CN106990299B - 用于无线通信信道建模中材料电磁特性测量的拱形支架 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电磁反射和透射特性测量技术领域，提供了一种用于无线通信信道建模中材料电磁特性测量的拱形支架，包括底座、支架体、半圆形滑轨、滑块、旋转驱动机构；支架体设于底座上；半圆形滑轨设于支架体上，半圆形滑轨可以绕其直径旋转；半圆形滑轨上有刻度；旋转驱动机构用于驱动半圆形滑轨绕轴旋转；滑块设于半圆形滑轨上，滑块上设有锁紧机构。本发明的有益效果：解决了无线通信信道建模中建筑材料电磁特性测量中不能灵活准确定位距离和调节角度的问题；适用于安放不同类型的天线；滑轨可移动、方便拆卸和重组，可灵活用于不同建筑材料特性的研究；采用玻璃钢制作底座和支架体，具有超低微波散射、高强度、耐腐蚀、绝缘等特点。

Description

用于无线通信信道建模中材料电磁特性测量的拱形支架

技术领域

本发明涉及实际建筑材料的电磁反射和透射特性测量技术领域，特别涉及一种用于无线通信信道建模中材料电磁特性测量的拱形支架。

背景技术

室内无线通信环境的特点是传输功率较小，覆盖距离更近，环境的变化更大。对于不同的建筑物而言，电磁波的反射、绕射、衍射、折射(透射)、和散射情况与室内物品的布局、材料结构、建筑物尺度等因素密切相关。在无线信道建模中，对于统计模型，往往需要了解在典型环境下不同场景电磁波通过建筑材料的穿透损耗；对于确定性模型，则是通过数值计算的方法求解麦克斯韦方程组来描述室内无线电波传播。目前广泛采用的射线跟踪技术就是一种确定性建模方法，其计算过程中往往需要知道材料的介质特性参数(导磁率μ、导电率σ、介电常数ε)。相比理想均匀材料的介质特性参数，导入实测的建筑材料特性参数可以更准确地描述实际的电波传播规律。

目前已有的材料特性测量方案中所存在的主要问题有：

1、在未来第五代移动通信(5G)中，由于毫米波频段通信的应用，不同入射角造成的穿透损耗有可能存在差异，此外在测量材料反射特性时需要在保持距离不变的情况下不断改变收发天线的入射角和反射角，而现有的基于三角架的测量方案无法通过简易方便的调整来准确固定测量距离、调节角度、和改变极化，因此很难准确反映毫米波传播时的角度特性。

2、由于实际电波传播环境的复杂性，传统的穿透损耗测量方案只能用于特定场景(如，微波暗室)和特定材料(如，订制的理想化材料)，无法应用于实际的建筑材料测量中。

3、天线支架材料本身的电磁特性不理想，可能会影响电磁波在测量范围内传播机制的改变。

因此，有必要针对上述问题，设计便于灵活准确定位距离和调节角度、可移动和拆卸重组、电磁散射影响小、坚固的非金属材料支架，用于无线通信信道建模中建筑材料电磁特性的高精度测量系统。

发明内容

本发明的目的就是克服现有技术的不足，提供了一种用于无线通信信道建模中材料电磁特性测量的拱形支架，在不改变原有的建筑材料特性测量系统的基础上，设计了便于灵活准确定位距离和调节角度、可移动和拆卸重组、电磁散射影响小、坚固的非金属材料拱形支架；从根本上解决了无线通信信道建模中建筑材料电磁特性测量中，以前不能灵活准确定位距离和调节角度的问题；该灵巧拱形支架适用于安放不同类型的天线；其半圆形天线滑轨可移动、可方便拆卸和重组，灵活用于不同建筑材料特性的研究中(如：地面、天花板、桌子、门、玻璃、墙体等)。此外，采用玻璃钢(学名，玻璃纤维增强塑料)作为底座和支架，具有超低微波散射、高强度、耐腐蚀、绝缘等特点；本发明有效地提高了测量准确度和工作效率。

本发明一种用于无线通信信道建模中材料电磁特性测量的拱形支架，包括底座、支架体、半圆形滑轨、滑块、旋转驱动机构；

所述支架体为2支，均设置于所述底座上，与所述底座固定连接或可拆卸连接；

所述半圆形滑轨的两端分别设置于2支所述支架体上，所述半圆形滑轨可以绕其直径旋转；所述半圆形滑轨上设置有刻度，所述刻度单位为调节入射角和反射角的角度步长；

所述旋转驱动机构用于驱动所述半圆形滑轨绕轴旋转；

所述滑块设置于所述半圆形滑轨上，所述滑块上设置有锁紧机构。

进一步的，所述底座底部安装有滑轮。

进一步的，所述旋转驱动机构为组合滚轮轴承，所述组合滚轮轴承包括主滚轮和侧滚轮，分别固定在2支所述支架体上，所述主滚轮设置有手柄，用于将所述半圆形滑轨手动摇起至水平位置。

