（通信与信息系统专业论文）单模辐射型超宽频带泄漏同轴电缆的研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 泄漏同轴电缆由于具有信号覆盖均匀、无言区、低耦合损耗等优点，因 此比普通天线更适合用于矿山、地铁、隧道或建筑物等闭域空间。随着移动 通信的迅速发展，如何在闭域区间为各种制式的通信系统提供信号覆盖就成 为一个亟待解决的问题，为此就需要一种工作频带能覆盖各种频带的超宽频 带泄漏同轴电缆，从而在闭域空间提供双工无隙通信。 本文从泄漏同轴电缆的工作原理出发，首先介绍了泄漏同轴电缆的物理 结构和参数指标，讨论了影响参数指标的因素。然后从结构上进行辐射原理 的探讨，分析其辐射模式，介绍了什么是单模辐射及单模辐射的优点。在此 基础之上，讨论了如何扩展单模辐射的带宽，探讨了一种扩展八字开槽泄漏 同轴电缆带宽的方法，为泄漏同轴电缆用于超宽频带通信提供了一种可实践 的途径，该结论对于设计应用于超宽频带通信的泄漏同轴电缆有着重要意义。 然后，本文还分别讨论了泄漏同轴电缆的辐射方向、径向辐射距离，最后讨 论了工作频段中存在的谐振点。这些都是设计超宽频带泄漏同轴电缆时需要 考虑的问题。 关键词：泄漏同轴电缆；单模辐射；超宽频带；耦合损耗：闭域区问 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t l e a k y c o a x i a lc a b l ei sm o l es u i t e dt h a nc o l n l n o l la l l t c n n 罄w h e ni ti su s e di n t h eb l i n dz o n e ss u c h 鹤m i n e s ，s u b w a y , t u n n e la n db u i l d i n g s ，s i n c ei th a ss h o w n i t st r e m e n d o u sa d v a n t a g e so v e i c o m m o na n t e n n a s , s u c h 鹪t m i f o r ms i g n a l 1 0 w c o u p l i n gl o s sa n d s oo n w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n , w en e e dt os u p p l ys i g i l a le o v e r a g ef o ra l lk i n d so fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m si n b l i n dz o l 3 船a n dt h i sc x ：e a t e $ ap r o b l e mf o rw h i c h , w eh a v et ot i t l dt h es o l u t i o n i m m e d i a t e 琅s ow en e e d 盘n e wt y p eo fl e a l 叮c o a x i a lc a b l ew h o s eo p e 幽l g f r e q u e n c yb a n ds h o u l db ew i d l ：e , 1 0 u g hf o rt h ed u p l e xc o n t i n u o u sc o m m u n i c a t i o ni n t h eb l i n dz o n e s s t a r t i n gf r o mt h eo p e r d i i n gp r i n c i p l eo fl e v yc o a x i a lc a b l e ( l c xi ns h o r t h e r e i n a f t e r ) t h ep a p e ri n t r o d u c e sl c x sp h y s i c a ls t r u c t u r ea n dp a r a m e t e r sa n d d i s c u s s e st h e 自c t o 璐t h a tw o u l di n f l u e n c e si t sp a r a m e t e r s a f t