一种适用于隧道环境的相控阵天线系统及其优化方法与流程

本发明涉及无线通信领域，特别是一种适用于隧道环境的相控阵天线系统及其优化方法。

背景技术：

近年来，我国高速铁路、地铁等交通设施建设取得了空前的发展。由于我国地域辽阔、地形地貌复杂，多山地、丘陵的地理环境使得铁路隧道的数量呈现出井喷式的增长。与此同时，现代化铁路建设对沿线移动通信系统的稳定性、时效性提出了更高的要求。此外，移动互联网的普及与应用也对列车中高速率、高质量的个人网络服务提出了新的要求，如列车视频通话、高速率下载等。然而，不同于一般的露天无线通信，电磁波在隧道环境中传播时，一方面，隧道壁的吸收、反射及粗糙散射对电磁波造成衰减和相移，影响通信质量；另一方面，隧道受限空间中不同路径的反射分量相互叠加，形成显著的多径效应，使信号出现快衰落现象，严重影响接收端对信号的解调。

为了改善分布式天线系统中的快衰落问题，可以采用天线空间分集技术，利用多副高增益天线来增强接收端的整体信号强度。当天线之间满足一定的相位关系和相对空间位置时，则可以显著地提升深度衰落区的信号电平。由于在隧道环境中，电磁波的覆盖特性与隧道的几何形状、尺寸、走向以及隧道壁的电参数紧密相关，传统的分集方法通常假设场强满足某种特定的分布规律进行天线设置，该方式往往难以实现分集性能的最优化。此外，采用外场实测的方式则会面临参数过多而导致的测量较大的问题，同样难以寻找匹配隧道结构的最优天线配置。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种适用于隧道环境的相控阵天线系统及其优化方法。该天线系统包括两副高增益的微带八木天线及一台移相器，并且针对隧道环境中的信号深度衰落问题，建立抛物方程电波传输模型对隧道环境进行电磁建模和场强预测，然后在此基础上，通过调整与优化相控天线的馈电相位，使远场观察区内合成电场的最小值幅值达到最大。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种适用于隧道环境的相控阵天线系统，包括两副相同的微带八木天线，第一微带八木天线连接到发射/接收机，第二微带八木天线通过移相器连接到发射/接收机，移相器的相位根据隧道几何尺寸采用优化方法求取；所述第一微带八木天线安装于隧道入口的一侧上方靠近隧道顶壁处，第二微带八木天线安装于隧道入口的另一侧上方靠近隧道顶壁处，并与第一微带八木天线呈左右对称；所述微带八木天线的信号传播方向与隧道方向一致。

一种适用于隧道环境的相控阵天线系统的优化方法，包括

步骤一：基于抛物方程建立隧道电波传播数值仿真计算模型，包括

抛物方程由亥姆霍兹波动方程因式分解，并忽略电磁波的后向传播项而得到；

在直角坐标系中，标准形式的抛物方程表示为

其中，u为与场分量相关的波函数，k0为自由空间的传播常数；

为了数值求解抛物方程，引入交替方向隐式差分格式对其进行离散，得到

式中，n+1/2表示n与n+1之间的虚拟步进面，δx,δy,δz分别为x,y,z三个方向的离散步长；m是沿y方向的网格离散序号，l是沿z方向的网格离散序号；

在考虑隧道壁的介质损耗时，采用列昂托维奇阻抗边界条件

其中，为有耗介质表面的外法线单位向量，z是有耗介质的表面阻抗，相对介电常数εr，复介电常数εrc＝εr-iσr，相对电导率σr＝σ0/ωε0，ε0＝8.85×10-12f/m；

由隧道的工程图纸中得到隧道横截面的几何尺寸，从数字地图中获取隧道走向，构建出抛物方程数值计算的边界条件，确定仿真区域；将微带八木天线的远场方向图进行远近场变换，得到辐射源口径场，作为抛物方程电磁仿真的初始场；

