煤矿井下受限空间内电磁波的传输特性研究

论文摘要

在煤矿井下采用无线通信系统是现代化煤矿生产中的重要环节之一,对于提高矿井现代化管理程度,提高劳动生产率,加强安全防范,保障矿工生命和国家财产的安全都有着重要的意义。然而,矿井巷道是一个特殊的受限空间,井下环境恶劣复杂,无线通信电磁波不能得到很好地传播。因此本课题研究的煤矿井下受限空间电磁波的传播特性,对井下无线通信系统的研发具有理论和实际意义。论文首先介绍了波导内电磁波传播的一般特性,为后续研究具体截面巷道内电磁波的传输特性打下基础。利用麦克斯韦方程组及其在特定条件下需满足的边界条件,求解波模方程式可以得到电磁波在传播过程中的衰减率。其次以矩形截面和拱形截面这两种最基本和最常见的矿井巷道为对象,系统地研究了电磁波在其中的传播特性。文中主要利用求解波模方程的解析法,并结合了几何光学理论和数值法,给出了电磁波传输的衰减率计算公式。应用这些公式讨论了巷道中围岩电参数的变化、横截面尺寸、巷道壁倾斜和粗糙以及天线的插入等因素对传输的影响。另外,对巷道内大量悬浮的粉尘颗粒对电磁波的传输影响作了初探。通过数值仿真结果表明:在300～3000MHz的特高频段,随着无线通信系统的工作频率的变大,电磁波在巷道内传输的衰减越小,巷道壁粗糙所引起的损耗也越小,但巷道壁倾斜引起的损耗因素将加大;巷道的横截面、围岩电参数的变化随着电磁波极化模式的不同对传播特性的影响而不同;并且当天线位于巷道中心时引起的插入损耗最小。而在规定的浓度范围内,粉尘颗粒在各个方面对电磁波传输的衰减都很小,与上述因素引起的损耗相比可忽略不计。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的目标和意义
• 1.2 国内外研究现状及发展动态
• 1.3 研究采用的方法
• 1.4 论文的主要研究内容及结构
• 2 空心波导中无线电波传输的基本理论
• 2.1 麦克斯韦方程组与边界条件
• 2.1.1 麦克斯韦方程
• 2.1.2 边界条件
• 2.2 空心波导模型
• 2.2.1 波导的场方程
• 2.2.2 传播波模类型
• 2.2.3 截止频率
• 2.2.4 传输损耗与衰减
• 2.3 本章小结
• 3 矩形巷道中电磁波的传输特性
• 3.1 矩形巷道电磁波传输的基本理论
• 3.2 影响传输损耗的因素
• 3.2.1 频率与传输衰减率之间的关系
• 3.2.2 巷道的横截面尺寸与损耗的关系
• 3.2.3 巷道壁表面粗糙引起的损耗
• 3.2.4 巷道侧壁倾斜引起的损耗
• 3.2.5 天线的耦合损耗
• 3.3 本章小结
• 4 拱形巷道中电磁波的传输特性
• 4.1 拱形巷道电磁波传输的基本理论
• 4.2 衰减率影响因素的数值仿真与结果
• 4.2.1 频率与传输衰减的关系
• 4.2.2 巷道横截面与衰减率的关系
• 4.2.3 巷道围岩的电参数与衰减率的关系
• 4.3 本章小结
• 5 巷道内粉尘对电磁波传输的影响
• 5.1 粉尘的散射与吸收衰减
• 5.2 雾滴对电磁波的衰减影响
• 5.3 粉尘对电磁波的退极化效应
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