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1、摘 要随着石油工业的发展，我们越来越需要通过简捷的方法对井下进行实时的监测，及时快捷的把井下信息传递到井上来，传统的有线传输方式已经不适合所以需要进行无线传输，但是由于油井是直径很小的114mm管道，而且里面充满了油水，所以信号衰减很大传输距离很短。本文主要是研究在这种情况下无线传输的特性，以及如何更好的避免衰减，尽可能提高传输距离和速率。文章从理论上分析了不同传输方法在水中传输的优缺点。在此基础上，文章对电磁波在水中以及管道中传输特性进行了推导和研究，得出了一些在水中和管道中的传播特性。接着文章通过CST微波仿真软件对各种环境下电磁波传输进行了仿真，得出了在特定注水管道截面半径下最合适的尺寸
2、。然后进行了一些针对性实验，实验结果表明，该频率确实是适合于该尺寸下注水管道，能够得到更远的传输距离。这里只是进行了些理论研究，该工程还要许多方向可以尝试，在以后工作中可以进行改进。关键词：石油工业 油水管道 无线传输 电磁波传输特性 AbstractWith the fast developing of the oil industry，simplemethods toget the real-time monitoring of the underground and then transmit the information as soon as possible fromtheunde
3、rgroundtoInoue are more and more needed. The traditional cable way is not suitable, so wireless way is necessary. But the diameter of wells are as small as 114mm，and full of fixed water and oil，so we can see significantsignal attenuation and the transmission distance is very short.This paper is to s
4、tudy the characteristics ofwireless transmission in this case，and how to avoid the attenuation better，try my best to maximizetransmission distanceand rate. The paper first analyzes the transmission in water of different advantages and disadvantages. On this basis the paper do the research on the tra
5、nsmission character on the electronic wave in the water and pipeline to get some results. Then the paper introduces the simulation of microwave by using the CST2009 to get themost appropriatesize ofthe radius of the pipe full of water. At last some specific experiments have been done，and the results
6、 show that the frequency I get through the simulation is the best to get longer transmission distance. The research I did is just theoretical ，the project can be tried in more ways in the future.Key Words: Oil Industry Oil Pipeline Wireless Transmission Character目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 课题概述11.2 课题