e rt l l 越i td i s c u s s e s t h er a d i a t i o np r i n c i p l eo f l c xb a s e do ni t ss t r u c t u r e ，a n a l y s e si t sr a d i a t i o nm o d e l s a n de x p l a i n sw h a ti ss i n g l em o d e ! r a d i a t i o na n di t sa d v a n t a g e s b a s e do n t h a lt h e p a p e rd i s c u s s e sh o w t oe x p a n dt h es i n g l em o d er a d i a t i o nb a n do f l c xa n ds t u d i e s am e t h o do fe x p a n d i n gt h eb a n d w i d t ho ft h el c xw i t hi n c l i n e ds l o t s ，w h i c h w o u l d s u p p l y ap r a c t i c a l a p p r o a c h o f a p p l y i n gl c xi n u l t r aw i c i e - b a n d c o m m u n i c a t i o n t h ec o n c l u s i o n sw ep r e s e n ti nt h i sp a p e ri ss i g n i f i c a n tf o rt h e d e s i g na n du s eo fl c xa p p l i e dt ou l t r aw i c l e b a n dc o m m u n i c a t i o n f i n a l l y , t i l e p a p e rd i s c u s s e s t h el c x sr a d i a t i n gd i r e c t i o n , r a d i a lr a d i a t i o nd i s t a n c ea n d r e s o n a n tp o i n t so ft h ew o r k i n gf r e q u e n c yb a n d , w h i e l as h o u l db ee o n s i d e r a t e d c a r e f u l l yw h e nw ed e s i g nt h el c xu s e df o ru l t r aw i d e - b a n dc o m m u n i e a t i o n k e yw o r d s ：l e a k yc o a x i a lc a b l e , s i n g l em o d e lr a d i a t i o n , u l t r aw i d e - b a n d , c o u p l i n gl o s s ，b l i n dz o n e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中己 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 。章绪论 1 1 泄漏同轴电缆的简介 泄漏同轴电缆( l e a k yc o a x i a lc a b l e ) 也叫连续天线，通常简称l c x ，是 一种配置连续缝隙天线阵的馈电线。它是根据特定的电磁理论，在同轴电缆 的外导体表面上按照一定的规律周期性或非周期性配置一系列的开槽口，每 个开槽口都相当于一个电磁波辐射源，沿着其垂直方向可以辐射具有均匀稳 定电磁场的电波。泄漏同轴电缆同时具有传输线和辐射天线的双重特性，所 以它不仅能沿着其轴向传输电信号，还能沿着其径向辐射电磁波。辐射出的 电磁波能被它周围的接收天线接收。相反，由移动发射机发射的信号也可以 发送给泄漏同轴电缆，然后传送到固定接收机，从而可以实现与外部空间的 全方位双工无隙通信。 泄漏同轴电缆具有信号覆盖均匀、低耦合损耗、容易安装和改变通信线 路、很少污染环境等优点，因此在许多无线通信无法实现的场合或外界传播 条件非常恶劣的情况下，泄漏同轴电缆仍可实现自由通信。