看出,在现网中2 M信号的时延值对比实验室的测试结果(实验室时延性能测试结果如图4所示,平均时延值稳定在9.6 ms)并不理想。 实验室的测试数据接近理论数值,在收发两端的处理时延各2 ms,双向的传输时延就达到了8 ms左右, 传播和排队的时延约为1 ms,测试的结果接近9 ms的理论值。

结合上述3项测试的结果进行分析,测试仪表发送出2 M信号,PTN设备的用户网络接口(User Networks Interface,UNI)侧接收到业务端发送的2 M信号,此时,处理器对于2 M信号的封装时间约为一个帧0.125 ms,8个帧1 ms。UNI侧设有去抖动缓存处理器Buffer,测试过程中,Buffer的抖动缓存时间设为4 ms。封装后的数据帧首先进入Buffer进行缓存处理,等待下面的帧在封装后进入Buffer, 当Buffer的缓存容量达到50% 左右时,再将Buffer中的缓存帧进行转发,这个转发处理的过程会造成2 ms的时延。

由此看出,PTN的传输时 延主要是 在封装和解封装的处理过程中产生的,在网络结点接口(Network to Network Interface,NNI)侧的转发处理过程通常是进行透传转发,节点之间的传输时延非常小,通常只有几微秒[4]。因此,要合理地降低PTN设备传输的网络时延,应该重点对封装和解封装的缓存处理进行合理配置。单纯地降低缓存时间会增加处理器的运行负担,同时可能会使信号输出时的抖动产生较大变化。

PTN对2 M信号的封装增加了控制字(Control Word,CW),以此来控制2 M信号封装之前的时隙, 避免解封装造成时隙混乱,从而影响业务质量,但这也可能增加封装的处理时间,进而影响传输的时延。

2.4CES抖动性能测试

根据标准要求,2 M信号最大允许抖动应不超过表2中所规定的数值。高通测量滤波器具有一阶特性,并按20 d B/10倍频程滚降,低通测量滤波器具有最平坦蝶形特性,并按 –60 d B/10倍频程滚降[5],测量时间为3 min。B1、B2窗口抖动测试结果 (UIp-p) 如图5、6所示。

测试结果B1峰峰值为0.255 7UI(UI表示标准时间间隔),B2的峰峰值为0.04UI。对于2 M信号来讲,1UI=488 ns。因此B1的2 M信号平均抖动值为124.78 ns,B2的2 M信号平均抖动值为17.92 ns。 按照表3的网络接口限值要求,B1窗口下的信号抖动值不得 超过1.5UI(1.5×448 ns=672 ns),B2窗口下的 信号抖动 值不得超 过0.2UI(0.2×448 ns= 89.6 ns),PTN设备的2 M信号输出抖动能够满足实际网络运行的要求 。

2.5以太网报文传输时延测试

通过网管对被测设备配置一条LSP的以太网业务。采用不同的以太网报文的字节长度进行时延测试,字节长度为:64,128,256,512,1 024,1 280 B[6]。 测试时间设置为180 min。以太网报文传输时延测试结果如图7所示。

从图7的测试结果中可以看出,相对于SDH网络,PTN设备在传输以太网报文时有先天的优势, 在吞吐量为100% 的情况下,报文长度1 280 B的传输时延最大为501.74 ns,完全满足电力通信传输中数据业务传输时延10 ms的限制要求。在报文处理时,相对于较短字节,PTN的分组交换矩阵对于长字节报文的处理速度较长,但最大时延仍然控制在500 ns左右,在传输长字节的实时视频业务时能够实现优良的时延和抖动控制。

3结语

通过对CES和Ethernet业务时延的测试分析, PTN的传输时延主要是在封装和解封装的处理过程中产生的,在NNI侧的转发处理过程通常是进行透传转发,节点之间的传输时延非常小,通常只有几微秒。因此,要合理降低PTN设备传输的网络时延,应对重点封装和解封装的缓存处理进行合理配置。单纯的降低缓存时间势必会增加处理器的运行负担, 可能会造成信号输出时的抖动产生较大变化。同时, 合理配置报文装载时间和抖动缓冲时间也是减少传输时延的关键所在,尽量减少设备处理这部分的时间可以有效较少时延,但这也对PTN设备Qo S机制提出严格的要求,针对以太网报文和TDM业务报文应制定不同的Qo S策略和优先级设置,保障业务的可靠性和传输效率。

摘要：端到端时延是评估网络服务质量,研究有效的拥塞控制机制的重要指标,并以此来验证传输设备与接入设备之间的服务等级协议。通过实验室时延测试进行时延产生机理的验证,记录不同时延变化情况和产生的原因,优化调整网络侧设备的设定参数,使得现网运行的传输效率得到提升。文章通过电力PTN网络承载时分复用业务和以太网业务的性能分析,对用户侧备和网络侧设备传输不同业务的时延特性等进行相应测试,分析PTN设备在用户侧对报文的处理方式和缓存机制,以此来验证PTN网络承载电网生产调度类业务和运行管理类业务的可行性,并给出网络部署的建议。