7、研究背景和目标11.3 论文的研究内容及安排22 无线传输理论研究32.1 短距离无线传输传播原理及应用32.2 水下无线通信研究52.3 圆形管道中电磁波传输82.4 本章小结123 仿真研究以及分析133.1 仿真工具介绍以及工作原理133.2 仿真结果以及分析143.3 本章小结184 实验设计与结果分析194.1 实验设计194.2 实验结果以及分析204.3 本章小结235 结论和展望235.1 工作总结235.2 工作展望24致 谢25参考文献26261 绪论本章介绍了课题的研究背景，包括课题概述以及课题的研究背景和目标，本章最后给出本论文的结构安排。1.1 课题概述本课题来自石油
8、企业。油田投入开发后，随着开采时间的增长，油层本身能量将不断地被消耗，致使油层压力不断地下降，地下原油大量脱气，粘度增加，油井产量大大减少，甚至会停喷停产，造成地下残留大量死油采不出来。为了弥补原油采出后所造成的地下亏空，保持或提高油层压力，实现油田高产稳产，并获得较高的采收率，必须对油田进行注水。在油田开发过程中是通过专门的注水井，将水注入油藏，保持或恢复油层压力，使油藏有较强的驱动力，以提高油藏的开采速度和采收率。对待性质不同的油层就需要分层注水，井下注水封隔器是分层注水井的关键工具，把差异较大的油层分隔开，再用配水器进行分层配水，使高渗层注水量得到控制，中低渗透率油层注水量得到加强，使各
9、类油层都能发挥作用。它的工作状态的好坏直接关系到油田注水质量，分层注水封隔器及管柱在实际分层注水生产中长期受高温、高压和轴向载荷的影响以及不确定因素的扰动，封隔器管柱的受力状况十分复杂。由于现场缺乏井下工具真实状况的实时检测技术，封隔器在井下是否密封、何时失效，有效工作时间等信息无法获得，影响了油田正常有效注水。为及时掌握注水管柱的工作状况，需要开发一套用于分层注水管柱工作状况定时监测的井下测量装置【1】。在分层注水井中有一个测量短节，它是一套智能化测量系统，通过它在生产过程中监测压力，温度，轴向拉力等数据。当要了解井下监测装置的测试数据时，下入一种井下数据无线交换功能的数据回读仪器到测试短节
10、附近，通过无线传输技术将测试短节存储的管柱工作数据读回到接收器内，提升数据回读仪器到地面上，实现在不起管柱的情况下，就可得到全部测试结果，大大提高测试工作的时效性。采用配套软件对数据进行分析处理，就能用数据和图形直观反映井下封隔器的坐封、注水、解封等整个工作过程内外压力、轴向拉力、井下温度情况。本文是对不同环境下电磁波传输特性进行分析，掌握电磁波传输特性，从而通过理论分析和仿真得到在注水管道中最合适的频率，再通过实验进行验证对比。1.2 课题研究背景和目标 关于水下通信和和空圆波导隧道传输有过一些研究，但是关于注水管道的研究非常少，几乎没有，所以在这一块还是有很大发展潜力的。这个课题主要难度在
11、于由于水下无线通信的环境复杂多变，干扰以及电磁波衰减极为严重，传统的水下无线数据通信广泛采用低频段的长波系统和水声通信系统，然而在30-30KHz之间的VLF频段的无线电信号在水下通信距离小于15m，同时天线按14.波长计算，其长度也在2.5-25KM范围内，显然体积十分庞大，造价极为昂贵。而水声系统本身的尺寸及功耗巨大，限制了使用范围【2】。这个项目最终的目标是要设计完整的系统实现井下无线传输，让它尽可能传输更远，速率更快，但是由于本科毕设的理论知识和硬件条件的限制，暂时的目标是通过理论研究，仿真模拟得出电磁波在各种环境下传输特性，并进行实验，得到真实数据，进行对比，找到在注水管道中最适合的
12、传输频率，为以后进一步的研究做好理论铺垫。在电子工程中，电波传播特性的研究，往往是总体方案论证的重要前提，同时也是进行传播特性预测修正、改善工作性能、提高精度的重要环节。因此，它是一种基础性研究工作，具有很强的探索性。电波传播所研究的基本问题，一般是信号幅度、相位与极化特性随距离、时间、频率以及其它传播路径介质参数变化的规律。对于电波而言，相位特性的测试研究具有特别重要的意义。它对测试设备及实施条件的要求十分苛刻。因此，电波传播的研究具有较大的艰巨性与复杂性。据国内外的资料报道，基本上有三个方面：第一，传播特性的测试研究；第二，低电离层电特性及其变化规律的探测研究；第三，传播理论研究。在对电磁