步骤二：根据隧道电波传播数值仿真计算模型，计算隧道内电磁场的分布；

步骤三：调整第二微带八木天线的相位，再次计算天线的远场方向图，再次根据隧道电波传播数值仿真计算模型计算隧道内电磁场的分布；

步骤四：多次重复步骤三，直到的远场观察区内合成电场的最小值幅值最大；其中，d为距离，w和h分别为隧道的最大宽度和高度，λ为波长。

本发明提出的适用于隧道环境的相控阵天线系统及其优化方法，能够显著地提升无线通信质量，不仅能够有效地提升信号的平均场强，而且可以消除多径效应带来的深度衰落，获得匹配隧道结构的最优分集性能。在3千米长的隧道的入口处安装一套相控阵天线系统，即可实现高质量的隧道内通信。

附图说明

图1是印刷偶极子天线正面结构示意图；

图2是印刷偶极子天线背面结构及侧视示意图；

图3是印刷偶极子天线背面立体示意图；

图4是微带八木天线结构示意图；

图5是微带八木天线s11曲线图；

图6是隧道环境电磁仿真流程图；

图7是基于隧道环境电磁仿真模型的相位优化流程图；

图8是铁路单洞双轨隧道横截面示意图；

图9是天线系统组成与安装示意图；

图10是隧道内列车所在位置a处的电场强度分布图；其中，

图10(a)是天线1发射信号时，隧道内列车所在位置a处的电场强度分布图；

图10(b)是天线2发射信号时，隧道内列车所在位置a处的电场强度分布图；

图10(c)是天线1与天线2共同发射信号时，隧道内列车所在位置a处的电场强度分布图。

具体实施方式

下面结合附图进行进一步说明。

在隧道环境中，隧道壁对电磁波具有吸收、反射和散射作用，将产生额外的特征损耗。此外，多径效应还会导致隧道内能量分布不均匀，使信号出现快衰落现象，不利于隧道内的无线通信。空间分集技术能够有效地改善隧道环境中的通信质量。在设计相控阵天线系统时，通常需要考虑天线之间的不相关性，而这种不相关性主要由信道环境所决定。因此，需要对隧道内的电磁波传播规律进行预测与分析，并考虑真实天线的辐射场在隧道内的分布规律，然后根据电波预测结果，对相控阵天线的安装位置和馈电相位进行优化，以此来获得最佳的接收性能。由于隧道的空间有限，安装位置基本固定，主要通过调整与优化馈电相位提高通信质量。

具体实施方式如下：

1)发射天线的选取与设计

由于天线安装于隧道的入口处，安装空间有限，且列车通过时存在风阻，要求天线的横截面积尽量足够小。为了适应隧道的线状分布特性,隧道天线必须具有高增益性，减小波束宽度,并能满足铁路通信的频段要求，即工作于900mhz频段(上行：885mhz-890mhz；下行：930mhz-935mhz)。在综合考虑各种天线特性和优劣的基础上，采用微带天线与八木天线相结合的方式来实现所需高增益天线。其中以微带天线作为天线的主辐射单元，通过添加引向阵器的方式来优化天线的反射与辐射性能。微带天线采用类印刷偶极子天线，中心同轴馈电，采用非对称的结构以方便天线安装。在天线两侧添加开路枝节以调整匹配，降低反射。在天线下侧采用通孔连接正面和背面金属板，形成短路结构，以减小天线尺寸和调整天线谐振。介质基片采用相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009的rogers5880材料，微带天线总体尺寸为150mm×93mm×1.6mm。为满足铁路通信线状分布的要求，使天线的能量向一个方向集中，在天线引向器的另一端添加反射背板，增加天线的定向性；添加引向器，提高天线增益。辐射天线结构如图4所示，天线背板半径为120mm，天线总体尺寸为1152mm×φ160mm。其中天线一共添加铝质引向阵子15根，直径均为6mm，但在长度和间距上有一定变化，长度在11mm-13.2mm之间，间距在6-8mm之间。天线的s11曲线如图5，天线的-10db带宽为737mhz-990mhz，带宽达253mhz，可完全覆盖885mhz-935mhz的通信频段。天线的增益为16dbi，天线的驻波比小于1.5，前后比大于27db，半功率波束宽度为38度。

将此八木天线的远场方向图进行远近场变换之后，得到辐射源口径场，将其作为抛物方程计算的初始场。

2)基于抛物方程建立电波传播数值计算模型

抛物方程(parabolicequation,pe)由亥姆霍兹(helmholtz)波动方程因式分解，并忽略电磁波的后向传播项而得到。在直角坐标系中，标准形式的抛物方程可以表示为