因此它被广泛地 应用于地铁、隧道、地下商场、矿井等闭域空间，可以说是具有广泛的应用 前景l l 】。 1 2 泄漏同轴电缆的国内外发展现状脚 泄漏同轴电缆最初是由英国人于1 9 4 8 年提出来的。2 0 世纪6 0 年代以后， 伴随着电子信息技术的不断发展，在欧、美、日等国家和地区相继研制成功， 直至今日它已成为矿井、隧道通信的一枝独秀。 从国内外研究和应用现状来看，自2 0 世纪六、七十年代，国外( 美国、 日本、德国等) 就已经开始了泄漏同轴电缆的开发和研制工作，并相继生产 出军民两用系列产品，广泛应用子闭域或半闭域空间移动无线通信，带来了 巨大的经济效益和社会效益。 日本在六十年代研制成功了颇具特色的八字形开槽口的泄漏同轴电缆， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 并大量应用于日本的地下设施和山区铁路，以解决这些区域的通信问题。其 中较具特色的是三菱电线工业株式会社最近研制的1 5 0 y - - 9 0 0 m h z 的泄漏同 轴电缆。德国对泄漏电缆的研制也经历了一个较长过程，通过改变外导体开 槽方式，他们研制生产了多种泄漏同轴电缆。a e gk a b e l 公司最新研制了一 种超宽频带的泄漏同轴电缆，该电缆具有较宽频带( 8 0 舭- 9 6 伽) ，衰减小、 耦合损耗小、辐射电场均匀等特点。该类宽频带泄漏电缆采用竹节式绝缘结 构，使介电常数降至1 2 一1 3 ，因而大大降低了电缆衰减。电缆外导体的开 槽方式较为新颖独特，通过数学计算，在一个周期内把许多狭长槽口排列于 不同位置，可以得到在8 0 9 h z 、1 5 0 姗z 、4 5 0 唧z 、9 0 0 姗z 工作频带内均匀辐 射的电磁信号，而且辐射信号较强，郎祸合损耗较小。美国a n d r e w 公司也研 制出工作频率分别为1 5 0 唧z 、4 5 0 姗z 、9 0 0 唧z 、1 7 0 0 姗z 的泄漏同轴电缆。 我国的信息产业部第二十三研究所从七十年代开始研制、生产泄漏同轴 电缆，至今已经研制了一系列不同型号、规格的泄漏同轴电缆。特别是宽频 带泄漏同轴电缆的应用更为广泛，已有好几百公里宽频带泄漏同轴电缆应用 于我国部分地铁、铁路、隧道等场所。但这些宽频带泄漏同轴电缆目前仅有 1 5 0 m h z 、4 5 0 m h z 两个工作频段。随着我国9 0 0 m h z 蜂窝状移动通信的日益发 展以及未来3 g 通信的需求，要求泄潺电缆的工作频率也能拓宽到9 0 0 m h z 甚 至更高频率，以利用泄漏同轴电缆把地面上的移动通信延伸到地下。目前该 所科研人员也正研制这种超宽频带的泄漏同轴电缆。此外，焦作铁路电缆工 厂进行了大量辐射型泄漏同轴电缆的生产制造，并且已经大量地应用于我国 的铁路系统以及国外市场。另外，大唐电信科技股份有限公司、江苏亨鑫和 珠海汉胜等单位对泄漏同轴电缆在移动通信领域中的应用也进行了理论和技 术上的研究。 1 3 泄漏同轴电缆的应用 1 3 1 在闭域区间通信中的应用 在坑道、隧道、煤矿井等诸如此类的闭域空间中，一股有较多的拐弯处， 2 哈尔滨工程大学硬士学位论文 内部构造比较复杂，内壁比较粗糙，对电磁波有隔断、反射和吸收作用，使 无线电信号难以传播或信号传播距离很难到达要求。泄漏同轴电缆恰巧是最 有效的解决方法。当泄漏同轴电缆沿坑道、隧道、矿井敷设后，这些地方就 充满了泄漏出来的电磁波，其周围的无线接收机就可以接收到外部传来的信 息，同时也可以用另一条泄漏同轴电缆向外传送信号，这样就保证了通信畅 通，对保证井下安全有重大意义。在这方面应用的例子很多，如我国北京地 铁就敷设了泄漏电缆，一些煤矿井下也敷设了这种电缆；在国外比较典型的 应用如英吉利海峡海底隧道中敷设了2 5 0 公里的辐射泄漏电缆。 1 3 2 在移动通信中的应用 随着通信技术的发展，各种新型通信业务的日益增多，在高楼、大厦、 船舶或屏蔽很好的核电厂内部。无线电不能自由传播，难以实现移动无线通 信，必须采用泄漏同轴电缆来构成移动通信系统。同样在展览大厅、大会会 场敷设泄漏电缆后，就可以使用无绳电话进行通信，方便灵活。 1 3 3 频域覆盖和区域监护 由于泄漏电缆的电磁波信号只分布在相对有限的范围内，可以减少日益 严重的电磁波污染。利用泄漏电缆可以对一些区域进行电磁波覆盖或监控保 护。如珍贵自然资源保护区、军事要塞、博物馆等。 