13、波研究过程中，一般是通过两种方法：理论分析法和现场实测法。理路分析法利用电磁波传输理论，来分析电磁波路径损耗；现场分析法是在各种实际环境中进行测试，现场记录下数据，实测后，利用计算机对数据进行分析，找出反映这些信道参数的统计特性【3】。1.3 论文的研究内容及安排1、第一章是绪论部分。介绍课题来源以及本课题的研究背景和目标，最后给出论文的结构安排。2、第二章介绍现在短距离无线传输的多种途径和方法。水下无线传输的特性以及现在水下传输的方法。管道中电磁波无线传输的原理以及特性。3、第三章主要是进行仿真，通过仿真来检验之前的理论研究，同时找到主水管道中最适合的频率，为下面实验做铺垫。4、第四章根据前
14、面理论基础设计实验，得到实验结果，并与前面的理论进行对照，得出结论。 5、最后一章，全文总结和展望。2 无线传输理论研究本文研究的是内容属于短距离无线传输，所以首先需要了解短距离无线传输的原理以及应用，作为整个研究的基础，然后再来研究最终要解决的注水管中的无线传输问题。注水管道中无线传输主要是要解决两方面问题，一个是在水中传输问题，一个是在管道中传输问题，两种环境下都有不同传输特性，而注水管道环境是两种条件的综合，但是直接研究的话会毫无头绪，所以首先要分开研究，得到不同环境下理论基础，然后才能再综合研究。2.1短距离无线传输传播原理及应用一百多年来，随着对自然界广泛存在的电磁波这一物质形态的认
15、识不断深化，人类已创造出了各种各样的电磁波工程系统，在电磁现象的各种激励机理和传播效应以及有关电子工程系统等众多领域取得了极为丰硕的研究应用成果。从长波地波绕射传播、高频电离层反射传播、微波视距传播，直到卫星通信，整个频谱的电磁波已成为人类征服自然的实践中不断开发利用的重要资源和手段。每一次技术革命、技术突破都促进了人类对所生存的地球空间环境的进一步认识以及电磁波传播理论的发展。无线电波传播的研究不仅对通信、广播、数据传输、导航定位、雷达与遥感探测以及空间环境监测等电子系统的研制、应用有重要作用，而且还与电磁理论、应用数学、计算机、空间物理与地球物理以及天文和气象等多学科领域有着密切的联系。但
16、电波传播研究的基本问题就是了解各频段不同特性的电磁信号与其应用环境媒质相互作用所表现出的传播模式和传播特性，破解电磁波在不同媒质传播过程中所携带的有关媒质特性的信息，以此来满足日益增长的信息传递和环境研究的要求【4】。 无线电波应用的范围非常广，频率也非常多，表1-1列出了一些频段 表2-1 无线电波频段划分序号频段名称频段范围波段名称波长范围12极低频（ELF）3-30Hz极长波100-10兆米超低频（SLF）30-300Hz超长波10-1兆米3特低频（ULF）300-3000Hz特长波100-10万米4甚低频（VLF）3-30KHz甚长波10-1万米5低频（LF）30-300KHz长波10
17、-1千米6中频（MF）300-3000KHz中波1000-100米7高频（HF）3-30MHz短波100-10米8甚高频（VHF）30-300MHz米波10-1米9特高频（UHF)300-3000MHz微波10-1分米 短距离无线通信技术一般指作用距离在毫米级到千米级的，局部范围内的无线通信应用。从通信速率看，短距离无线通信应用中有几个千比特(Kilobit)的低速率的RFID技术，也有支持高速率的可达几个吉比特(Gigabit)的60GHz毫米波个域通信技术；从通讯模式看，有点到点(Point-to-Point)点到多点(point-to-multipoint)链接的蓝牙(Bluetooth
18、)技术，也有具备网状网拓扑(MeshNetworking Routing)结构的ZigBee技术；有以人体为核心的体域网(Wireless BodyArea Networks，WBAN)，也有以机动车辆为主角的车域网(Vehicle Area Networks，VAN)，而红外线通信(Infrared Data Association，IrDA)和可见光通信(Visible LightCommunications，VLC)更进一步拓展了短距离无线应用的通信方式。各种短距离无线通信技术的应用范围既有相互交叉重叠，也彼此补充。表2-2比较了几种主要短距离无线通信应用的工作频段、通信距离、通信速率等
