典型城市建筑材料的L波段电磁衰减特性研究.pdf

收稿日期：2023-04-30基金项目：中国兵器装备集团科研开发基金(EJ11-8012)作者简介：韩喆(1983-)，男，高级工程师，主要从事雷达总体和信号处理方向研究通信作者：李悰(1984-)，男，高级工程师，主要从事雷达总体和信号处理方向研究E-mail:第37卷 第2期2023年4月空 天 预 警 研 究 学 报Journal of Air&Space Early Warning ResearchVol.37 No.2Apr.2023典型城市建筑材料的L波段电磁衰减特性研究韩喆，孙斌，李悰（中国兵器装备集团 武汉滨湖电子有限责任公司，武汉 430000）摘要：针对隔墙探测雷达的实际应用需求，研究了三种常见墙体对12GHz电磁波的衰减特性利用电磁波理论，仿真分析了这三种常见墙体的穿墙衰减特性；在微波暗室和隔墙情况下分别测试了电磁波的衰减，得到电磁波穿墙后的衰减值实测结果表明，仿真结果和实测结果的衰减趋势基本一致；蒸压灰砂砖墙的电磁波衰减能力在三种常见墙体中最强，达到每厘米厚度衰减0.5101.081dB关键词：隔墙探测雷达；电磁波衰减；穿墙；蒸压灰砂砖墙中图分类号：TN011；TN957.2文献标识码：A文章编号：2097-180X(2023)02-0140-04隔墙探测雷达是一种可以穿透障碍物确定其后是否存在生命体的雷达，目前被广泛应用于消防救灾和反恐防暴等行动中隔墙探测雷达的主要工作频段为 L 波段，其穿透性能是一个非常重要的能力各种建筑材料的最大可穿透厚度是衡量隔墙探测雷达穿透性能优劣的主要指标因此，研究电磁波对典型墙体的穿透性能对隔墙探测雷达的研制有重要意义关于电磁波对墙体的穿透性能，文献1-2使用高功率微波源(L、S、C、X 波段各一个频点)对混凝土、钢筋网和钢纤维的屏蔽效能进行了实测试验和时域有限差分法(FDTD)仿真，文献3实测了电磁波(28GHz)穿透粘土砖墙的衰减特性，文献4运用FDTD理论计算了通信信号(300MHz)穿透素混凝土墙和钢筋混凝土墙时的衰减上述研究对象主要集中在粘土砖墙、钢筋网、素混凝土以及钢筋混凝土，对其他常见建筑材料涉及较少，特别是对于蒸压灰砂砖这种大量运用在我国城市建筑中的新型建筑材料少有研究在我国城市环境中使用时，隔墙探测雷达主要需穿透的墙体为粘土砖墙、蒸压灰砂砖墙和钢筋混凝土墙因此，本文研究了 12GHz 范围内的电磁波对上述墙体的穿透性能利用平面电磁波理论仿真计算了上述墙体的衰减特性；通过试验实测了电磁波穿墙后的衰减数值，将实测结果和仿真结果进行了对比分析；最后得到电磁波穿墙后衰减随频率变化的曲线和上述墙体每厘米厚度对电磁波的衰减能力，可为隔墙探测雷达的研发提供基础支撑1墙体特征描述针对隔墙探测雷达所面临的特殊应用环境，选择实心粘土砖墙、蒸压灰砂砖墙、钢筋混凝土墙等 3 种类型墙体作为研究对象实心粘土砖墙即为常见红砖墙蒸压灰砂砖墙是以蒸压灰砂砖为主砌成的砖混墙，蒸压灰砂砖是以砂、石灰为主要原料，经坯料制备，压制成型、蒸压养护而成的实心砖，一般称灰砖钢筋混凝土墙即为框架结构中的承重墙，其内部以钢筋作为骨架，浇注混凝土而成上述 3 种墙体在城市建筑中大量应用，尤其是蒸压灰砂砖，作为新型环保材料，已经大量运用在各种高层建筑蒸压灰砂砖在结构上具有很多微小空隙，构成成分也相对复杂，对其衰减特性，目前尚未有公开文献进行研究3 种试验用墙体的具体参数如下：粘土砖墙(墙体)：40.5 cm 粘土砖墙(砖厚 37 cm，两侧外表面各有 1.75cm 厚水泥)，墙体尺寸(宽高)为15.4m3.5m；蒸压灰砂砖墙(墙体)：21cm蒸压灰砂砖墙(砖厚 19 cm，两侧外表面各有 1 cm 厚水泥)，墙体尺寸(宽高)为 26.3m13.2m；钢筋混凝土墙(墙体)：53cm钢筋混凝土墙，该墙布有钢筋，纵向钢筋间距为 20 cm，箍筋间距为 15 cm，墙体尺寸(宽高)为 11.6m15.8m3 种试验用墙体本身为建筑物外墙，整个建筑为封闭结构，因此可忽略电磁波绕射影响DOI:10.3969/j.issn.2097-180X.2023.02.012第2期韩喆，等：典型城市建筑材料的L波段电磁衰减特性研究1412理论模型当电磁波的传播介质为理想介质时，电场在一个周期中的储能和放能相等，损耗为 