采用泄漏电缆作为传感器的导波雷达是防止罪犯的有效手段，可构成安 全可靠的防盗防入侵的报警系统。在电缆沿线周围空间产生电磁场分布，当 电缆沿线出现入侵者，就会改变电场分布，经识别判断，然后做出报警 3 1 。 1 4 本课题的现实意义 目前铁路正在大幅度提速，需要将沿途的信息及时、准确、快捷地传递 到列车司机、控制中心等，这就须通过泄漏同轴电缆通信系统来实现，以泄 漏同轴电缆组成的无线列车调度系统是提高运输效率和安全行车的重要保 证。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 另外，随着个人移动通信业务的迅速发展，如何在地铁、地下商场、隧 道等诸如此类的闭域空间提供个人移动通信业务也成为亟带解决的问题。而 我国几大移动通信运营商使用的各种制式( 包括g s m ，c d 姒，p a s 等) ，分配 的频段各不相同，目前在这些场合所采用的方式大致有两种，一种是在隧道 口附近用普通的天线向隧道里进行覆盖。但是此方式只能解决较短隧道的覆 盖，在解决长隧道覆盖时效果不好。第二种是采用分布式天线，分布式定向 天线覆盖隧道方式的优点在于成本相对较低，但使用受到较大限制： ( 1 ) 定向天线一般应用于窄带系统，不能适用于宽频带、多业务系统， 不能发挥合路平台的作用； ( 2 ) 在隧道内安装和维护定向天线的难度大； ( 3 ) 信号强度分布不均匀； ( 4 ) 在隧道转弯路段，需要增加天线； ( 5 ) 易受车辆遮挡影响，当列车通过时，有瞬间快衰落。 因此现在有人提出使用泄漏同轴电缆来取代以上两种方式。因为采用泄 漏同轴电缆将不存在上述两种问题。使用泄漏电缆虽然价格较高，但优势很 明显： ( 1 ) 泄漏同轴电缆本质上是宽带系统，可以与合路平台联合使用，多种 移动通信系统、多电信运营商可共享一条电缆； ( 2 ) 不受隧道弯道的影响； ( 3 ) 隧道内信号强度均匀，波动范围小； ( 4 ) 最大限度地减小信号遮挡，降低列车经过时快衰落的影响。 但是若采用泄漏电缆，以目前的条件，则需要为各频段的通信方式分别 铺设条泄漏电缆，但是这样傲不仅造价高，难度大，维护不便，更重要的 是各电缆的辐射电波还会相互干扰，严重影响通信质量。在此基础上，若麓 设计出一种能覆盖上述所有频段的超宽频带泄漏电缆，则上述的各种问题便 不复存在了。 4 哈尔溟工程大学硕士学位论文 第2 章泄漏同轴电缆的基本理论 2 1 泄漏同轴电缆的结构 2 1 1 泄漏同轴电缆的物理结构 泄漏同轴电缆的外观和射频同轴电缆完全一样，在内部结构上有两个特 点：芯线是单根的；外导体上存在均匀分布的开槽口。其结构简图如下 图2 - 1 所示 4 1 。 内 图2 - i 泄漏同轴电缆的结构简图 其剖面结构图如下图2 2 所示。 图2 - 2 泄漏同轴电缆的剖面图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 泄漏同轴电缆具有同轴设计，它由一根中心导体、一个同心的绝缘介质、 一根包着介质的外导体和一个热塑性护套所组成，特性阻抗一般为5 0o 或 7 5 q 。如图2 - i 所示，泄漏周轴电缆内导体通常为铜管、皱纹铜管或镀铜铝 线，以减轻重量。外导体通常为皱纹铜管，其电导率为口，它与电缆的导体 损耗有关。内外导体闯填充绝缘介质，通常选取泡沫聚乙烯为介质，其介电 常数为占，它与电缆内电波的波速和电缆的介质损耗有关，并直接决定泄漏 同轴电缆的电气特性。护套的材料通常为黑色高密度聚乙烯，灰色无卤防火 热缩性塑料或黑色无卤防火热缩性塑料，材料的选取直接决定了低烟、阻燃、 防紫外线、防腐、最低安装温度等特性。 2 2 泄漏同轴电缆的重要参数指标 5 1 我们设计泄漏同轴电缆时需要考虑各项电气特性指标，泄漏同轴电缆的 主要电气性能指标有：频率范围、特性阻抗、耦合损耗、传输衰减、总损耗 的动态范围、驻波比、传输时延。主要物理性能指标有：绝缘电阻、绝缘介 质强度( 耐压) 、阻燃和烟毒性能、抗扭力和弯曲性能、密封性等等。 电缆的内外导体、介质和护套的材料和物理结构及其工艺决定了电缆的 电性气能和物理性能，而泄漏同轴电缆外导体上的槽孔结构( 槽孔形状、槽 孔大小、排列密度、排列方式) 决定了电缆内电磁能量和外部环境的交互方 式，因而将影响电缆几乎所有的电气性能指标。 前面已经介绍，泄漏同轴电缆类似于传输线和天线的组合体，用途是增 强沿线的场强覆盖。