19、内容【5】。表2-2 主要短距离无线通信技术比较名称工作频段通信速率点到点作用距离管理组织RFID125-134.2KHz13.56MHz43.3-92MHz868-956MHz2.4,5.8GHz100Kbps无源：50cm-5m有源：10-100mISO/JTCI SC31EPCglobalIEEE802.15.4f(Active Tag)ZIGBEE868-868.6MHz901-928MHz2.4-2.4835GHz20Kbps40kbps250kbps10-75mZigBee AllianceIEEE 802.15.4BLUETOOTH2.4-2.4835GHz748Kbps-24M
20、bps1-100mBluetooth SIGIEEE802.15.160-GHz WPAN57-64GHz1Gbps10mIEEE 802.15.3C虽然短距离无线通信中各项技术以及性能指标有所不同，但是还是有很多共同点，就是低功耗，低成本，多为电池供电，易于携带和移动【6】。2.1.1 短距离无线传输信道无线信号由发射端发出后，电波传播所经过的所有路径统称为无线信道。无线信道作为无线电波传播的路径对无线通信的信号质量有决定性的作用。由于信号传播中会遇到各种各样的环境，这些环境对于信号的影响在信号恢复时必须加以考虑。无线传输信道具有随机性和时变性等非理想特性，发射端的信号会通过视距(Line
21、of Sight，LOS)传播或者是非视距(Non Line of sight，NLOS)传播，在经历大、小尺度衰落及多径影响，并产生损耗、时延等畸变后到达接收端。而无线收发端需要根据无线传输信道对信号质量影响的具体特性调整发射功率、收发速率，接收灵敏度等工作指标，将无线传输信道对发送信号的影响降至最低，使发送信息能得到正确地恢复。 2.1.2 短距离无线传输特点无线电波是经由反射，散射，衍射等传播机制到达接收端，但是由于距离较短，应用受到更多实际环境限制。反射现象发生在当电波遇到障碍物尺寸远大于波长时，如对于短距离无线通信，室内墙壁、地面、天花板及家具等可以造成反射。在反射的同时，部分能量会
22、被折射(Refraction)。反射系数和折射系数取决于电波的极化方式和物体材料的电介特性。散射现象发生在当电波遇到障碍物尺寸远小于波长时。对于短距离无线应用，室内摆放的植物叶片，墙壁的装饰物，以及信道内粗糙的物体表面和不规则的小物体都可以产生散射。当传输信道被障碍物阻隔，即非视距(NLOS)传播时，如果电波可以到达障碍物的边缘，则电波会通过物体的边缘，绕过物体进行传送，形成衍射。 无线电波经由无线信道传播的特性包括大尺度衰落(Large Scale Fading)和小尺度衰落（Small Scale Fading）两大类. 大尺度传播特性主要决定了无线传播的作用距离和覆盖范围等性能。其中链路
23、损耗（Path Loss，PL)和阴影衰落(Shadow Famng) 描述的是在较长的传输时间内，相比于电波波长在较长传播距离的传播特性，属于大尺度传播特性参数。阴影衰落是由收发器间障碍物阻挡导致信号随机的起伏变化而形成，并叠加在随距离增加的链路损耗之上。由于无线传播信道的特点，发射信号会经过不同的路径，以不同的幅度、相位和延迟到达接收端，形成多径传输(Multipath Propagation) 。多径传输会严重的影响无线系统的传输特性，尤其是在短距离无线应用中，传输环境复杂，反射、衍射和散射等现象严重，限制了无线应用的传输距离和传输速率。对于小尺度传播特性，是研究信号由于多径环境而造成的