无线电力传输讲座知识总结 篇5

1889: 尼古拉•特斯拉提出无线电力传输的构想。无线电力传输方式： 电磁感应式 谐振耦合式

辐射式（无线电波、微波、激光方、超声波等方式）

电磁感应式

定义：(非接触感应式)电能传输电路的基本特征就是 原副边电路分离。原边电路与副边电路之间有一段空隙，通过磁场耦合感应相联系。特点: 较大气隙存在，使得原副边无电接触，弥补了传统接触式电能的固有缺陷； 较大气隙的存在使得系统构成的耦合关系属于松耦合，使得漏磁与激磁相当，甚至比激磁高； 传输距离较短，实用上多在mm级。缺点：

电磁感应方式传输控制不好，在其范围内的金属都会产生电磁感应消耗电源能量，另外还会使设备的线路感应发热，严重时会损坏设备。谐振耦合式传输

谐振耦合方式（WiTricity技术）：系统采用两个相同频率的谐振物体产生很强的相互耦合，能量在两物体间交互，利用线圈及放置两端的平板电容器，共同组成谐振电路，实现能量的无线传输。)输电线中的电能传入用铜制造的天线中； 2)天线以9.90MHz的波长振动，产生电磁波； 3)天线发出的能量传播到2米(6.5英尺)外；

4)同样以9.90MHz的频率震动的接收线圈，能量充入设备中

5)没有转换成能接收的能量不会被线圈重新吸收。不能产生9.90MHz共振的人和其他物体不会对它产生干扰。

2008年8月，Intel西雅图实验室的Joshua R.Smith研究小组基于磁谐振耦合无线能量传输技术开发出可为小型电器充电的无线传能装置能够实现在1m距离内给60W灯泡提供电能，效率可达75%。特点：

• 利用磁场通过近场传输，辐射小，具有方向性。中等距离传输，传输效率较高。能量传输不受空间障碍物（非磁性）影响。•

传输效果与频率及天线尺寸关系密切。缺点：

• 谐振耦合方式安全实现问题比较严重，要想更好的实现谐振耦合，需要传输频率在几兆到几百兆赫兹之间，而这一段频率又是产生谐振最困难的波段。

辐射式传输

无线电波式：主要由微波发射装置和微波接收装置组成，接收电路 可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波能量，在随负载 作出调整的同时保持稳定的直流电压。

微波和激光的无线能量传输技术

微波无线能量传输技术目前尚处于研发阶段，其技术优点是成本较低，技术瓶颈是效率太低，而且容易发热，损坏设备。

2009年，Lasermotive使用激光二极管，在数百米的距离传输了1千瓦以上的功率，打破了多项世界纪录，并赢得了美国航空航天局（NASA）的大奖。无线电方式问题主要在于其在能量传输过程中能量损耗太大，传输效率太低。

如果辐射是全方向性的，则能量传输效率会十分的低；如果是定向辐射，也要求具有不间断可视的方位和十分复杂的追踪仪器设备。应用及前景 1.医疗

2.游戏，娱乐

3电动汽车的无线充电

待解决的问题： 电磁辐射安全问题 电磁兼容问题

系统整体性能的提高 产品推广中的标准统一 电力公司如何计费、收费 电磁辐射安全：

传统供电：传输路径上，能量可控。无线通讯：微小功率。

无线电力传输：①路径上能量不易控；②能量功率较大。危害机理：

1.热效应：人体是导体，接受电磁波而产生涡流，发热。

2.非热效应：人体组织和器官存在微弱电磁场，受电磁波而破坏平衡，影响人体机能。

3.积累效应：高能电磁辐射造成的危害未来得及自我修复之前再次受到辐射，伤害程度就会积累。

高能量的能量密度势必会对人身安全及健康带来影响。如：

地磁场50-60μT，核磁共振0.5-4T； 阳光的功率密度一般为100mW/cm2。

所以采用无线输电时要考虑避免对人身的伤害。电磁耦合共振中程传输

 “中程”距离：可达感应线圈半径8倍的距离。

 发射装置与能量源相连，并不向外发射电磁波，而是利用振荡器产生高频振荡电流，在发射线圈周围形成一个非辐射磁场，即将电能转换成磁场；  当接收装置的固有频率与收到的电磁波频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强，完成磁场到电能的转换，从而实现电能的高效传输。

 电磁耦合共振中程传输

能量的传输是在一个共振系统内部进行，对系统外的物体（非共振频率）不会产生影响。

一般情况，其磁场强度与地磁场相似，50-60μT 微波/激光远程传输

无线电波波长越短，其定向性越好，弥散越小；

电力通过振荡器变换成微波/激光电力，从送电的天线向远处以微波/激光形式无线送电；

接收天线由半波长的偶极天线、整流二极管、低通滤波器及旁路电容组成，可接收微波/激光并转为直流电力。微波/激光远程传输

微波：频率为300MHz~300GHz的电磁波 ；

现有的研究中，两种频率比较常用：2.45GHz、5.8GHz，可穿越云层。激光：3.846*10^(14)Hz到7.895*10^(14)Hz。

障碍物会影响激光与接收装置之间的能量交换，穿越云层能量损耗大。在接收整流天线口径面以外的区域基本都是符合辐射安全标准的，在接收天线口径面内的辐射相对较强，需要在接收系统外围建立保护禁区。目前一般采用的微波功率密度约为5mW/cm2

无线能量传输系统在工作时周围空间会存在高频电磁场，这就要求系统本身具有较高的电磁兼容指标。电磁兼容性问题三个因素： 电磁干扰源； 耦合途径； 敏感设备。

从这三个因素入手，对症下药，消除其中某一个因素，就能解决电磁兼容问题。因此采取有效的抗干扰措施、屏蔽技术、合理使用电磁波不同的频段、避免交叉、重叠等造成不必要的电磁干扰。微波电磁兼容问题