对无线系统而言，至关重要的是泄漏电缆的总损耗指标 ( 电缆的纵向传输衰减与横向耦合损耗之和) ，选取最小的系统损耗以使服务 距离最远是系统设计的目标，可以说这是泄漏同轴电缆设计的关键指标之一， 因此下面我们将主要讨论这个特性指标。 泄漏同轴电缆与一般的射频电缆的不同之处在于其外导体上开有一些槽 孔，将一部分电磁能量“输出”到外部空间，因此为了计算电缆的耦合损耗 和传输衰减，必须建立其与槽孔参数( 形状、尺寸、方向、周期) 的关系。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 1 泄漏同轴电缆的系统损耗 泄漏同轴电缆的系统损耗是通信链路设计的依据，它定义为电缆传输损 耗与耦合损耗之和，可以用下式表示： 厶= l + c t l( 2 - 1 ) 式中l 为耦合损耗，口为传输衰减，为电缆的总长度。泄漏同轴电缆 的总损耗不得超过系统损耗( 发射功率与接收机灵敏度之差) 。 2 2 2 耦合损耗 6 1 泄漏同轴电缆的耦合损耗描述的是电缆外部因耦合产生且被外界天线接 收的能量大小的指标，是区别于其他射频电缆的唯一指标，它决定了电波的 覆盖范围，是泄漏同轴电缆设计的关键指标之一。耦合损耗的定义为： 厶= - l o l g ( p , p t ) ( 2 - 2 ) 式中所为距离电缆1 5 m ( 2 m 或6 m ) 标准半波长偶极子天线接收到的功率， 易为与天线正对处电缆中传输的功率。测试点和电缆的距离决定了耦合损耗 的大小。在讨论整根电缆时，又将整根电缆的耦合损耗定义如下 7 1 ： 1 ) 以5 0 概率定义的耦合损耗，即测试点耦合损耗的数据有5 0 d 、于 或者说好于定义值，一般记为厶。 2 ) 以9 5 概率定义的耦合损耗，即测试点耦合损耗的数据有9 5 d , 于 或者说好于定义值，一般记为厶。 耦合损耗的求解需要先解决如下两个问题：外导体槽孔口面的电磁场 分布；槽孔的辐射场。 问题的求解有两条比较严格的途径；乱首先解出同轴电缆中的第二类 并矢格林函数，由此求得电缆外导体上等效磁流源在电缆内部的辐射场，再 利用它与等效源在外部产生的场以及电缆内部原有场( 未开槽时电缆内部的 场) 在槽口面上的精确场分布，现有文献资料还没有看到同轴电缆中第二类 并矢格林函数的表达式；b 直接从电磁波辐射的基本概念出发，采用适当的 坐标系，构造恰当的吸收边界条件，采用时域有限差分法( f 啪) ，利用数 哈尔滨工程大学硕士学位论文 值方法求解槽口面的精确场分布。 问题的求解则相对轻松一些，基本途径也有两条：乱直接采用圆柱坐 标系中的第二类并矢格林函数积分槽口面的场分布得到辐射场；b 用数值变 换的方法，将由f d t d 求得的槽口面上的场分布变换到远区而得到辐射场。 只要求得槽口面的场分布以及空间的分布，泄漏同轴电缆藕合损耗的一 系列问题就可以得到较严格的求解。 现有的理论模型已经建立在使问题得以简化的诸多假设基础之上，但由 于实际情况的复杂性，我们还是无法得到解析解，这也是许多文献报道的有 关泄漏同轴电缆耦合损耗的结果大多都是从实验研究得到的原因。 自k a m es y c e 在1 9 6 6 年提出f d t d ( 时域有限差分法) 以来，f d t d 发展迅速，获得广泛的应用。f d t d 以y 元胞为空间电磁场离散单元，将 麦克斯韦旋度方程转化为差分方程，表达简明，容易理解，结合计算机技术 能处理十分复杂的电磁问题。f d t d 在时间轴上逐步推进地求解，有很好的 稳定性和收敛性，因而倍受重视。 m a t l a b 是世界公认的标准计算软件，在国际上3 0 多个数学类科技软件 应用中独占鳌头。m a d a b 软件拥有强大的数值计算能力和友好的交互界面， 能够解决各种科学和工程问题。另外，m a t l a b 软件具有极好的开放性，提供 了专门的应用程序接口，通过它可以完成与其它编程环境的交互。 将f d t d 和m a t l a b 两者的优势有效地结合起来，可以将算法迅速程序化， 这样研究者将主要精力放在研究对象和f d t d 上，而只需花费少量的时间在 程序上。通过以上方法，就可以在m a t l a b 平台上得到泄漏同轴电缆耦合损耗 的结果f 8 l 。 。 2 2 3 耦合损耗的影响因素 下面讨论垂直缝隙的开槽角度口、开槽周期p 、频率等因素对泄漏同 轴电缆耦合损耗的影响。本文将各参数设为口= 6 m m , b = 1 6 m m , e = 2 5 ， l = 4 0 m ，天线与泄漏同轴电缆距离为2 m 。