24、相互干扰，这种干扰发生在波长量级上。多径传输的另一个特点是时延特性。在某时刻的信号，其多径分量经由不同的路径到达接收端，多径分量之间形成时延。描述多径现象的主要参数包括时延扩展(Time Delay Spread)、功率时延谱(Power Delay Profile，PDP)等【7】。2.2 水下无线通信研究 接着要来研究水下无线通信部分，这也是最近的热门研究部分。随着现代社会的信息化程度变高，人们已不满足对陆上事物的认知，渐渐的把目光转移到了水下。高精确度、实时性、时间空间连续的水下无线传感器网络在海洋信息收集、海洋资源探测和商业开发及沿海地区防御方面有十分广泛的应用。水下传感器节点能对网络
25、所覆盖的区域进行中长期的水下预替、目标检测、海洋水文环境要素监测等。同时，在未来多基地和舷外分布式传感器系统构成的庞大的反潜战网络中，水下数据通信是关键，而水声网络承担着探测、数据通信的重要使命。由于其应用前景十分广阔，使得对水下无线传感器网络的研究与开发成为目前信息领域的一个热点，学术界和产业界都对它投入了极大的研究热情8。水下传感器网络通信技术主要有电磁波通信、水声通信和光通信3种方式2.2.1 水下电磁波通信由于水的电导率比空气要大很多，对于平面电磁波传输而言是有耗媒质，所以电磁波在水中衰减比较严重。衰减常数（f），可见频率越高，衰减越大，穿透深度越小。如频率为100Hz，穿透深度约为2
26、5m，每米衰减约034dB；频率为10kHz，穿透深度仅为25m左右，每米衰减约34dB。为此，希望将电磁波信号送到较大深度时，就需要适当降低工作频率。上世纪冷战时期，美国和前苏联分别将岸对潜(艇)单向通信的工作频率，从甚低频的几十千赫兹降到了超低频的100Hz以下，从而实现了100m左右的收信深度。运用超低频方式通信，发射设备的规模宏大，其占地面积以平方千米计，发射机输出功率从几百千瓦到数兆瓦，通信距离可达数千千米甚至超过万米，但收信深度(潜艇能可靠接收信号时艇的水线深度)都较浅，甚低频通信的收信深度仅几米至几十米，超低频通信的收信深度也仅百米左右9。在水下近距离电磁波传输路径主要是通过直射
27、波，仅能观察到近区场，即利用近区场通信。在波源附近场强随距离增大而急剧衰减，在一定范围内场强近似与距离的立方成反比衰减，这是目前能用作水中短距离通信的区域。设天线长度为L；天线电流为I，天线上的电流分布均匀。当L远小于周围海水深度时，问题可简化为无限大有耗媒质中的水平电偶极子，可以解得各近场分量，其中水平面内极坐标中的两电场分量为此处，E：电场的分量；Ep：电场的径向分量，IL：电流矩，：相对于天线轴线的方位角，：水的电导率，：收发间距，：传播常数。虽然电磁波在水中的衰减较大，但受水文条件影响甚微，使得水下电磁波通信相当稳定。水下甚低频和超低频单向通信适用于军用岸对潜(艇)通信；水下高频通信适
28、用于短距离的水下无线通信。水下电磁波通信的发展趋势为：既要提高发射天线辐射效率，又要增加发射天线的等效带宽，使之在增加辐射场强的同时提高传输速率；应用微弱信号放大和检测技术、抑制和处理内部和外部的噪声干扰，优选调制解调技术(尤其重视已调波在频域上能量高度集中的调制方法)和编译码技术来提高接收机的灵敏度和可靠性。此外，已有些学者在研究超窄带理论与技术，力争获得更高的频带利用率；也有学者正寻求能否突破香农极限的科学依据。2.2.2 水下水声通信技术目前水下传感器网络主要利用声波实现通信和组网最早的水声通信技术可以追溯到20世纪50年代的水下模拟电话。20世纪80年代出现了取代模拟系统的数字频移键控
29、技术以及后来的水声相干通信技术20世纪90年代DSP(digital signal processing)芯片及数字通信技术的出现，尤其是水下声学调制解调器的问世，为水下传感器网络的发展奠定了坚实的基础 声波在海面附近的典型传播速率为1520m/s，比电磁波的速率低5个数量级。与电磁波和光波相比较，声波在海水中的衰减小得多，因此，水声是一种有效的水下通信手段。水下声信道与陆地无线电信道最大的不同在于其较长的传播时延，其传播时延的大小取决于水下声速。水下无线信道中，平均声速约为1500ms，使得信号传输产生较大的传输时延，约为067 sk。此外，声波在海水中的传播速度随海水的盐度、温度、压力(深
