三维射线跟踪模型的极化特性研究

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1、电波科学学报CHINESEJOURNALOFRADIOSCIENCE三维射线跟踪模型的极化特性研究刘芫健张业荣曹伟（南京邮电大学无线通信与电砒兼容实验室，江苏南京210003）摘要极化方式是电波传播的一个重要特性.基于射线跟踪方法研究了微蜂窝的无线电波传播特性，考虑了多次反射的极化特征，建立起三维的射线跟踪模型•通过仿真计算，和已知文献结果对比，一致性良好.关键词电波传播，射线跟踪，极化特性，场强预测基金项目：国家自然科学基金垂点项目（60671065）：教仔部新世纪优秀人才支持计划（NCET-04-0519）高等学校博士坐疏占七•佰冬：ibraistraJ;曰“

2、ruacAdn、1引言无线电波传播特性的研究昱无线通信的一个重要课题.传统的传播损耗统计模型是针对宏小区环境，采用的是建立在大量测试数据基础上的实测统计方法.随着微蜂窝.微微蜂窝系统开始被采用，传统的统计方法已失效，射线跟踪法、几何光学理论（G0）法.几何绕射理论/一致绕射理论法.时域有限差分（FDTD）法等成为研究微小区环境电波传播特性的有效方法,人们己取得一些研究成果.随着无线局域网、高速无线组网/接入系统在室内环境F的广泛应用，为了提供经济可靠的室内无线通信服务，室内环境F的电波传播特性研究显得日益垂要。无线电波在传播过程中，除了场强的幅度和相位会随着传播而

3、改变外，还有一个很重要的变化就是极化方向的改变。在现实环境中，电波会因为遇到障碍物产生折射、反射等现象，这些情况往往会使电波的极化方向发生改变，从而使原本由同一个信号源发出的无线电波经过外界环境的传播后其极化方向产生了巨大的变化，显得杂乱无章。而极化问题又是电波的一个垂要特性，因此在射线追踪方法里对于极化问题的处理就显得特别重要。但是在许多文献中“亠对于射线追踪的极化问题都采用了忽略或简化的方法来进行处理，这样会对仿真结果的精确度产生较大影响。在⑹中引入了天线的矢量冇效高度来描述天线及其镜像的增益方向图和极化性能，考沱了由于墙体和地板的反射引起的去极化效应.在切中

4、采用镜像法.考虑了直接射线、单次反射线和二次反射线及反射线的极化特征，建立了简单室内矩形房间环境中的传播模型。入射反弹射线方法（SBR：Shooting-and-BouncingRay）是一种较成功的方法，将它与镜像法结合形成的SBR/Image方法特别适用于室内无线传播特性的研究。这种方法主要是利用几何•光学的方法（如反射、折射及镜像原理等）来对无线电波的传播路径进行跟踪，同时可以结合GTD/UTD（几何绕射原理/一致绕射原理）来进行室内场强计算。本文基于SBR/Image方法，考虑了多次（任意次）反射的极化特征，建立起三维的射线追踪模型•我们可以得到能够到达接

5、收点的所有射线管路径的几何参数，如传播路径的长度、入射角、反射角、反射面.入射平面.反射平面等等，借助这些几何参数还可以得到折射角、反射系数、折射系数.极化方向等参数，从而完整地描述了射线管的传播过程。该模型可以预测复杂环境的无线电波传播特性，真实地反映室内信道特征。通过仿真计算，验证了本文模型的正确性和有效性。2理论分析我们现在把反射点作为原点建立坐标系。令£丄和£］〃分别为垂直于入射面和平行于入射面的极化方向上单位矢量。为了定义这些极化，首先我们把平面耐，2定义为入射平面，而把平面心，2定义为散射平面，如图3.1所示.其中&〃位于入射平面内，而g丄垂直于入射平

6、面，且&丄、ey/和k{之间相互垂直。类似地，e2//位于散射平面内，而玄丄垂直于散射平面，且&〃、&丄和伦之间相互垂直。从图中看到，ev,Ly,e{1//y总是成立,但&2〃丄％e2x//j只在03=0时成立。令Q为任总极化，则该场可以分解为垂直分量和水平分量，即A对于不平坦地面，镜面反射点处的反射波是去极化的，因为即使入射波对地面为平行或垂直极化的.但反对点的反射波也为一般极化形式，即包含平行极化和垂直极化p此时反射点的局部平面是由斷和方确定，其中不为反射点局部平面法向单位矢量，位于由勺和斤所确定的平面内，其由下式给出为A=r2/r2-r}/rxk2/z2-n

7、/ril.‘通常我们把由為和z确定的平面定义为入射面，而把由处和*确定的平面定义为局部入射面。类似地，我们把由伦和£确定的平面定义为散射面，而把由*2和斤确定的平面定义为局部散射面。Snell的反射定律要求输、嘉和说位于同一平面内。极化平面图.2传播方向、极化平面与反射面的关系只要03=0,反射点的法向位于入射面内，因此该入射面与局部入射面垂合，因而平行或垂直入射面的纯极化在入射面内从来不会产生去极化。然而如果反射点的法向不是位于入射面内，也即散射波不是位于入射面内，那么垃〃或d丄将同时产生分SEl/z和d丄.即平行或垂点极化将产生去极化.3仿真计算结果为了验证本

8、模型的正确