首先讨论在f = 9 0 0 m h z , p = 1 2 m 8 晗尔_ i 冥工程大学硕士学位论文 时耦合损耗随开槽角度的变化情况。图2 3 中自上而下的三条曲线分别对应 口= 3 0 。，酊，9 0 的情况，从图中可以看出，耦合损耗沿电缆轴向呈周期性变化， 而且缝隙角度越大，耦合损耗越小。这说明增大开缝角度以后，泄漏同轴电 缆向外辐射的能量增多了，电波在周围空间的覆盖范围会增大。 图2 3 耦合损耗与缝隙角度的关系 图2 4 为f = 9 0 0 m h z , c c = 9 0 0 对藕合损耗随缝隙周期的交化示意图。从图 中可以看出缝隙周期越小，耦合损耗越小，而且周期性越明显。 ( a ) p = - i 5 m( ”p = - i i m 图2 4 耦合损耗与缝隙周期的关系 图2 5 为耦合损耗随频率的变化示意图。由图2 5 可见，频率越高，耦 合损耗越小，所以泄漏同轴电缆通常使用在较高的频段。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( a ) ；9 0 0 m h z ( b ) = 1 8 g i - l z 图2 - 5 藕合损耗与频率的关系 若缝隙与轴向不垂直时，缝隙口面的电场分布会出现径向分量e 。，因此 倾斜开槽的缝隙口面的电场分布将更加复杂，这里暂不讨论倾斜开槽的泄漏 同轴电缆的耦合损耗，但是其影响因素与垂直开槽是相同的。 2 ，2 4 泄漏同轴电缆传输衰减的组成f g 与耦合损耗相比，传输衰减则是更多地依赖电缆绝缘介质的等效介电常 数。绝缘介质的等效介电常数又决定于介质的占空比。占空比越小，则等效 介电常数越小，泄漏同轴电缆的传输衰减也越小。因此，在绝缘介质结构上 以减小等效介电常数为目的，通常采用绝缘层物理发泡的方法。 泄漏同轴电缆的传输衰减是描述电缆内部所传输电磁能量损失程度的重 要指标，通常由导体衰减、介质衰减和辐射衰减三部分组成，可表示如下： 口= + a d + 嘭 ( 2 - 3 ) 上式中口为传输衰减，吼、和嘶分别表示导体衰减、介质衰减和辐射衰 减，下面分别介绍这几部分。 2 2 5 导体衰减 如果假定泄漏同轴电缆的内外导体均为理想导体，则电磁波在泄漏同轴 电缆内部传输将不存在导体衰减，但实际采用的导体材料电导率都不是无穷 l o -ii1 一 f i州丽a 一卿 叭了 哈尔滨工程大学硕士学位论文 大，因此通常导体衰减都不为零。当导体电导率为有限值时，导体表面的电 场切向分量不再为零，此时电波将进入导体内部，为导出导体损耗功率毋的 计算公式，设电缆内外导体表面上的微元面积d 8 = d l d a ，d l 和出分别为电缆 周向和轴向的微元长度，则在该微元面积上损耗功率为 鹋= 肖隅f + 争l 珥：f 2 ) d l d z ( 2 - 4 ) 其中i 皿。l ，l 以：1 分别为泄漏同轴电缆外导体内壁和内导体外壁附近磁场切向 分量幅值，胄l i ，置，：分别为各自的表面电阻，可表示为 耻怦 耻，陲 va 2 ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 单位长度上的损耗功率为 p r 2 ia 驯h ，胁鲁唾附讲 上式中p 为电缆的传输功率，可表示为 p = z 1 - , i 2 嬲 ( 2 8 ) 上式中f 耳i 为磁场的横向分量的幅值，z 为对应传输模式的波阻抗a 图2 - 6 同轴线t e m 模的场分布 如图2 - 6 所示，对于同轴电缆的主模t e m 模来说，电缆横截面上的磁场为 耳母寿a 巩咆l 2 去 倍1 0 ) 2 巧l 2 = 耋叠 p 1 1 ) 将( 2 - l o ) 和( 2 - 1 1 汛a ( 2 - 7 ) 得到 兄2 两( 矧 ( 2 - 1 2 ) 而( 2 8 ) 可表示为 肚言“录芦舻差3 ) 吼2 7 l - l p z ( 2 1 4 ) 将( 2 1 2 ) 和( 2 - 1 3 ) 代a ( 2 1 4 ) 中得到导体衰减 = 壶( 争+ 鲁 ( 2 - 1 5 )铲瓦憎+ 吉j 州m 上式中互= z t 喇岖6 ，2 兀为泄漏同轴电缆的特性阻抗，通常取5 0 q 或 者7 5 q 。由( 2 5 ) ，( 2 6 ) 和( 2 - 1 5 ) 可知，嚷与7 成正比关系，工作频率越高， 导体衰减越大。由于铜管具有较高的电导率，内外导体通常选取铜管为材料 以降低导体衰减。