30、度)的变化而变化温度越高，声速越大；盐度及海水压力的增加也会引起声速的增大声速在水下随不同环境变化的特点，带来了传播时延的动态变化。由于声波的传输速率低，造成到达接收端的延时很大，而且由于多径效应，各路径到达的信号延时不同，这些时延各不相同的信号在接收端相互叠加，使接收到的声信号振幅和相位产生畸变，造成码间干扰，导致解调困难，并影响信道传输速率的进一步提高 由于声波在水中的衰减最小，水声通信适用于中长距离的水下无线通信。在目前及将来的一段时间内，水声通信是水下传感器网络当中主要的水下无线通信方式。但是水声通信技术的数据传输率较低，因此通过克服多径效应等不利因素的手段，达到提高带宽利用效率的目的
31、将是未来水声通信技术的发展方向10。2.2.3 水下光通信水对蓝绿光的衰减比对其它波段光的衰减要小很多，这使得利用蓝绿光进行水下无线光通信成为可能。水下光通信的最大优势是可能提供超过1G/s数量级的数据传输率。然而也存在一些制约水下光通信性能的因素：(1)水对光信号的吸收很严重；(2)水中的悬浮粒子和浮游生物使光产生严重的散射作用；(3)水中的环境光对光信号的干扰。根据目前的研究，依靠蓝绿可见光通信，虽然在通讯距离和指向性上存在缺陷，但其可以很好地实现水下无线传感器网络各节点之间短距离内的高速数据传输。国外已实现的应用于水下的蓝绿可见光无线通信模块主要有WHOI的Tivey等人在2004年研制
32、的廉价、低功耗水下光通信模块，通信距离达到27m，速率为144kbs，但是它存在着体积过大、通信速率相对过低的缺点。之后，澳大利亚国立大学的Schill等人开发了可见光通信及距离检测模块，通信距离约为2米，速率为576kbs。虽然Schill的研究成果在体积上做到了缩小，但却只是单方向的通信而没实现全向通信，同时体积仍不能满足全向通信模块的要求。2005年，MIT在其研制的水下无线传感器网络中，传感器节点采用的光通信模块通信距离达到2m到7m不等，设计通信速率可达到320kbs，试验采用通信速率为567kbs11。水下光通信具有数据传输率高的优点，但是水下光通信受环境的影响较大。克服环境的影响
33、是将来水下光通信技术的发展方向。2.3 圆形管道中电磁波传输这个问题的研究其实也是个实用性非常强的研究，众所周知无论是矿井还是油井，都是通过隧道来进行开采，而我们很多时候又需要把隧道中信息及时发送到地面上，原来传统的有线传输方式逐渐跟不上时代的步伐，研究隧道中无线传输是很有必要的。隧道截面的形状通常有梯形半圆拱形等，但对空隧道进行理论研究时除去圆形隧道外其它形状的隧道，即使是简单的矩形，其边界条件也难以匹配，可以把隧道截面等效为圆形进行研究。频率不超过几十兆赫兹时，隧道中导行电磁波的传播特性主要与隧道的截面积有关，而与截面形状关系不大，不妨将隧道等效为圆形来进行研究，因研究圆形隧道中电磁波的传
34、播特性具有重要的意义。2.3.1 空圆隧道中电磁波传输的基本理论平直的无限长圆形隧道看作为有耗介质管波导，其横向和纵向截面如下图2-1,2-2所示。图21 横向截面图图22 纵向截面图设隧道半径为a，隧道内部自由空间电参数为(1111)，周围是均匀的有耗介质，其电参数为(2222). 选用柱面坐标系，如上图所示，z方向为隧。道的轴向，r和处于隧道截面中。，分别为介电常数、磁导率、电导率、波数。设h1=h2=即两个区域的轴向传播常数相同，=+j，为衰减常数，为相移常数，j为虚数单位，为工作角频率，u=h1a，V=h2a。场矢量写法为在圆柱坐标系下，圆波导具体化为用来分析TE模有先讨论TM模，使用
35、分离变量法当电磁波的工作频率较高时，TM0n模衰减常数(单位dBm)的近似解为：TE0n模衰减常数(单位dBm)的近似解为：对于EH11模，其衰减率(单位dBm)为：当隧道截面远大于波长时，HANKEL函数及其导数用大宗量近似，可得圆形隧道中各类波模衰减常数的近似表达式为介质隧道中存在TE模，TH模，EH混合模3类波模，综合得出以下结论：电磁波在隧道传播过程中，当频率略高于隧道截止频率时，电磁波仍具有金属壁圆形波导波模传输衰减的频率特性；当频率远高于截止频率时，波模衰减率随频率的增长而下降2.3.2 简化波导模型（1）波导模型高频信号的波长与隧道的横截面尺寸相比非常小，此时空心隧道可以看作是空