微波：频率为300MHz~300GHz的电磁波 ；

现有的研究中，两种频率比较常用：2.45GHz、5.8GHz，这两个频率已经分配给ITUR无线广播、工业和医学当中使用。同频率间的电磁干扰是必须考虑的。

电磁感应式：

包括输入整流、高频逆变、可分离变压器和输出整流滤波等环节。可分离变  

 

  

 压器按其原边与副边的相对运动状况又可分为：静止、旋转和相对运动三种形式。

电磁感应式：

 满足要求的前提下，缩短传输距离，提高效率；  提高原边与副边的横向位置精确度；

 避免金属异物进入传输线圈之间引起局部发热现象。

由RF电路产生与谐振线圈固有频率相同的高频正弦信号，经过线性功率放大之后，注入到发送端LC谐振线圈，经过非辐射性高频磁场耦合，能量传递到接收端谐振线圈，经过输出整流滤波之后为负载供给能量。传输距离一般为8倍线圈距离。缩小铜线圈；增大传输距离。微波式：

高性能天线；微波源；微波接收整流设备。

微波式-微波源：

 微波电子管在高电压下可以放大较高功率的微波，具有较高的效率（70%）；  半导体放大器通常只放大低功率微波，其所需要的电压也比较低，然而它的成本却较高。

微波式-整流设备：

 硅整流二极管天线：由一个天线及高频整流电路所构成，高频整流电路能够将微波信号经由肖特基二极管整流成直流电源。

如：一个微波吸收效率为85%的硅整流二极管天线，其覆盖直径为5km。Qi标准—产生背景

设备使用的充电器千差万别，电源插口形式、设备插口形式、电压等级、电流容量均存在较大差异，因此往往每台设备都配有专用的电源转换器，这既产生了极大的浪费和污染。

一个充电设备可供各种不同企业、不同品牌的便携终端充电，Qi应运而来。Qi 标准的组成及基本原理

目前WPC 确定的Qi 标准1.0 版本是低功率技术规范，针对不超过5 瓦特的电子设备。针对不超过120 瓦特的中等功率技术规范制定工作也已于2010 年10 月启动。

 第一部分对无线充电器及接收器的界面进行定义；

 第二部分和第三部分是对产品的表现要求和认证测试的要求。只有获得认证的产品才能允许使用Qi 标识。

一维缺陷光子晶体传输特性研究 篇6

关键词：传输矩阵方法,光子晶体,缺陷层

0引言

光子晶体的独特性质使其在光通讯、宽带反射镜、光波导等方面得到广泛的应用[1,2,3]。一维光子晶体结构简单,易于制造,因此人们可采取各种不同的结构和方法得到一维光子晶体更好的传输特性。在一维光子晶体的周期结构中加入缺陷层, 会使光子晶体的禁带中出现窄带[4,5]。本文利用光学传输矩阵方法,在周期性一维光子晶体里引入缺陷层,讨论了各参数的变化对光子晶体传输特性的影响。

1结构和方法

本文的一维光子晶体周期结构组成分别为A和B。在A、 B形成的多层周期结构中插入缺陷层C,形成(AB)NCU(AB)M型结构,如图1所示。n1、n2为周期结构介质折射率,n3为缺陷层介质折 射率;d1、d2为周期结 构介质层 厚度,d3为缺陷层 厚度。

利用光学传输矩阵[6]的方法来讨论光子晶体光学特性,假设采用各向同性介质,在均匀介质的内部,一维缺陷光子晶体两侧均为空气。以θi代表波入射方向和介质表面法线的夹角, 对于TE波,其特征矩阵为:

式中,δi=(2π/λ)nidicosθi;ηi为介质的有效导纳。

对于P偏振光有ηi=ni/cosθi,S偏振光有ηi=nicosθi,故介质的特性矩阵为:

整个结构的反射率和透射率分别为:

式中,η0、ηl分别为入射介质和出射介质的有效导纳。

研究正入射情况,设一维光子晶体介质层的光学厚度相等,为某一波长λ0的m倍,即n1d1=n2d2=n3d3=mλ0,则有δ1=2πmpcosθ1,δ2=2πmpcosθ2,p=λ0/λ。

2数值计算结果及分析

2.1周期数变化对传输特性的影响

取n1=1.56,n2=3.5,n3=2,m=0.25,图2给出了N=5,改变M的数值时,一维缺陷光子晶体反射率R随p的变化。 从图2中可以看出,每个禁带中心都有导带出现,M值越大,禁带的反射率越大,边缘越陡峭,且导带的反射率先增大后减小。 当M=4时,禁带中心导带的反射率最低,透射效果最好,而且在p取0~4之间时,禁带中心导带的透射率较好,p值增大,透射率变差。当M>8或M<2时,禁带中心几乎没有导带,因此缺陷层所处的位置对晶体禁带中心的导带有很大的影响。

