中短波广播电磁辐射途经建筑物时的空间畸变研
发布日期：2022-04-14
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根据国家无线电管理委员会对无线电频段的划分，中短波广播主要指频率范围约在500KHz-30MHz的广播，其中中波段频率约500KHz-1600KHz，短波段频率约1600KHz-30MHz，其发射信号通常的特点有：
1） 功率高，覆盖范围大
2） 波长相对较长，约10米-600米范围
3） 通常采用全方向发射
4） 中波主要为垂直极化，以地波方式传播；短波主要为水平极化，以天波方式传播
基于以上特点，出于对发射信号的保护，对架设天线的周边环境也有一定特殊的要求，因此，中短波天线通常架设在城市郊区人口相对稀少，地势较开阔的地带。近年来，随着城市区域的不断扩大，许多原本在郊区的中短波天线台址逐渐被纳入城区，出现了较多的电磁辐射污染事故的投述和纠纷，给国家广播事业的发展带来了一定的阻碍，比如，架设在北京东边的491中短波广播台，承担着国家对台湾的广播，随着城区发展而逐渐被纳入了城市区域，由于天线发射功率较大，给周边群众的日常生活带来了一定的影响，引起了周边群众对站台工作的抱怨和投述，甚至形成一定的恐慌心理，给广播站台的工作带来了较大的压力，对日常工作造成了一定的影响；另一方面，由于中短波天线功率较大，外观醒目，公众的关注程度较高，也给环保工作带来了相应的压力。
由于中短波电磁辐射环境影响评价工作起步较晚，评价工作做得相对较少，对基本情况了解不透，加之中短波电磁辐射原有的计算方法简单，主要适用于地势开阔空间无阻挡的情况，对当前周边建筑群大量出现的情况不能做出准确的计算，尤其是高层建筑物周围中短波电磁场的空间畸变问题目前国内还没开展，是中短波电磁辐射评价的盲区，不能给出准确的评价结果。以某小区为例，小区所面临的主要电磁辐射污染来自北京人民广播台的828KHz、1026KHz、927KHz和603KH发射，建前电磁辐射环境评价实测地面1.7米-3米高度时测量值均小于评价值17.8v/m，而根据现有的理论计算空间垂直分布大小基本不变，也就意味着小区电磁辐射环境影响评价应该是达标的，但小区建成后，由于建筑物自身的影响，电磁场的空间分布发生了重大变化，部分楼层出现超标的情况，给小区居民的生活带来了一定的影响。
1． 课题的目的、作用和意义
目的：本课题的目的是通过计算机仿真模拟中短波电磁辐射途经高层建筑时发生的空间畸变情况，同时计算出畸变后的场强大小。
作用：用以正确计算中短波电磁辐射途经高层建筑时发生的空间畸变，对相应的电磁辐射环境影响做出正确的评价，指导中短波电磁辐射环境影响评价工作的开展。
意义：由于围绕中短波电磁辐射途经高层建筑时发生的空间畸变计算在国内尚未开展，本课题可以弥补国内在此领域的空白。
2． 课题方向
中短波电磁波传播途经高层建筑物时，其空间分布将发生较大的变化，对不同高度的变化及窗口附近的分布进行研究是本课题的主要目的，此课题中需要模拟和解决实际的情况，因此，计算中需要考虑实际的发射天线功率及建筑物尺寸。
1）发射天线考虑的主要因素有：
频率：500K-30MHz
极化方式：水平极化、垂直极化
天线发射功率
天线高度
2）建筑物考虑的主要因素有：
建筑物尺寸（高度、长度、宽度）
建筑物形状（立方体，椭圆柱，圆柱）
窗口附近的分布（不考虑阳台等过于复杂的形状）
3）计算所涉及到的参数
建筑物与发射源间距离
地面介电常数
4） 传播路径的考虑