0然而除真空以外，任何介质都存在损耗本文研究对象为墙体，其衰减能力主要由其本身性质，即介电常数决定墙体的介电常数表示为=-j(1)非理想传播介质的介电常数一般为虚数，包含实部和虚部，虚部与实部的比值称为损耗角正切当为导电损耗媒介时，虚部取值为=/(2)式中，为介质的电导率，为角频率电磁波穿透墙体时，穿墙衰减主要包括电磁波由介质进入墙体的反射损耗和墙体介质内的电磁波传输损耗组成2.1反射损耗电磁波穿透不同介质时，会发生反射和折射现象考虑水平极化波，设电磁波从介质 l 入射到介质 2，两种介质的磁导率和介电常数参数分别为1、1和2、2根据平面电磁波理论，水平极化波垂直入射两种导电媒质分界面时，其反射系数和透射系数5分别为=(1-2)/(1+2)(3)=22/(1+2)(4)式中1、2分别为电磁波在介质 1 和介质 2 内的波阻抗，其表达式为i=(i/i)1/2/(1-j/)1/2i=12(5)由式(3)式(5)可知，当两种材质越接近，其波阻抗越接近，此时反射系数接近于 0，基本不发生反射反之，差异越大，电磁波将越接近全反射功率反射系数 R 和功率传输系数 T 为R=|2 T=1-R(6)2.2传输损耗考虑损耗介质中的均匀平面波，线极化波在均匀无界有耗导电介质中的传播系数为=+j(7)式中，为相移常数，表示每单位距离滞后的相位；计算公式6为=(1+(/)2)1/2-1)/21/2(8)是每单位距离衰减程度的系数，称为电磁波的衰减系数(单位为 Np/m，1Np/m=8.686dB/m)的数值与传播介质的磁导率、介电常数及损耗角正切/有关，同时随电磁波频率的上升而增大均匀平面波沿有耗介质表面垂直入射时，沿 z 轴方向传播的电场可表示6为=me-z=me-(+j)z(9)式中，m为电磁波入射时刻的初始电场由上述公式可见，电场能量以因子e-(+j)z随传播距离 z 的增加而减少，衰减量与介质的本身属性(介电常数、磁导率等)有关，并且随电磁波频率的上升而迅速上升2.3仿真分析根据文献5-7对墙体材料的参数统计，砖、水泥、混凝土对应相对介电常数为 4.5、5.5、6.5，损耗角正切为0.01、0.02、0.05根据文献1,8-10，钢筋混凝土的介电常数和损耗角正切分别设为8.0 和 0.10蒸压灰砂砖相关电参数资料较少，其主要以砂(约占比 90%)、石灰(接近 10%)构成，砂为矿渣的磨碎物比照砖、水泥、混凝土、钢筋混凝土等几种材料的参数，将蒸压灰砂砖相对介电常数设为 5.5，损耗角正切设为 0.10 进行计算假设墙体均为非磁性材料，相对磁导率为 1对 3 种试验墙体进行仿真由于前 2 种墙体两侧表面均存在水泥层，因此需要首先考虑电磁波在穿透墙体中不同材料时发生的多次反射和透射试验墙体主要包含从空气入射水泥表层、从水泥表层入射粘土砖、从粘土砖入射水泥表层，从水泥表层入射空气；试验墙体主要包含从空气入射水泥表层、从水泥表层入射蒸压灰砂砖、从蒸压灰砂砖入射水泥表层，从水泥表层入射空气；试验墙体主要包含从空气入射钢筋混凝土，从钢筋混凝土入射空气依据组成墙体各个材料的相对介电常数、损耗角正切以及磁导率分别计算在不同介质传播时的功率传输系数，其结果如表 1 所示表 1不同材料的功率传输系数序号1234介质 1空气水泥水泥空气介质 2水泥粘土砖蒸压灰砂砖钢筋混凝土功率传输系数0.83820.99750.99960.7704分别计算粘土砖、水泥、蒸压灰砂砖、钢筋混凝土等 4 种材料的电磁波衰减系数，结果如图1(a)所示根据电磁波穿透试验墙体各个不同组成部分时发生的多次反射损耗得到其总的功率传输系数，依据每种试验墙体中各个组成部分的厚度计算得到电磁波在试验墙体中的传播衰减，将其汇总得到电磁波穿透 3 种试验墙体的衰减仿真结果，如图 1(b)所示空 天 预 警 研 究 学 报2023年142 01 02 03 04 05 06 0衰减系数/(d B/m)1.21.41.61.82.0频率/G H z1.0粘土砖水泥蒸压灰砂砖钢筋混凝土(a)4 种材料的电磁波衰减系数051 01 52 02 53 0穿墙衰减/d B 1.21.41.61.82.0频率/G H z1.04 0.5 c m 粘土砖2 1.0 c m 蒸压灰砂砖5 3.0 c m 钢筋混凝土(b)3 