各介质层的折射率和m值不变,改变周期数N和M的数值,进行多次仿真研究发现:后面周期介质数比前面周期介质数少一层时,禁带中心的导带透射率最好。

2.2缺陷层折射率对传输特性的影响

取n1=1.56,n2=3.5,m=0.25,N=5,M=4。图3给出了改变缺陷层折射率n3值,禁带中心导带的反射率变化情况。 由图3可知,不同的曲线代表的是每个禁带中心导带的反射率,虽然讨论的导带不一样,但是导带反射率变化的趋势大致相同,都是先减小后增大。在缺陷层的折射率为2.4左右时,导带的反射率最低;向两边变化时,反射率逐渐增大。

2.3m值对传输特性的影响

取n1=1.56,n2=3.5,n3=2.5,N=5,M=4,改变m的数值,发现禁带的数量与m的取值有关,如表1所示,表中p表示的是其取值范围。由表1可以看出,随着m的增大,禁带中心导带数量也增加。在m取0.25的整数倍时,导带数量呈倍数增长,因此可以选择不同的m值得到不同数量的导带,制作多通道滤波器。

3结论

变形矩形波导的传输特性研究 篇7

波导是一种用来约束或引导电磁波传输的结构。尽管存在很多不同形式的波导, 而且新的形式还不断涌现, 但到目前, 在实际应用中矩形波导和圆波导仍是两种最主要的波导形式。人工电磁材料是本世纪初物理学和电磁学的重要发现之一。作为人工电磁材料的一种, 相对介电常数接近零的超材料 (Epsilon-near-zero, ENZ超材料) 具有低折射率, 高相速度, 近零相移等特点, 这种超材料突破了传统电磁场理论中的一些重要概念, 可以应用于标准化技术领域, 如新型电磁元器件、天线和开环谐振器等[1,2], 矩形波导在接近截止频率时的色散特性可以用来模拟ENZ超材料的行为[3]。该结构有大量的应用前景, 特别对于隐形装置和微型天线的设计[4]具有重要的理论参考价值和实际应用意义。

2 理论分析

图1是宽度为a和高度为b (其中a>b) 的矩形波导。根据Maxwell方程组可以得到矩形波导TEmn模式电磁波的空间传输表达式:

表式中w为电磁波角频率, kc为临界波数, m表示x方向变化的半周期数, n表示y方向变化的半周期数, γ为传播常数。

3 变形矩形波导的传输特性

选择两个过渡层厚度相等形成Π通道 (或ENZ通道) [4], 对ENZ通道的传输系数进行模拟。介质通道和过渡区的介电常数εRCH=1 (空气) , 波导输入端的介电常数εR=2, bs=bch=0.8毫米时, Π通道传输系数曲线如图2所示。

可见, 第一次传输峰出现在1.476 GHz, 该点代表零阶共振, 即在隧道中出现的频率;第二次传输峰值是由于法布里-珀罗共振所引起, 其峰值位置很大程度上取决于隧道长度。

第二传输峰值的产生主要是由于法布里-珀罗共振引起的, 并且高度依赖通道长度的变化而变化。法布里-珀罗共振的变化相当于狭窄的通道各种长度分别改变了L1=95毫米, L2=127毫米, L3=190毫米, 如图3所示。可见, 该属性可以用来操纵第二传输高峰期。

5 结论

通过矩形波导的边界条件解出Maxwell方程组关于电磁波的空间传输表达式, 得到了矩形波导截止频率和模式谱图的一般结果。讨论了ENA通道发生几何变形的传输电磁波的特征, 改变通道长度仅影响法布里-珀罗共振出现的位置, 并不会影响零阶共振的产生。

参考文献

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[2]邵毅全, 吴国建.矩形波导中电磁波传输特性研究[J].激光杂志, 2011, 32 (01) :06-07.

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电力线传输特性 篇8

矿井巷道中无线电波的传输特性是当前矿井无线通信中一个迫切需要解决的课题。由于矿井巷道是一种特殊的受限空间, 因此矿井巷道中无线电波不能很好地传输。由于矿井巷道结构复杂, 采用理论方法研究矿井无线通信非常困难, 因此目前主要以实验为研究手段[1]。笔者选取地下平直巷道来模拟井下环境, 建立了矿井巷道无线传输模型, 通过实验和现场实际获取的数据, 分析ZigBee技术在矿井中的无线传输特性, 进而提出提高其传输距离和降低丢包率的方法, 为基于ZigBee技术的井下人员定位系统的研发提供支持。

1 矿井巷道无线传输模型

采用受限空间无线传输模型来分析矿井巷道无线传输特性。受限空间无线传播模型的建模方法一般有经验模型和确定性模型两种[2,3]。

1.1 经验模型

经验模型有数学模型、随机无线信道模型[4]、Ericsson多重断点模型、冲激响应的统计多径模型、马特内-马恩纳模型等。经验模型具有表述形式易懂、公式简单、运算快、输入简单等特点, 但它不能提供精确的固定点信息, 更不能预测无线通信信道的宽带参数。

考虑到空间距离传输损耗和受限空间内墙体吸收衰减引起的信号强度减弱, 本文采用基于精度和方便性折衷的路径损耗系数模型[5]:

式中:d为收发设备的间距;d0为参考距离;P (d) 、P (d0) 分别为距离d和d0处的接收信号功率;η为路径距离衰减系数, 表示信号路径损耗随距离增长的变化速率, 依据经验数据, 在受限空间环境中, 2.4 GHz射频信号η一般取1.1～3.0;W为收发设备间的障碍物数量 (主要为墙壁) ;FWA为墙体衰减系数;C为影响衰减系数的最大障碍物数目。