36、心波导，电磁波在空心波导中的传播称为自然传播或固有传播，当通信设备工作频率高于截止频率时，空隧道内的无线通信才是可能的。假设隧道壁的电性参数：电导率、介电常数、磁导率分别为、，为工作频率，只有当复相对介电常数大于1时，用金属波导模型求得的截止频率才比较接近真实值。大多数隧道壁的电性参数满足其复相对介电常数大于I的条件，所以一般情况下采用金属波导模型的标准公式来估计隧道的截止频率是可以的。（2）传播常数当工作频率低于频率f=/2, 隧道壁表现为导体，当工作频率高于这个频率时，隧道壁表现为有损耗介质。讨论波导时我们假定：波导的四壁均为理想导体、这些理想导体壁包围的煤质均为完全电介质。这时候隧道内的
37、电磁场分解成一些称为波模的解式之和，每个传播模式都满麦麦克斯韦和隧道壁上的边界条件.复常数=+j是波模的传播常数，其实部称为衰减率，单位为奈培米；虚部称为相移率或相位常数，单位为弧度米。显然，各种各样的波模具有不同的传播常数和不同的场分布。在理想导电壁的空心波导管中，某特定波模的传播常数随频率变化的关系非常简单。每个波模有一个临界频率工作fc，这个频率值依赖于隧道的形状和尺寸，于壁的电参数无关。当波频率等于或低于这个值时波模是迅速衰减的，也就是说它只有衰减而没有相移12。（3）截止频率具有最低临界频率值的波模称为主波模，它的临界频率称为波导截止频率，低于这个频率时，一切波模都是迅速衰减的，隧道
38、不能引导它们的电磁能量，而对于有限导电壁波导，当传输频率小于截止频率时候，衰减率也是有限值(而非无限大)，因此对有限导电壁波导不存在严格的“截止”。我们用一个二维有序数组(m，n)来标记波模。对于截面尺寸为a和b的矩形波导来说，其临界频率由下式给出：2.3.3 传播波模类型 巷道传播模的基本类型有两种，一类是无电场纵向分量的是横电(TEmn，TransVerse E1ectric)波或磁波(Hmn)，另一类是无磁场纵向分量的横磁(TEmn，Transverse Magnetic)波或电波(Emn)，也就是说，电场或者磁场没有轴向分量，对于不同的m，n整数值，有不同阶的波模。对于波导支持的TE模
39、式，电场完全在横向平面内，而磁场可以有任意方向的分量。此时我们将对磁场的纵向(波传播方向)分量求波动方程的解，未知常数将由电场切向分量应满足的边界条件决定。为此需要用磁场的纵向分量来表示电场的横向分量。一旦决定了未知常数，其他分量便均可由麦克斯韦方程求出。对于TM模式，磁场完全在横向平面内而没有纵向，而电场可以由任意方向的分量。由于电场的纵向分量对波导的各个壁而言都是切向的，我们将对该分量求波动方程的解，因为这样容易使用四个边界条件，然后可以用麦克斯韦方程求出横向的场分量。在理想导体波导内，各波模独立地传播，而不受其他波模的影响，但在有耗介质围成的巷道内，壁的有限电导率引起不同Emn和Hmn波
40、模之间交叉耦合，使巷道内传播的波模既不是纯Emn波模，也不是纯Hmn波模，而是两者的线性组合，即电磁场被分解成一些波模的模式之和。在一个巷道内，若两种波模具有相同的传播常数，则称它们为简并波型13。2.4 本章小结 本章通过研究短距离无线传输，水下通信以及管道中传输，了解了在不同环境下无线传输的原理以及特性。短距离传输主要是由大尺度衰落和小尺度衰落引起的损耗。而在水中由于水电导率比空气大得多，所以衰减比空气中要严重得多，频率越低，电磁波衰减越小。现在有电磁波，水声，可见光等水下无线通信方法。而管道中无线通信则受到管壁损耗等因素，衰减同样严重。我根据一些已有的研究成果进行了对比和分析，综合实际环
41、境的要求决定选取300MHz到2.4GHz之间电磁波来进行无线通信。3 仿真研究以及分析在研究了理论知识之后，为了能更好的认清电磁波传输规律，为后面实验打好基础，首先需要进行仿真。3.1 仿真工具介绍以及工作原理根据师兄的推荐，本人选择了CST MWS进行我的仿真工作。CST工作室套装是面向3D电磁场、微波电路和温度场设计工程师的一款最有效、最精确的专业仿真软件包，共包含七个工作室子软件，集成在同一平台上。 CST MICROWAVE STUDIO（简称CST MWS，中文名称“CST微波工作室”）是CST公司出品的CST工作室套装软件之一，是CST软件的旗舰产品，广泛应用于通用高频无源器件仿