种试验墙体的穿墙衰减图 1衰减系数和穿墙衰减的仿真结果3电磁波穿墙衰减试验及分析3.1试验方法穿墙衰减试验布局如图 2 所示发射天线和接收天线为相同喇叭天线，天线辐射口面尺寸380mm280mm在 12GHz 频段范围内，最大远场间距要求为1.92m试验时两天线间距 2m，满足远场条件，高度一致且馈电中心对齐使用矢量网络分析仪连接发射和接收天线，使用其扫频功能实现 1 2GHz 范围内的电磁波的发射接收发射天线接收天线试验墙体网络分析仪2 m图 2穿墙衰减试验布局整个试验分为 2 个步骤：测试没有墙体时接收天线接收到的信号功率P1为保证测试结果尽量不受环境因素的干扰，选择在微波暗室中进行试验测试有墙体时接收天线接收到的信号功率P2，测试选择在试验墙体所在环境中进行依旧保持同样的天线间距、高度，使天线发射的电磁波垂直入射墙体为减少环境因素影响，在地面铺设吸波材料运用网络分析仪读取接收天线接收到的信号功率P2P2与P1间的差值即为墙体衰减：L(dB)=10lg(P2/P1)(10)3.2试验结果和分析采用前述试验方案，分别对 3 种试验墙体进行了实测，得到其在 12GHz 频率范围内单程穿墙衰减损耗值(取均值)，如图 3 所示各墙体衰减范围如表 2 所示051 01 52 02 53 03 5穿墙衰减/d B 1.21.41.61.82.0频率/G H z1.0实测值4 0.5 c m 粘土砖墙2 1.0 c m 蒸压灰砂砖墙5 3.0 c m 钢筋混凝土墙仿真值4 0.5 c m 粘土砖墙2 1.0 c m 蒸压灰砂砖墙5 3.0 c m 钢筋混凝土墙图 3穿墙衰减的实测和仿真结果表 2实测和仿真穿墙衰减范围试验墙体粘土砖墙蒸压灰砂砖墙钢筋混凝土墙厚度/cm40.521.053.0实测衰减值/dB0.15.510.722.714.534.6仿真衰减值/dB2.43.35.79.815.929.5由图3可发现，实测数据与仿真数据在40.5cm粘土砖墙、53.0cm 钢筋混凝土墙上较吻合对于21.0 cm 蒸压灰砂砖墙，其仿真结果与实测结果相差较大，在 2GHz 频点处，实测衰减值比仿真值大 12.7dB经过分析认为，该现象是仿真时对蒸压灰砂砖的相对介电常数假设偏低导致由于蒸压灰砂砖的主要构成材料为矿石渣，根据公开资料，矿石的相对介电常数位于 25 30 范围内，因此将其相对介电常数重新设定为 25 后仿真，结果如图 4 所示由图 4 可知，实测值与仿真值可较好吻合1.21.41.61.82.01 01 21 41 61 82 02 22 4频率/G H z衰减/d B 仿真值实测值1.0图 4蒸压灰砂砖墙穿墙衰减的仿真与实测数据对比为准确评估各墙体实际的衰减情况，将数据转化为单位距离穿墙的衰减值，如表 3 所示表 3单位距离穿墙衰减范围试验墙体粘土砖墙蒸压灰砂砖墙钢筋混凝土墙厚度/cm40.521.053.0实测每厘米衰减值/(dB/cm)0.0020.1360.5101.0810.2740.653仿真每厘米衰减值/(dB/cm)0.0590.0810.5550.9610.3000.557第2期韩喆，等：典型城市建筑材料的L波段电磁衰减特性研究143由表 3 可知，蒸压灰砂砖墙是 3 种墙体中单位距离衰减能力最强的墙体，而粘土砖墙的衰减能力最小，钢筋混凝土墙体的单位距离衰减能力介于两者之间4结论1)研究了 12GHz 电磁波对粘土砖墙、蒸压灰砂砖墙和钢筋混凝土墙的穿透特性，利用平面电磁波理论进行了穿墙衰减仿真；通过试验测试了穿墙后的衰减值，对仿真数据与实测数据进行了对比分析2)仿真数据和实测数据的基本趋势一致，电磁波衰减值随着频率增大而增大在准确知道墙体各组成部分材料的介电常数、损耗角正切、磁导率以及各部分材料厚度前提下，可以通过仿真获得较准确的穿墙衰减数值3)实测结果表明，在 12GHz 范围内，粘土砖墙的穿墙衰减在 0.0020.136dB/cm，钢筋混凝土墙的穿墙衰减在 0.2740.653dB/cm，蒸压灰砂砖墙的穿墙衰减在 0.5101.081dB/cm4)按照每单位距离穿墙衰减数值来衡量 3种墙体对电磁波的衰减能力，蒸压灰砂砖墙的衰减能力最强，并且其广泛作为非承重墙的主要材料大量运用在新建城市建筑中，需要在隔墙探测雷达的研制工作中引起足够重视参考文献：1刘锋,吕昕,李跃波,等.