1.2 确定性模型

确定性模型基于电磁波传播的物理理论, 主要有基于几何光学的射线追踪法[6]和基于麦克斯韦方程的时域有限差分法[7]。确定性模型相对较精确, 但通常计算量大, 运算耗时长, 同时需要精确的环境参数, 包括空间布局结构的几何数据和所用材料的电磁参数。

2 巷道实验及分析

2.1 实验环境及方法

本文在地下平直巷道内模拟井下环境进行ZigBee无线传输测试。实验巷道截面参数:弧面直径为2.2 m, 垂直墙面高度为1.2 m, 巷道高度最大值为2.3 m。相对于实际井巷, 该巷道的截面积较小。实验过程中记录节点接收信号强度指示 (Received Signal Strength Indication, RSSI) 并进行统计比较, 主要分析接收信号强度随距离的衰减特性以及节点间距与收包率的关系。

实验使用两个GAINZ节点。节点内置接收信号强度检测模块, 接收信号强度可通过接收信号的A/D采样电压来指示, 即RSSI。该采样电压与接收信号强度成比例关系, 转换公式为

式中:PdBm为以dB·m为单位的接收信号强度;Pmw为以mW为单位的接收信号强度;SRS、Ubatt分别为接收信号强度和电池电压采样值。

本文中的信号强度信息主要考虑PdBm和RSSI值。

2.2 不同距离下RSSI波动及障碍物影响测试

本实验主要对信号随距离的衰减特性、波动特性以及障碍物对信号强度的影响进行分析。

图1是在不同距离采集2 000次所得的RSSI数据。从图1可看出, 在距离节点5.5 m处, 信号波动比较大, 并且有几次很大的衰减。这是由于在进行600～800次数据采集和1 600次左右数据采集时, 测试人员模拟障碍物在节点之间走动, 这时信号传输不再是视距传播, 导致衰减急剧增加。在距离节点48.4 m处, 信号强度总体波动不大, 障碍物对信号强度的影响较小。

2.3 节点间距不同时的收包率测试

使发送节点发送500次数据, 测量节点间距不同时的收包率。表1为实验数据。从表1可看出, 节点间距小于50 m时, 丢包率很小。在20 m左右出现的丢包是由巷道分叉造成的。

同时对节点在空旷区域的收包率进行了测试, 得出节点间距约为50 m时, 即使是视距传播, 收包率也基本为零。

2.4 节点间距不同时的RSSI测试

分别设置两个节点间距为10个不同数值, 然后测量RSSI值, 每个间距测量2 000～3 000次。测试过程中尽量降低偶然事件对测量结果的影响, 然后对每个距离上的RSSI值求均值。求均值时采用剔除干扰算法, 其思想:找出接收RSSI值中出现较少的数据, 认为这些数据是干扰值, 在求均值之前将其剔除。实验结果如表2所示。

图2为RSSI与节点间距的关系曲线。从图2可看出, 随着节点间距的增大, RSSI值整体处于衰减趋势, 但又并不严格衰减, 如节点间距为15.4 m和33 m时, RSSI值并不随间距增大而衰减。这是由于障碍物或墙壁的存在而引起的。

式 (1) 中, W、FWA、C是由巷道墙体和障碍物引起的随机变量, 因此可对其进行化简:

式中:η取为1.6;参考距离d0=2 m, 在此处的信号强度P (d0) =-77.00 dB·m。

从图2可看出, 实测数据和所建路径损耗系数模型的数据非常接近, 表明实际信号强度是遵循路径损耗系数模型的。

3 结论

(1) 从不同距离下RSSI波动及障碍物影响测试结果可以看出, 尽管RSSI在固定距离上有一定的波动, 但在一定的偏差之内均服从式 (1) 。节点间距越大, 则越接近路径损耗系数模型。当节点间距超过25 m后, 实验结果已非常接近理论模型结果。因此, 可使用信号强度来估计距离, 进而使用信号强度来进行定位。

(2) 根据实验数据, 巷道35～50 m处属于连通区域, 因此, 设置无线节点的通信范围为50 m。通过收包率测试结果可看出, 如果在平直巷道中布置节点, 则可设置节点间距为30～40 m, 这时通信是可靠的。

(3) 采用的仿真模型参数基于实验巷道中的收包率, 模拟的是平直巷道环境, 巷道尺寸对于收包率有很大影响, 因此, 该模型仅可用于仿真实验巷道。如果巷道尺寸发生变化, 则需要重新测量。

(4) 实验巷道是平直的, 内部金属导体非常少, 而实际的巷道内电力线等比较多, 将会对路径损耗系数产生影响。

摘要：在地下平直巷道内模拟井下环境, 对矿井ZigBee无线传输特性进行了实验研究。首先选用路径损耗系数模型作为矿井巷道无线传输模型, 然后采用两个GAINZ节点分别测试了不同距离下接收信号强度指示的波动性及其受障碍物的影响特性、节点间距不同时的收包率、节点间距不同时的接收信号强度指示值。由测试结果分析得, 在平直巷道内, 所选取的路径损耗系数模型是可行、准确的, 即可用接收信号强度指示来进行测距及定位;平直巷道内的节点间距为3040 m时, 通信是可靠的;路径损耗系数模型在实际矿井巷道内应用时需重新设置参数。

关键词：矿井巷道,无线传输,ZigBee,路径损耗系数模型,接收信号强度指示,测距,定位

参考文献

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[7]TAFLOVE A.Computational Electrodynamics:theFinite Difference Time Domain Method Norwood[M].Boston:Artech House, 1995:256-259.