考虑多径传播情况，如图（四）所示，主要有：1）电磁波直接入射到楼宇上；2）入射波先入射到楼宇上，再反射到地面，最后经过地面反射的回波；3）入射波先投射到地面上，经地面反射到目标上，再由目标反射的回波。
5）计算结果
A．动态模拟电磁场的变化情况
B．给出建筑物周围空间电磁场分布三维图
C．给出三维图中所定义区域的场强值
3．课题研究所采用的方法
本课题研究采用时域差分法（FDTD），FDTD无需求解方程组，直接模拟电磁波的传播，随时间不断推进，迭加计算得到稳定收敛的数值解。FDTD法分析地面背景下目标的散射特性具有以下优点：1）更接近真实情况；2）一次FDTD计算可以得到所有频点的数据，大大减小工作量；3）对计算机硬件资源要求相对较低；4）计算过程真实模拟了电磁波与地面、目标的相互作用过程，物理意义更加明确。
FDTD法自上世纪90年代以来备受关注，现已发展成熟，除了电磁散射外，还被广泛应用于电磁兼容，天线，导行波问题等电磁场问题。
在FDTD法的主要思路为：Yee离散格式，对电磁场E、H分量的离散在空间上错置，时间上交替，每一个电（磁）场分量周围都有四个磁（电）场分量环绕，应用这种离散方式将含时间变量的麦克斯韦旋度方程转化为一组差分方程，并在时间轴上逐步推进地求解空间电磁场，真实地反映了电磁波的传播。
4．课题研究的重要步骤
4.1 FDTD法求解方案
真实的空间是无限大的，在计算中求解域不可能也没必要无限大，故须将无限大求解域截断为有限求解域，因此必须设置吸收边界，由于地面是有耗色散介质，故必须采用通用完全匹配层（GPML）技术，由于我们所求的场为总场，而GPML是针对散射场的，故应采用一种总场和散射场联合作为待求未知量的求解方案，连接边界以内为总场区，连接边界以外为散射场区，入射场从连接边界处加入，连接边界以外的散射场被通用完全匹配层（GPML）无反射地吸收。
在运用FDTD法分析地面楼宇散射特性时，要考虑影响电磁波与楼宇作用的三种情形，如图2所示：1）电磁波直接入射到楼宇上产生后向回波；2）入射波先入射到楼宇上，再反射到地面，最后经过地面反射的回波；3）入射波先投射到地面上，经地面反射到目标上，再由目标反射的回波。也就是说，激励目标的场不仅包括直接照射到楼宇的电磁场，还包括入射波经过有耗色散地面反射到楼宇的电磁场。因此分析地面上目标散射特性应分两步：首先研究地面的散射特性，求出激励楼宇的电磁场；然后运用所求出来的激励场入射楼宇，研究地面背景下楼宇的散射特性。
为了真实评估无限大地面及天线对楼宇散射场的影响，必须对天线和地面进行模拟。但由于天线到楼宇的距离很远，计算的空间特别大，事实上是不可行的。如将三维问题转化为二维问题来解决，就能够大大节约计算的时间和占用的内存，对天线及地面的模拟才是可行的。由于楼宇距离天线比较远，从天线辐射出来的电磁波到达楼宇时，在垂直传播平面的轴向（y轴）上，场的变化很小，已经近似成为平面波。这时，可以把问题从二维转化为三维，如图3所示，三维转化为二维的条件是在一个方向上是均匀的（图3的左图中为垂直纸面的方向（y轴）），实际的天线并不能等效为二维。
实际天线的情况过于复杂，难以精确模拟，而我们关心的其实是到达楼宇时天线的辐射场的强度、相位、频率及其随高度的变化，这时垂直入射面的方向上场的变化很小，故对垂直极化天线，用一个垂直于地面的全波振子天线的一半来模拟，而对水平极化天线，用一个距离地面高度为h的垂直纸面向外的点源（Ey）来表示，实际的天线再在这基本天线振子的基础上乘以增益、方向性系数、效率得到。经过图3左图的转化为二维后，从这样的天线辐射出来的场实际上对垂直极化天线来说相当于一个无限大平面天线产生的辐射场，而对水平极化则相当于无限长天线产生的辐射场。