图2 7 为导体衰减与频率的关系图，计算时内外导体材料 都采用铜管，以的单位换算成d b m 。从图2 - 7 中可以看出导体衰减随频率 增大缓慢上升，所以在实际应用时为保证泄漏同轴电缆的传输功率需在传输 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 - 7 导体衰减与频率的关系图 一 2 2 6 介质衰减 当泄漏同轴电缆介质层的介质为非理想介质时，会产生介质衰减，宙包。 括两部分，一部分是由介质的电导率盯02 j l 起的，另一部分则是由介质极化 阻尼引起的，表现为f 不再是纯实数，而是一个复数，称为复介电常数，记 为，可表示如下 乞= ，一声 ( 2 一1 6 ) 由麦克斯韦方程可得： v 露= 觚露埘= 归( 乞一_ ，a 雷 ( 2 - 1 7 ) 为此，可定义等效介电常数 = 纠昙( - 一，等) 训喇) s ， 其中 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i j i ；i _ ii i r 舻：啤( 2 - 1 9 ) 傩 称之为介质的损耗角正切，由于微波波段的( - 0 8 。比盯大得多，所以f g 艿可近 似表示为 196*马(2-20) 占 根据传播常数方程，= 霹一k 2 ，有 ，= 畅+ _ ，卢= 碍一国2 卢s ( 1 一y t g a ) 咄西踊焉 上式中五为工作模式的介质波长a 当损耗较小时，t 9 8 “l ， 高于截止频率时，( 2 - 2 1 ) 中最后一个因子可用近似处理，则有 卜恤西踊旷奇t 9 8 将上式的实、虚部分开即得 = m 9 8 阳瓜踊 式( 2 - 2 3 ) 就是介质衰减的表达式，对于t e m 来说， 为 ( 2 - 2 1 ) 且工作频率远 ( 2 - 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) ( 2 2 4 ) t - - 0 ，五- - 0 0 ，( 2 - 2 3 ) 变 ，7 r t g _ _ _ f f _ 3 ：型堕n p m n p m ( 2 2 5 ) 口= = = = 二一 t z z ) f 由上式可知，当泄漏同轴电缆传输t e m 模时，介质衰减与频率和损耗角正 切成正比。为降低泄漏同轴电缆的介质衰减，需选取恰当的介质使得损耗角 正切尽量小，通常选取泡沫状聚乙烯作为泄漏同轴电缆的绝缘介质。其损耗 1 4 质衰减相对于导体衰减来说是很小的，但当频率接近2 g h z 时，介质衰减与 导体衰减大致相当。 图2 8 介质衰减和频率的关系 2 2 7 辐射衰减 泄漏同轴电缆的辐射衰减是指同轴电缆开缝后，由于辐射的存在使得传 输衰减增加的部分，它可由辐射衰减q 来衡量。它取决于电缆的缝隙结构( 尺 寸和倾斜角度) ，同时还受频率和周边环境的影响。 如下图2 9 所示，设沿泄漏同轴电缆长度辐射的功率是均匀分布的，以 为每公里辐射所增加的损耗，用d b k m = i _ d 8 ，埘表示。 根据图2 啕可以求出：小段内由于辐射所增加的衰减为： 卫a z ：一l o l g p l - a p ：一1 0 1 9 ( 1 一与 1 0 0 0 p l、p l ：- 4 3 4 3 i n ( 1 一笃：4 3 4 3 p ( 2 2 6 ) p 、p 、 露 哈尔滨工程大学硕士学位论文 卸 图2 _ 9 耦合损耗与辐射衰减间的关系 ，2 上式是根据当j l 时，l n ( 1 一力= 弋x + 冬+ 一) 化简的。 故 望：堡旦：( 2 2 7 ) 业4 4 3 4 1 0 由图2 - 9 可知道，通过2 石，a z 所辐射的功率为p ，则单位面积所辐射的功 率为 w ：j 巳兰l ：! 里l 1 0 4 z 晶一田 ( 2 2 8 ) 2 z r ra z2 4 4 3 4 万r 一 式中：r 为天线离电缆的距离 天线的有效接收面积： a = 0 1 3 5 2( 2 2 9 ) 则天线接收到的功率为： p 珊一= 掣罴篇竽 协s 。， 根据耦合损耗的定义： l 。= 1 0 k 参= l o l s l 2 x 4 玎4 3 4 r r x l 0 - 3 = 5 3 2 - l g 芋圳l g q ( 2 _ 3 1 ) 由此可见，辐射损耗与耦合损耗之间存在着对数关系，从上式( 2 3 1 ) 可见， 耦合损耗越大，辐射衰减越小，故一般电缆的耦合损耗在5 0 d b 以上，避免耦 合损耗太小造成传输衰减急剧增加的情况。