斜井高频电磁波传输特性的研究 篇9

目前, 我国煤矿安全监控系统存在着布线繁琐、覆盖范围有限、线路依赖性强等缺陷, 当事故发生时, 不能起到有效的预警监控作用。针对井下现有预警监控信息系统的不足, 建立高效、可靠的无线与有线相结合的监控预警信息系统, 可以为井下安全生产提供重要的保障[1]。实现井下人员与机车定位、无线视频监控系统的无缝覆盖, 研究电磁波在井下的传输情况, 建立准确的信道传播模型, 是建立上述可靠通信系统的基本保障。但是电磁波在井下传输困难, 传播损耗严重, 通信距离短, 已经成为制约矿井巷道无线通信的主要问题。因此, 研究电磁波在井下巷道这一特殊环境中的传播特性, 如大尺度的衰落特性、小尺度的多径分布、多径到达以及均方根 (RMS) 传播时延等特性, 对建立井下可靠的监控预警信息系统具有重要意义。

1井下无线信道传播特性

在复杂的井下无线通信环境中, 电磁波的传播模式主要为散射、反射和绕射, 发射机和接收机之间很少有可视路径传播信号 (LOS) , 到达接收机的信号都经历了煤层、煤壁以及井下作业设备等障碍物的绕射、反射和散射。因此, 接收信号由各种散射、反射和绕射信号组成。由于各个信号的传播路径和传播时间不同, 它们到达接收机的时间、幅度和相位也各不相同, 这些信号的相互作用造成了瞬时接收信号相位和幅度随机波动的多径衰落效应。由于信号在移动无线环境中的多径衰落, 当移动台在一个小的范围内 (一般为20～40个波长) 运动时, 会引起接收信号幅度、相位和到达角度快速起伏变化的小尺度衰落;当移动台在某一大范围内移动时, 特别是电波被支路巷道遮挡所造成的电磁波阴影而引起的阴影衰落, 造成平均接收信号场强中值的变化, 这种变化是较大范围 (不小于40个波长) 的运动所引起的长期衰落或大尺度衰落, 大尺度衰落主要受发射机和接收机之间的距离以及支路地形的影响。

2射线跟踪法仿真介绍

射线跟踪法最早出现在20世纪80年代初, 是估算高频电磁场的一种很容易应用的近似方法。射线跟踪法的基本思想:将发射点视为源点, 其发射的电磁波作为向各个方向传播的射线, 对每条射线进行跟踪, 在遇到障碍物时按反射、透射或绕射进行场强计算, 在接收点将到达该点的各条射线的场强合并叠加, 从而实现传播预测[2]。

射线跟踪法将射线的跟踪分为射线发射、射线追踪和射线接收3个部分。射线发射是将发射机视为源点, 如图1所示, 射线以源点O为起点向各个方向发射, 射线的单位方向向量的终点构成以源点为中心、半径为单位长的球形。为使射线均匀分布, 令以圆O (过O点的与巷道底平行的平面与单位球相交的轨迹) 上的点为终点的相邻射线 (图1中射线a、b) 间的夹角相同, 设为φ, 相邻射线在圆O上的间隔弧长设为s。在圆O1、O2 (定义同圆O) 上间隔s取点, 作为射线的方向向量的终点。同时令射线的方向向量与圆O所在平面的夹角为φ的倍数, 如图1中射线a1、b1 (终点在圆O1) 、a2、b2 (终点在圆O2) 。

射线追踪是确定射线的传播路径。射线到达接收机前, 在巷道中传播, 若遇到巷道壁则发生反射, 若遇到2个巷道壁的夹角 (特指支路巷道壁与主巷道壁相接的夹角) 则发生绕射, 其代表的电场强度在不断地衰弱。若射线在到达接收机前, 其强度衰减到预设的阈值之下, 则放弃跟踪该射线。射线到达接收机近处, 则判断射线是否被接收。图2为理想化的斜井巷道中射线传播示意图。

射线接收是在接收机处, 以接收机为中心、特定值r为半径作一球, 称作接收球, 如图3所示。能够到达接收机的射线与接收机 (Rx) 的距离若小于r, 则称射线被接收, 如射线a所示;射线与接收机 (Rx) 的距离若大于r, 则称射线未被接收, 如射线b所示。

r的计算公式如式 (1) 所示:

式中:S为发射机与接收机之间的距离;φ为从发射机出发的相邻射线间的夹角。

3射线方向的判断

将发射机作为坐标原点, 则射线从发射机发射如图4所示。

图4中, O为原点, 即发射机所在位置。射线a从原点出发, 其单位方向向量设为 (m, n, p) 。设射线a与xy平面的夹角为α, 射线在xy平面的投影与y轴的夹角为β, 则射线的单位方向向量如下所示:

4射线场强的判断

射线在传播过程中, 所代表的电磁波场强由于传播路径的增长、与巷道壁接触发生反射等原因不断衰减。若射线在到达接收机之前没有与巷道壁接触发生反射, 则将此种射线称为直达射线, 其在接收机处的场强为:

式中:E0为距发射机1 m处的场强;rd为直射射线经过的总路程;k为传播常数, 其计算公式为

式中:λ为电磁波波长;f为电磁波频率, ;c为光速。

若射线在到达接收机之前与巷道壁接触发生反射, 则其在反射后的场强为

式中:rr为反射射线经过的总路程;R为反射系数, 代表了射线与巷道壁接触发生反射时射线场强的损耗程度。

当无线电波传输到2个不同介质的表面时 (面积理想大) , 一部分能量被反射, 一部分能量被透射, 反射和透射的能量密度取决于介质的介电常数和入射角, 通常可以用反射系数来计算反射波的强度。反射系数取决于2种介质的介电常数、电磁波的极化方式、入射角和频率。为了描述入射波的极化, 把分界面的法线与入射波射线构成的平面定义为入射面。入射波的电场矢量undefined与入射面垂直, 入射波的磁场undefined分量与入射面平行, 这样的波称为TE (Transverse Electric) 波[4]。一个一般极化的入射电磁波可以被分解为2个线极化的波, 一个是电场垂直于入射面的TE波, 另一个是电场平行于入射面而磁场垂直于入射面的TM (Transverse Magnetic) 波[5]。

TE波的反射系数定义为[3,4]

式中:εr为巷道壁相对介电常数;θi为射线与巷道壁所在平面法线的夹角。

垂直极化波的反射系数定义为

若射线经历了2次以上的反射, 则式 (5) 中反射系数R的计算公式为

式中:Ri为第i次反射时的反射系数;n为射线经历的反射次数。

5仿真实验

电磁波在空直斜井巷道中直射射线的强度与传播时间取决于接收机与发射机间的距离, 反射射线的强度与传播时间则受到很多其它因素的影响, 这些影响因素包括天线的极化方向、接收机与发射机间的距离、电磁波的频率、巷道的截面尺寸、巷道壁的粗糙程度、巷道壁的倾斜程度与巷道壁的介电常数等。本文通过射线追踪法, 仿真在空直巷道中接收机与发射机间的距离对电磁波传播与频率的关系的影响。参数设置:巷道为矩形截面空直巷道, 宽为6 m, 高为3.5 m, 巷道壁粗糙度h为0.1 m, 倾斜度θ为1°, 相对介电常数为10, 电磁波中心频率变化范围为300～3 000 MHz, 变化间隔为100 MHz, 带宽为200 MHz, 天线极化方向为水平, 接收机与发射机间的距离分别设为100 m、200 m、300 m、400 m。仿真结果如图4、图5所示。

从图4可看出, 接收机与发射机间的距离越近, 传播损耗越小, 电磁波的中心频率越低, 传播损耗越小。从图5可看出, 电磁波传播的RMS时延扩展值随着接收机与发射机间的距离增大而变大。

6结语

本文通过对斜井高频电磁波传输特性的研究, 得出了以下结论:在斜井模型下的空矩形直巷道中, 随着电磁波频率的增大、接收机与发射机距离的增大, 使得电磁波的传播损耗变大;随着电磁波频率的减小、接收机与发射机距离的增大, 使得电磁波RMS时延扩展值变大。但本文只分析了电磁波与发射机和接收机之间的距离参数关系, 还存在一些问题和不足之处尚待更深入的研究和探讨: (1) 天线极化、巷道的截面尺寸对电磁波传播的影响会由于频率、距离的不同而呈现不同结果, 其具体原因和规律需要进行更加细致的分析; (2) 巷道壁的粗糙度、倾斜度、相对介电常数对电磁波传播的影响的数值分析。

摘要：文章分析了井下无线信道的电磁波传播特性, 指出由于煤层、煤壁以及井下作业设备等障碍物的绕射、反射和散射, 使电磁波传播存在着多径衰落效应。文章详细介绍了仿真研究斜井巷道中电磁波传播距离对多径衰落和RMS时延的影响所采用的方法——射线跟踪法的原理和射线跟踪过程中射线方向的判断及射线代表的场强值的计算, 在此基础上, 在理想化的斜井巷道模型中研究了接收机与发射机间的距离对电磁波衰落及RMS时延扩展的影响。仿真结果表明, 接收机与发射机间的距离越近, 传播损耗越小;电磁波的中心频率越低, 传播损耗越小;电磁波传播的RMS时延扩展值随接收机与发射机间的距离增大而变大。

关键词：斜井巷道,电磁波,传输特性,射线追踪,RMS时延

参考文献

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[4]JIN Au-kong.电磁波理论[M].吴季, 译.北京:电子工业出版社, 2003:210~215.