这样等效的天线在远处的辐射场，与实际天线的辐射场的区别在于－对垂直极化天线－等效在y轴方向上无限延伸的无限大天线产生的场是平面波，场强在距离方向（x轴）上没有衰减，而实际天线在距离方向（x轴）上是衰减的，场强反比于传播距离（r），而在场强随高度变化曲线、相位及频率上是没有区别的，故只需将场强除以距离（r），就大致能得出实际天线在远处的辐射场了。对于水平极化，等效天线与实际基本振子天线（H面）的辐射场是一致的，只需再考虑增益、方向性系数及效率就是了。在总场散射场连接边界处，将二维输出场作扩展之后，直接作为激励源加入三维楼宇散射场中。
4.2方案实施流程简介及算法
FDTD法实施的主要工作为：
4.2.1对计算区域的空间进行剖分：
首先将计算区域，包括GPML和FDTD区域，按照一定的空间步长，对计算区域的空间按Yee格式进行剖分，为方便起见，在所有区域内X,Y,Z三个方向的空间步长取为相等。根据FDTD数值色散对空间和时间离散间隔的要求，空间步长 ，时间步长 ，对于天线的频率范围100KHz－30MHz，满足这一条件并不难。实际上，为了精确计算楼宇周边的场，剖分时空间步长不宜过大，以长为20米，宽为32米，高为60米的楼宇为例，空间步长 选为２米，根据Courant稳定条件： ， 是电磁波在介质中的传播速度，时间步长可取为3.0ns。当波长较长，天线离楼宇距离很远时，可以将空间步长取得大一点，以免剖分网格过多；而对于高频段，波长较短，应按照FDTD的要求设置空间步长。
4.2.2按照Yee格式对各电场及磁场分量对应的介电参量进行设置
在介电参量的设置中，为了精确，且为了充分利用软件开发平台MATLAB处理矩阵的优越性能，对每个电场磁场分量分别对应Yee网格设置其介电参量矩阵，有介电常数（ ）、导电率（ ），本文处理的介质均非铁磁物质，磁导率为零，故不用设置。对处于介质交界面处的场量，其介电参量由环绕该场量的各个网格中的介电参量来等效。在GPML层与实际介质交界的地方，介质的介电参量的设置要尤为小心，否则会因不匹配而引起误差，经过迭代后，导致场的畸变。
对窗户影响的评估，由于实际楼宇的窗户情况比较复杂，对电磁场产生影响的是窗户里面房间的情况，用等效的介电参量来表示，在实际计算中，只在楼宇正面的中线上设置了若干个窗户。计算的结果表明，窗户存在对场的影响很小。建议楼宇的介电参量用空气、混凝土等等的等效介电参量来表示。
5.结果验证
本部分将上述计算结果与CST模拟结果及实测数据进行验证比较,其结果充分证明了上述计算结果的正确性和可靠性.
1.CST模拟结果:
本文运用大型专业三维电磁仿真软件CST Microwave Studio对上述算例进行模拟仿真,在CST模拟中在左端离楼宇500米处加入垂直极化的平面波,作为激励源. 除了没加窗户外,其他条件与上述算例一样,所得结果如图9所示:
由图可见,CST模拟结果的电场强度的分布和曲线的趋势都和本软件计算结果吻合得很好,场强幅度有所差别是由于两者激励源的强度不同,CST模拟激励源是场强幅度为1的垂直极化平面波,而LEMC软件的激励源是功率为30KW的垂直极化天线,但场强分布却是完全的一致.将CST模拟的激励源的场强幅度调整使得图9的(c)图的场强幅度与图6右图的场强幅度相当,即约增大8倍,由于楼宇处场强和激励源场强呈线性关系,可以预见对应的场点的电场强度也将增加约8倍,这时CST模拟结果的场强就和LEMC软件的计算结果相当了.这些都充分说明了计算结果的准确性及LEMC软件的可靠性.
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