其中，u为与场分量相关的波函数，k0为自由空间的传播常数。

为了数值求解抛物方程，引入交替方向隐式差分格式(alternatingdirectionimplicit,adi)对其进行离散，可以得到

式中，n+1/2表示n与n+1之间的虚拟步进面，δx,δy,δz分别为x,y,z三个方向的离散步长。给定辐射源信息及边界条件后，利用式(2)进行空间场的步进迭代求解，则可以获得整个隧道内的场分布。

在考虑隧道壁的介质损耗时，采用列昂托维奇(leontovich)阻抗边界条件(impedanceboundarycondition,ibc)

其中，为有耗介质表面的外法线单位向量，z是有耗介质的表面阻抗，相对介电常数εr，复介电常数εrc＝εr-iσr，相对电导率σr＝σ0/ωε0，ε0＝8.85×10-¹²f/m。e和h分别为电场和磁场强度。

如图6所示，由隧道的工程图纸中得到隧道横截面的几何尺寸，从数字地图中获取隧道走向等信息，据此构建出抛物方程数值计算的边界条件，确定仿真区域；将八木天线的远场方向图进行远近场变换，得到辐射源口径场，作为抛物方程电磁仿真的初始场，即可建立电波传播数值仿真计算模型。

3)相控阵天线系统设计与优化

电磁波在隧道内传播时，天线辐射激起的高次模以较快的速度衰减，远场区的贡献主要来自于低次模和主模。多径效应使得远区场随传播距离呈现出震荡性变化，即场强波峰、波谷交错分布。因此，空间分集的直观思路就是将两副天线分别放置在隧道不同位置处，使得两副天线在沿传播轴向(列车行进方向)接收点上合成的场强最大。考虑隧道的特殊环境及工程实现，只能采用简化方案：将两副分集天线分别安装于在隧道横截面上靠近隧道顶壁、高度相同且左右对称的位置处，通过不断调整天线2的相位，使500m以外(即的远场观察区内合成电场的最小值幅值最大；其中，d为距离，w和h分别为隧道的最大宽度和高度，λ为波长)的远场观察区内合成电场的最小值幅值为最大。

首先，按照图6所示的流程，建立电波传播数值仿真计算模型；然后，计算将安装于隧道入口处的两副八木天线的远场方向图，将其进行远近场变换，得到辐射源口径场，作为抛物方程电磁仿真的初始场；根据电波传播数值仿真模型，计算隧道内电磁场的分布。如图7所示，调整天线2的相位，再次计算天线的远场方向图，再次根据电波传播数值仿真模型，计算隧道内电磁场的分布。多次调整天线2的相位，使500m以外的远场观察区内合成电场的最小值幅值最大，此时天线2的相位，即为最优相位。

下面结合实例进行说明。

如图8为铁路单洞双轨隧道横截面示意图，隧道高为8m，宽为12m，隧道壁相对介电常数为6.8，电导率为0.034s/m。辐射源采用本发明设计的两副相同的高增益八木天线。放置在距隧道侧壁2m、距隧道顶壁1m左右对称的位置处，两天线之间的距离为3m，截面尺寸如图7所示，图中a，b为待优化位置，即列车接收天线所在的位置。天线系统由两副高增益的八木天线及一台移相器组成，系统组成与安装示意如图9所示。

由电波传播数值仿真计算模型计算出整个隧道内的场分布。图10(a)为天线1单独发射信号时，隧道内列车所在位置a处的电场强度分布图；图10(b)为天线2单独发射信号时，隧道内列车所在位置a处的电场强度分布图；天线1与天线2共同发射信号，采用本发明的优化方法，调整天线2发射信号的相位，当移相器调整相位至154°时，隧道内列车所在位置a处的电场强度分布如图10(c)所示，平均电平提升了5.6db，最低电平提升了35db，取得最佳优化效果。

综上所述，本发明提出的适用于隧道环境的相控阵天线系统能够显著地提升无线通信质量，不仅能够有效地提升信号的平均场强，而且可以消除多径效应带来的深度衰落，获得匹配隧道结构的最优分集性能。在3千米长的隧道的入口处安装一套相控阵天线系统，即可实现高质量的隧道内通信。