进一步的，所述滑块的数量为2个，分别用于固定放置收、发天线。

进一步的，所述滑块上设置有方便天线与射频电缆连接的插口。

进一步的，所述底座的材质为玻璃纤维增强塑料钢；所述半圆形滑轨的材质为酚醛胶木板；所述滑块的材质为聚四氟乙烯塑料。

进一步的，所述支架体的高度为1420mm；所述半圆形滑轨在所述支架体上水平放置时高度为1480mm；所述半圆形滑轨的半径为1000mm。

进一步的，所述滑块在所述半圆形滑轨上可调节的入射角度为0°到75°。

进一步的，所述底座、支架体、半圆形滑轨、滑块相互之间通过聚四氟乙烯塑料螺丝连接固定。

进一步的，所述刻度单位为1°。

本发明的有益效果为：

1、本灵巧拱形支架可灵活准确固定天线距离、调节天线角度、和改变天线极化，保证天线与待测建筑材料(地面、天花板、桌子、门、玻璃、墙体等)表面相垂直；

2、本灵巧拱形支架可灵活移动、拆卸和重组，便于放置在不同的建筑材料表面进行测量；

3、通过设计两个相同的灵巧拱形支架，分别放置在待测材料两侧，可用于测量不同入射角度下材料的透射特性；

4、本灵巧拱形支架尺寸上满足电磁波远场测量要求；

5、本灵巧拱形支架所有材料的电磁散射影响小，满足毫米波段无线通信信道建模中建筑材料电磁特性的高精度测量要求。

附图说明

图1所示为本发明实施例拱形支架整体结构示意图(正视图)。

图2所示为本发明实施例拱形支架整体结构示意图(俯视图)。。

其中：1-底座、2-支架体、3-半圆形滑轨、4-滑块、5-组合滚轮轴承。

具体实施方式

下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。

如图1-2所示，本发明实施例一种用于无线通信信道建模中材料电磁特性测量的拱形支架，其特征在于，包括底座、支架体、半圆形滑轨、滑块、旋转驱动机构；

所述支架体为2支，均设置于所述底座上，与所述底座固定连接或可拆卸连接；

所述半圆形滑轨的两端分别设置于2支所述支架体上，所述半圆形滑轨可以绕其直径旋转；所述半圆形滑轨上设置有刻度，所述刻度单位为调节入射角和反射角的角度步长；所述刻度单位为1°；

所述旋转驱动机构用于驱动所述半圆形滑轨绕轴旋转；

所述滑块设置于所述半圆形滑轨上，用于固定天线，便于调节天线的极化方向，所述滑块上设置有锁紧机构；所述锁紧机构为2个锁紧手轮，用于固定滑块4，防止滑块4在测量过程中与半圆形滑轨3发生相对滑动；所述滑块上还设置有插口，以方便天线与射频电缆的连接。

所述底座底部安装有滑轮，便于拱形支架整体移动；竖直墙体测试过程中需要将底座1卸去，保证半圆形滑轨3的直径与待测材料表面贴合，整体垂直于墙面。

所述旋转驱动机构才采取现有技术中的任何方式，例如可以为组合滚轮轴承，所述组合滚轮轴承包括主滚轮和侧滚轮，分别固定在2支所述支架体上，所述主滚轮设置有手柄，用于将所述半圆形滑轨手动摇起至水平位置。当半圆形滑轨处于水平位置时，为保持平衡，可增加与支架体2相同高度的聚四氟乙烯塑料支架，保证半圆形滑轨3在水平摇起时受力均匀。

一般的，所述滑块的数量为2个，分别用于固定放置收、发天线。

优选的，所述底座的材质为玻璃纤维增强塑料钢；所述半圆形滑轨的材质为酚醛胶木板；所述滑块的材质为聚四氟乙烯塑料；上述材料的选用确保拱形支架在测量中极低的电磁散射影响。

所述底座、支架体、半圆形滑轨、滑块相互之间通过聚四氟乙烯塑料螺丝连接固定，方便拆卸，并且消除其在测量环境内对电磁波传播的影响。

在毫米波频段材料反射和透射特性测量中，半圆形滑轨3的尺寸设计满足远场条件；优选的，所述支架体的高度为1420mm；所述半圆形滑轨在所述支架体上水平放置时高度为1480mm；所述半圆形滑轨的半径为1000mm。

由于滑块4的尺寸限制，所述滑块在所述半圆形滑轨上可调节的入射角度难以达到0°到90°，在本优选实施例中，达到0°到75°，已完全可以满足无线通信信道建模中材料电磁特性测量的实际需求。

本发明的具体应用：

应用一：材料反射特性测量

通过使用1个本发明实施例中的拱形支架，在半圆形滑轨3上安置两个滑块4，分别固定收、发天线，可以实现5G毫米波频段材料反射特性的测量。反演得到的材料介质参数可用于电波传播的射线跟踪仿真，从而建立无线通信信道模型。