42、真，可以进行雷Lightning、强电磁脉冲EMP、静电放电ESD、EMC/EMI、信号完整性/电源完整性SI/PI、TDR和各类天线/RCS仿真。结合其它工作室，如导入CST印制板工作室和CST电缆工作室，空间三维频域幅相电流分布，可以完成系统级电磁兼容仿真；与CST设计工作室实现CST特有的纯瞬态场路同步协同仿真。 CST MICROWAVE STUDIO集成有七个时域和频域全波算法：时域有限积分、频域有限积分、频域有限元、模式降阶、矩量法、多层快速多极子、本征模。支持TL和MOR SPICE提取；支持各类二维和三维格式的导入甚至HFSS格式；支持PBA六面体网格、四面体网格和表面三角网格
43、；内嵌EMC国际标准，通过FCC认可的SAR计算。它采用的是有限元积分法。仿真中我建模的空管道模型如下图3-1所示。 图3-1 空管道模型示意图这是空管道的模型，除了管道和下方的激励源外其余部分都是空气。我的注水管模型如图3-2所示.图3-2 注水管模型示意图蓝色部分代表我创建的水模型，把管道注满，电导率介电常数的参数按照25度左右纯水来设计。3.2 仿真结果以及分析 接下来要开始进行仿真，研究注水管道中电磁波传输特性，为了能更清楚的明白影响电磁波传输特性的因素以及影响大小，我们逐项对电磁笔传输特性进行仿真，并对仿真结果进行理论分析，找出规律并解释。3.2.1 管壁电导率对衰减的影响由于管道的
44、管壁材质不同，可能会对电磁波传输特性有影响，为了彻底弄清楚所有可能对注水管道中这里将研究在巷道中电导率对电磁波传输的损耗情况。由于一般巷道壁的电导率在101 sm之间，因此在研究时取=1 Sm.电导率对衰减的的影响关系如下图3-4所示。 图3-3 管壁电导率对衰减的影响由图3-3可以分析出，在圆形管道中，当管道壁电导率0.1 sm时，电磁波衰减率比较稳定.基本保持不变；随着电导率的提高，TE模式的衰减率急剧下降，而TM模式的衰减率却急剧升高。这个拐点称为电导率断电，一般情况可以忽略这个断点，只有在管壁电导率非常大情况下如金属矿山隧道才可能达到断点。一般铁管的导电率是小于这个值得，所以可以忽略这
45、个影响。3.2.2 不同频率下空管中仿真再来研究不同频率的电磁波传输特性，由前面短距离传输的介绍我们知道大多数设备频率都在300MHz到2GHz之间，所以我们仿真主要是对这个频段进行研究。图3-4 不同频率下空管中仿真 图3-4是不同频率的电磁波发射后在不同距离接收到的信号，可见频率越低信号衰减越强，信号越弱，频率越高，衰减越弱，信号越强，随着距离的增加，信号强度也是越来越弱。这是因为工作频率很高时，隧道直径远大于波长，高频信号在隧道中获得了相对较大的自由传播空间；在低频段，电磁波衰减最大，通信距离最近这可以认为是隧道尺寸与波长比拟产生吸收或者电磁渡在有限空问内多次反射能量消耗的结果。3.2.
46、3 不同截面半径尺寸下空管中仿真进行了了不同频率下仿真后得到了频率和衰减率的关系，接着再来研究不同截面半径尺寸的传输特性。圆柱界面半径为5.7cm时在距离发射源25cm处接收到的信号电场感应强度如下图3-5所示。图3-5 截面半径为5.7cm时仿真图而为了进行对比，得到不通管道半径尺寸的信号强度的对比，我又仿真了圆柱半径为8.7cm时距离发射源25cm管内收到信号电场感应强度，如下图3-6所示。图3-6 截面半径为8.7cm仿真图两者对比就可以直观的发现发现在圆柱半径为8.7cm时信号强度大于5.7cm时信号强度。 由前面的理论知识可知，a为圆形管道的半径。由衰减率近似计算公式可以得到衰减率同
47、隧道半径成三次方反比关系，隧道尺寸越大，电磁波的传播空间越宽阔，衰减率越小，而隧道尺寸越小，电磁波的传播空间越受到限制，衰减越大。 无线管道中存在着截止频率，管道截面越大，无线传输截止频率越高，当工作频率低于截止频率时，衰减将迅速增大。管道截面对无线传输影响程度与波长有关，当管道截面半径与波长差距不大于10倍时，管道截面尺寸对无线传输影响最大，当截面半径远远大于或者远远小于波长时，管道截面尺寸对无线传输影响比较小。3.2.4 注水管道的仿真在进行了了空管中仿真后，我们得出了空管中传输特性，频率越高，管道截面尺寸越大，传输信号强度越大，衰减越小，而在之前对水下通信的研究中，我们已经知道电磁波在水下传输时是频率越高，衰减越大，所以在水下传输时尽