微波传输线的特性及应用研究 篇10

关键词：微波传输线,特性,应用研究

1 微波概论

1.1 微波的特性

微波是一种高频率的电磁波, 通常情况下为300MHz至300GHz, 微波的波长很短, 一般在微波频段中, 其频率相对较高, 而绕射能力却相对较弱, 因此主要利用微波于视距范围进行信号的直线传播, 也称为视距传播。微波技术的关键理论就是微波传输理论[1]。

1.2 微波传输线

微波传输线是基本的微波器件, 微波传输线主要用来进行微波信号、微波能量的传递。矩形波导、圆波导、平行双线、带状线、微带线以及同轴线都是常用的微波传输线。微波传输线是一项引导电磁波沿特定方向传输的系统, 所以需要满足麦克斯韦方程及导体、介质的边界条件, 也就是说, 需要满足的这两点条件决定了导行电磁波的传输特性以及电磁场的分布规律。

2 传输线理论

2.1 传输线方程

接有信号源、负载的传输线电路如图1所示。

图1传输线电路

始端接角的正弦信号源的频率为W, 内阻为Zs, 中断的接负载阻抗则为ZL。设定靠近信号源的终端复数电压为U, 复数电流为I, 经过线元△z段之后, 复数电压为U+△z, 复数电流为I+△z。可以依据基尔霍夫定律获得以下公式:

依据式 (1) 、式 (2) 可以得到传输线基本方程:

将式 (5) 求导, 得出:

式中得出传播常数为:g=ZY=a+jb, 衰减常数为α, 相移常数为β。经过求解, 当Z=0处的电压表示为IL, 电压表示为UL, 则:

将式 (7) 求解, 能够获得:

式中Zc代表了传输线的特性阻抗。

2.2 传输特性

(1) 传播常数。这是传输线一项重要的参量, 通常为复数, 它与传输线分布参数关系为:

(2) 相速。沿传输线进行电磁波传输的相速为:

(3) 反射系数。可以将传输线上的特定一点电流、电位表示为:

式中的ΓZ表示电压反射系数, 反映了终端在负载状况下入射波造成的反射情况。

(4) 特性阻抗。特性阻抗是指单独的电压、电流入射波的比, 一般为复数, 虚部和传输线损耗相关, 实部对传输线上传输的能量起到了决定性的作用[2]。

3 微波传输线的应用

微波测量中的微波传输线匹配情况意义重大, 通常情况下对于高频信号幅度信息及传递均需要利用微波传输线, 传输线驻波会影响到测量的误差。一旦传输线、负载、信号源等形成的微波测量系统中的负载不能和传输线相匹配, 就会形成驻波, 不但会降低传输线功率容量, 还会将传输线的衰减程度增加, 导致信号源频率及输出不稳定, 难以获得全部入射功率[3]。

3.1 驻波造成的测量值的影响

实际进行高频信号检测的时候, 需要检测高频信号发生器输出功率、高频衰减器、扫频仪寄生调幅系数、调制参数调幅度、超高频毫伏表等, 确保这些状态良好能够对微波传输线作用的发挥起到重要作用, 需要采用适合的微波传输线实施测量。如果是频率不太高的情况下, 选用BNC传输线测量, 如果频率≥200MHz需要选用N型同轴线测量。频率升高会带动传输线的损耗程度, 驻波系数增加会引起误差增加。

高频功率测量过程中, 采用的传输线路不同, 测量得到的结果也不相同。传输线驻波大时会产生较大的测量功率误差。在微波测量时不同频段采用相对应的传输线, 能够确保微波传输测量得到的结果具有准确性。例如2.4mm同轴线、平接头传输线、k型头都是微波频段中常用的传输线[4]。如果是小传递标准的微波, 电阻功分器、定向耦合器等也具有定标作用, 不可忽视。采用微波网络分析仪里特有的标准校准件可确保传输系统的匹配性良好, 可以将测量误差极大的降低。

3.2 50Ω阻抗和75Ω阻抗之间的换算

实际检测时候通常会遇到这样的问题, 比如标准仪表多为50阻抗, 电视信号源大多为75Ω阻抗, 这时候阻抗显然不能匹配。通常情况下需要利用阻抗变换器换算, 使之匹配, 将测量问题解决。我们采用以下方法分析。图2为信号源和负载的连接示意图。

我们对仪表端电压定度依照开路电压设定, 开路接负载时, 电流讲过Rs会产生压降, 伴随RsRL阻抗分压关系可以确定U2, 设定:

通过式 (13) 、式 (14) 可知, 源阻抗Rs=负载阻抗RL时, 输出电压+6d B=电动势。

(2) Rs=50Ω, RL=75Ω, 这时端电压U'2为:

通过式 (15) 、式 (16) 可知, 如果负载阻抗RL=75, 产生的电压比负载阻抗RL=50Ω时大1.57d B, 端电压则+4.43d B=电动势。

综上所述, 在实际测量过程中, 最好先利用网络分析仪对高频传输线以及阻抗进行测量, 如果与驻波要求相符合再进行测量, 这样能够将测量误差极大的降低。

4总结

微波信号由传输线长度比传输信号波长的值确定, 通常情况下信号路径长度<1/6有效波长可判定该传输线为微波信号传输[5]。在高频信号测量过程中, 微波传输线发挥了重要的作用。高频功率测量过程中, 采用的传输线路不同, 测量得到的结果也不相同。需要依据微波频率进行传输线的选择, 确保与传输系统相匹配。通过情况下采用增加非互易隔离器或去耦衰减器来实现信号源阻抗匹配, 这样可以将发射波吸收, 起到保护信号源的作用。

参考文献

[1]石化龙.利用计算机分析微波传输线的传输特性[J].光盘技术.2009 (3) :41-42

[2]郭文松.微波传输线理论在紫色土水分测量中的应用研究[D].重庆市.西南大学. (2010)

[3]周喜权, 金玉梅, 惠鹏飞。微波传输线信号完整性分析与仿真[J].信息通信.2012 (1) :6-7

[4]高博.非理想微波平面传输线电磁特性研究[D].四川省.电子科技大学. (2010)