钢筋混凝土层对高功率微波的衰减特性研究J.电波科学学报,2014,29(1):35-39.2刘锋,吕昕,李跃波,等.钢筋网对高功率微波衰减特性的影响J.强激光与粒子束,2012,24(11):2713-2717.3王弘刚,张存波,张建德.实心砖墙对电磁波的衰减特性J.强激光与粒子束,2013,25(9):2373-2377.4张月霞,陈行,张玉宣.消防应急通信网络电磁波穿透特性分析J.测控技术,2018,37(3):59-62.5曾昭发,刘四新,王者江,等.探地雷达方法原理及应用M.北京:科学出版社,2006:41-42.6谢处方,饶克谨.电磁场与电磁波M.北京:人民教育出版社,1981:271-275.7郭山红,孙锦涛,谢仁宏,等.电磁波穿透墙体的衰减特性J.强激光与粒子束,2009,21(1):113-117.8张恒伟,冯恩信,张亦希,等.建筑墙体对电磁脉冲响应的FDTD分析J.强激光与粒子束,2007,19(3):443-448.9易韵,陈彬,高成,等.钢筋混凝土层对高功率电磁环境的屏蔽效能研究J.微波学报,2002,18(3):52-58.10 周璧华,陈彬,高成,等.钢筋网及钢筋混凝土电磁脉冲屏蔽效能研究J.电波科学学报,2000,15(3):251-259.Study on L-band electromagnetic attenuation characteristicsof typical urban building materialsHAN Zhe,SUN Bin,LI Cong(Wuhan Binhu Electronics Co.,Ltd.,China South Industries Group,Wuhan 430000,China)Abstract：According to the practical application requirements of through-wall detection radar,this papermakes a study on the attenuation characteristics of three common walls to 1-2GHz electromagnetic wave.Firstly,electromagnetic wave theory is used to simulate and analyze the through-wall attenuation characteristics of thesethree types of common walls.And then,the attenuation of electromagnetic wave is measured in the case of micro-wave darkroom and separating walls,respectively,and the attenuation value of electromagnetic wave passingthrough the walls is obtained.The measured results show that the attenuation trend of the simulation results is basi-cally consistent with that of the measured results,and that the electromagnetic wave attenuation capacity of auto-claved lime sand brick wall is the strongest among the three types of common walls,reaching the attenuation of0.510-1.081dB per centimeter thickness.Key words：through-wall detection radar；electromagnetic wave attenuation；through-wall；autoclaved limesand brick wall