本应用采用基于矢量网络分析仪(VNA)的材料反射特性的测量系统；在测量开始前首先对VNA进行内部校准，然后配置相关参数，包括输出功率、扫频范围、扫频点数、扫频次数或时间、分辨率带宽等。通过转动组合滚轮轴承5将半圆形滑轨3转至水平位置，保证与待测材料表面垂直，并分别将两个相同的高增益喇叭天线以相同极化安装在两个滑块4上。其中发射天线通过射频同轴电缆连接至VNA的a端口，接收天线连接至VNA的b端口。调节滑块4使得天线的入射角和反射角相等，并通过控制VNA记录所测参数S₂₁的值。每完成一个角度的测量后，以固定的步长(5°)调节两个滑块4，得到所有角度的测量结果。改变两个天线的极化方向，重复上述步骤依次完成垂直/平行极化的测量。最后通过每个角度情况下所记录得到的S₂₁值反演出建筑材料的介质参数。

应用二：材料透射特性测量

通过使用2个本发明实施例中的拱形支架，该2个拱形支架对称布置于待测材料的两侧；对于每个拱形支架，分别在两个半圆形滑轨3上安置两个滑块4，并固定收、发天线，可以实现5G毫米波频段材料透射特性的测量。测量结果一方面可以用于反演材料的介质参数并和实例一中结果相互验证；另一方面可以得到不同材料的穿透损耗，直接应用于毫米波频段无线通信信道建模中。

本应用采用基于矢量网络分析仪(VNA)和扩展信号源的材料透射特性的测量系统。在测量开始前首先对VNA进行内部校准，然后通过无线路由器将VNA和信号源连接在一个局域网内，并将外扩信号源作为VNA的附属设备，以增大测试系统的动态范围和测试距离。根据测量需求配置相关参数，包括输出功率、扫频范围、扫频点数、扫频次数或时间、分辨率带宽等。通过转动两个组合滚轮轴承5将半圆形滑轨3调节至水平位置，保证两个滑轨3水平并与待测材料表面垂直。分别将两个相同的高增益喇叭天线以相同极化安装在两个滑轨3的滑块4上，并在测量过程中始终保持收发天线的角度相同。其中发射天线通过射频同轴电缆连接至VNA的1端口，接收天线连接至VNA的2端口，通过控制VNA记录所测参数S₂₁的值。由于材料厚度的影响，电磁波穿过材料内部时，会发生一定的平移，因此在改变入射角的同时，接收端所在的支架需要在水平方向上进行平移滑动，保证最大的接收功率。最后通过每个角度情况下所记录得到的S₂₁值可以直接得到建筑材料的穿透损耗，对于衰减较小的材料可以反演出建筑材料的介质参数并与实例一中得到的结果进行对比。

本发明的有益效果为：

1、本灵巧拱形支架可灵活准确固定天线距离、调节天线角度、和改变天线极化，保证天线与待测建筑材料(地面、天花板、桌子、门、玻璃、墙体等)表面相垂直；

2、本灵巧拱形支架可灵活移动、拆卸和重组，便于放置在不同的建筑材料表面进行测量；

3、通过设计两个相同的灵巧拱形支架，分别放置在待测材料两侧，可用于测量不同入射角度下材料的透射特性；

4、本灵巧拱形支架尺寸上满足电磁波远场测量要求；

5、本灵巧拱形支架所有材料的电磁散射影响小，满足毫米波段无线通信信道建模中建筑材料电磁特性的高精度测量要求。

本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (7)

1.一种用于无线通信信道建模中材料电磁特性测量的拱形支架，其特征在于，包括底座、支架体、半圆形滑轨、滑块、旋转驱动机构；

所述支架体为2支，均设置于所述底座上，与所述底座固定连接或可拆卸连接；

所述半圆形滑轨的两端分别设置于2支所述支架体上，所述半圆形滑轨能够绕其直径旋转；所述半圆形滑轨上设置有刻度，所述刻度单位为调节入射角和反射角的角度步长；

所述旋转驱动机构用于驱动所述半圆形滑轨绕轴旋转；所述旋转驱动机构为组合滚轮轴承，所述组合滚轮轴承包括主滚轮和侧滚轮，分别固定在2支所述支架体上，所述主滚轮设置有手柄，用于将所述半圆形滑轨手动摇起至水平位置；

所述滑块设置于所述半圆形滑轨上，所述滑块上设置有锁紧机构；

所述底座的材质为玻璃纤维增强塑料钢；所述半圆形滑轨的材质为酚醛胶木板；所述滑块的材质为聚四氟乙烯塑料；

所述底座、支架体、半圆形滑轨、滑块相互之间通过聚四氟乙烯塑料螺丝连接固定。

2.如权利要求1所述的拱形支架，其特征在于，所述底座底部安装有滑轮。

3.如权利要求1所述的拱形支架，其特征在于，所述滑块的数量为2个，分别用于固定放置收、发天线。

4.如权利要求3所述的拱形支架，其特征在于，所述滑块上设置有方便天线与射频电缆连接的插口。

5.如权利要求1-4任一项所述的拱形支架，其特征在于，所述支架体的高度为1420mm；所述半圆形滑轨在所述支架体上水平放置时高度为1480mm；所述半圆形滑轨的半径为1000mm。

6.如权利要求1-4任一项所述的拱形支架，其特征在于，所述滑块在所述半圆形滑轨上可调节的入射角度为0°到75°。

7.如权利要求1-4任一项所述的拱形支架，其特征在于，所述刻度单位为1°。