摘 要

研究墙体构件对IMS频段电磁波传输特性的影响可以为墙体建造时提供参考，以满足人们对室内外无线通信质量的要求。本题目开展室内外无线信道特测量研究，分析建筑物墙体构建的特性。选取典型的墙体，开展常用IMS的传播特性测量，得到并分析测量结果。

首先，论文应用电磁波和电磁场的理论知识分析了电磁场问题中场量、源量和媒质之间的关系，，在理论上分析了媒质是如何对电磁波造成衰减的。

在进行了理论分析后，介绍了一些常用的路径损耗模型，并利用路径损耗模型对墙体的衰减进行预测。最终，设计了一个测量系统对体育馆的两面墙体进行了测量，得出玻璃墙体的衰减约为5.27dB，混凝土墙体的衰减约为16.97dB，将获得的测量数据进行处理后绘制了电磁波衰减随距离的变化关系。完成两面墙体的测量后，补充了自由空间下的衰减测量。

关键词：墙体；电磁波；损耗；测量

Abstract

The study of the influence of wall components on the IMS band electromagnetic wave transmission characteristics can provide reference for the construction of the wall, in order to meet the requirements of the quality of indoor and outdoor wireless communication. This topic requires us to carry out the indoor and outdoor wireless channel measurement research and analysis of the characteristics of building wall construction. The typical wall is selected to carry out the measurement of propagation characteristics on the common IMS band, then the analyzed results are obtained.

First of all, the thesis analyzes the relationship of the electromagnetic field, source and the medium. Then interpreting the media is how to cause the attenuation of electromagnetic waves.

After the theoretical analysis, some common path loss models are introduced, and the attenuation of the wall is predicted by the path loss model. Ultimately, the design of the a measurement system of a gymnasium on both sides of the wall were measured, that of glass wall attenuation is about 5.27dB, attenuation of the concrete wall is about 16.97dB, measurement data will be processed after rendering the electromagnetic wave attenuation with distance of the change. After the measurement of both sides of the wall, the measurement of attenuation in free space is added.

Key words: Wall；electromagnetic wave；attenuation；measure

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 研究现状 1

1.3 本文主要工作及文章结构 2

第2章 墙体对微波衰减的理论分析 3

2.1 麦克斯韦方程组 3

2.2 媒质的电磁参数 3

2.2.1复介电常数 4

2.2.2复磁导率 5

2.2.3损耗角正切 5

2.3 菲涅尔定律 5

2.4 本章小结 6

第3章 路径损耗模型的分析 7

3.1 路径损耗的简介 7

3.1.1大尺度衰减 7

3.1.2 小尺度衰减 8

3.2 常见的路径损耗模型 8

3.2.1室外模型 8

3.2.2 室内路径损耗模型 9

3.3 本章小结 10

第4章 实地测量 11

4.1 测试方法分析 11

4.2 测试系统 11

4.2.1 测量设备 12

4.2.2测试环境 14

4.3 墙体实地测量情况 15

4.3.1实地测量一 15

4.3.2实地测量二 19

4.3.3实地测量三 21

4.4结果分析 24

4.5 本章小结 24

第5章 总结与展望 25

参考文献 26

致 谢 28

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

ISM(Industrial Scientific Medical) Band，是由国际通信联盟无线电通信局定义的，开放给工业、科学、医学三个机构的民用电磁波段。所以IMS频段与我们的生活可谓是息息相关，例如：手机、电视广播、微波炉、医学诊断(CT、x 射线、磁共振…）、雷达等，这些都属于IMS频段的应用，通信领域的发展就是我们能够切身感受到的。

而且随着社会的发展，移动通信发射设备种类越来越多、数量越来越大，使得人们周围的电磁环境越来越复杂，给人们带来方便的同时也带来了辐射危害^[1]；另一方面，城市规模也越来越大，到处高楼林立。而无线通信信号在自由空间传播过程中，遇到建筑物墙体发生反射、透射和绕射等现象。这些信号被墙体表面反射衰减、材料吸收衰减或者墙体内部多次反射衰减 ，导致人们的通信质量大大降低。特别是Wi-Fi 和 3G/4G 技术的广泛应用，如果智能终端接受到的信号差或者无信号，就会大大降低用户的通信体验。

在建筑设计的过程中，通常都是关注建筑的力学性能，很少考虑建筑的电磁性能。而随着科技的发展和人们的特殊需求，人们对建筑的电磁性能要求也越来越高。因此系统的研究土墙体结构对通信信号衰减的影响，提前对墙体衰减预测是很有必要。在这样的背景下，本文应用理论分析并测量了了典型IMS频段（2.4G）电磁波在墙体间的传输特性。

1.2 研究现状

在当今复杂电磁环境和需求下，对电磁波通过墙体的传输特性的研究，国内外有许多专家大多是从理论、数值计算和实验的入手研究各种不同材质和结构的墙体对电磁脉冲的影响。

在理论分析方面，Dalke 等人利用 FDTD 方法研究了钢筋混凝土墙对电磁波影^[2]。 Savov 等人利用模态传输线理论研究了周期性结构建筑对电磁波的影响^[3]。郭山红等应用电磁场和电磁波相关理论知识分析了不同材料的墙体对电磁波的衰减影响。通过仿真分析不同电磁参数下的墙体的衰减特性，利用理论公式和查询相关材料的电磁参数多不同墙体进行数值仿真，详细给出了多孔砖墙和新切墙体的损耗特征。得到了墙体的衰减随频率的变化趋势很好的符合了理论趋势^[4]。秦卫平等人利用时域有限差分法研究得出了钢筋混泥土墙体对电磁波的影响，包括辐射天线发出的脉冲会有波形畸变效应，在墙体中的场型分布等^[5]。王芳芳等人研究了电磁信号通过不同厚度和材料墙体后，接收到信号的变化。得出了信号在通过墙体的过程中会发生衰减、延迟和畸变^[6]。张恒伟等人利用时域有限差分法分析了钢筋混凝土墙体对电磁波的影响，得到了如下结果：钢筋网对低频的的电磁波屏蔽效果好，频率越高屏蔽效果越差；混凝土墙体存在谐振效应，谐振时透射性很好，谐振频率由墙体的厚度和材料决定^[7]。

在实测方面，王艳等测量了电磁波垂直方向发射到墙体后的变化，分析了微波脉冲穿越墙体后的频谱变化。通过进一步的计算得到普通钢筋混凝土墙和普通砖混墙对窄带微波脉冲的衰减范围0.342～ 0.699dB/cm,对超宽带信号的衰减范围为0.134～ 0.183 dB/cm。对钢筋混凝土墙体对超宽带电磁波的衰减比较大^[8]。Jadhavar等人对学校一些建筑不同楼层进行测试，从已有的路径损耗模型中选择了一个拟合度较高的模型，在该模型下预测了路径损耗并同实际测量值进行比较，做出等信号强度图^[9]。徐超等人等人对Wi-Fi网络在室内墙体的覆盖性能进行了分析^[10]。对于建筑物对整体对微波信号的响应，曹学军建立模型模拟电磁波在建筑物内的不同传播模式，得到在建筑物内，场强最大变化范围为3~5dB^[11]。