当泄漏同轴电缆只辐射基模时， 电缆周围的辐射功率是均匀的，耦合损耗与辐射衰减间的关系式为【1 川： j 2 丘= 5 3 2 1 0 l g 二= 二一1 0 l g c 0 1 6 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 其中以的单位是d b k m ，r 为泄漏同轴电缆和接收天线的距离，通常取1 5 m 或2 m 。图2 - 1 0 为耦合损耗和辐射衰减以及频率的关系图，从图中可以看出 耦合损耗随辐射衰减增大急剧下降。这可解释为泄漏同轴电缆的辐射衰减越 大，其辐射能力越强，向外部空间辐射的能量越多，因此耦合损耗越小，从 两在泄漏同轴电缆周围空间的电波覆盖范围越大。此外，辐射衰减一定时， 泄漏同轴电缆的耦合损耗还受频率影响，频率越高，耦合损耗越小。 图2 一1 0 耦合损耗和辐射衰减以及频率的关系 2 3 泄漏同轴电缆的工作模式 泄漏同轴电缆按其能量耦合到外部空间的机理，可分为辐射型和耦合型 两种类型，它们的几何结构各有不同。圆柱坐标系适用于求解麦克斯韦方程 决定的辐射电缆周围的电磁场【l l l 。电缆在圆柱坐标系中位置如下图2 - 1 1 所 示。 我们先从适用于自由空间的亥姆霍兹方程开始分析： 2 日一占罂：0 ( 2 3 2 ) c 2 西2 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 y 图2 - 1 1 圆柱坐标系下泄漏同轴电缆电磁场分析 式中h 为磁场强度；t 为时间；c 为光速、其值等于3 x l o s m s 。 方程( 2 - 3 2 ) 通解的形式为 h ( r ，以z , o = m ( r ) e - j 加p 。埘 ( 2 3 3 ) 式中：r 为到电缆轴线的距离；z 为沿电缆轴向的距离；国为电磁波的角 频率；t 为时间；口为沿z 轴方向的相位常数；m ( r ) 为描述电磁场的减小量 与到电缆距离的关系的量。将方程( 2 3 3 ) 代入方程( 2 3 2 ) 转化为m ( r ) 函 数的方程： 尝+ 三尝+ ( k 2 - p 2 ) m ：0 ( 2 啪) a r 2，却 7 其中 k 2 = 矿c 2( 2 - 3 5 ) 与通常使用圆柱坐标系时一样，满足等式( 2 - 3 3 ) 的解m ( r ) 可以用贝塞 尔函数形式表示，这些函数的变化过程主要取决于表达式( 2 3 5 ) 的符号。 如果表达式( 2 - 3 5 ) 为负，m ( r ) 随r 作指数衰减( 凋落场) ，如果表达式( 2 - 3 5 ) 为正，m ( r ) 为r 的虚指数函数( 导波场) 。 ( 1 ) 耦合模如果表达式( 2 3 5 ) 为负( 为纯虚数) ，我们称之为耦合 模。方程( 2 3 3 ) 的解表示能量流是平行于电缆轴向传输的。电磁场能量集 中在近邻电缆的周围空间并且随着到电缆的距离的增大而迅速减小；这就是 为什么这种传输模式称为“表面波”。限制在电缆周围且沿电缆轴向传输的耦 合模一部分绕射过电缆周围的障碍物与不连续的物体，部分能量随即径向散 1 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 射。 ( 2 ) 辐射模如果表示式( 2 3 5 ) 为正( 为实数) ，我们称之为辐射模。 这些模是所有小孔的辐射波的同相位叠加。他们仅在非常确定的槽孔排列情 况下且须超过一确定的辐射频率时才会出现，这点我们在后面的内容中会详 细讨论。 2 4 泄漏同轴电缆的分类 泄漏同轴电缆按其能量耦合到外部空间的机理，可分为辐射型和耦合型 两种类型翻，它们的几何结构各有不同。 2 4 1 耦合型泄漏同轴电缆 在耦合模式泄漏同轴电缆中，沿电缆整个长度有一条连续的槽，或者一 排小孔，槽孔的间距远远小于工作的波长，电磁场通过小孔衍射，激发电缆 外导体外部电磁场，因而外导体的外表有电流，于是存在电磁辐射。因为， 在这种模式下电磁场通过小孔衍射激发电磁场。由趋肤效应感应的谐振电荷 只沿屏蔽导体外表面运动，耦合型泄漏同轴电缆是其外导体上的表面波效应。 耦合型i , c x 适用于宽频谱传输，泄漏的能量无方向性。与耦合模式对应的电 流平行于电缆轴线，电磁能量以同心圆的形式紧密分布在电缆周围，并随径 向距离的增加而迅速减小，所以这种模式也被称为“表面电磁波”【1 3 l 。这种 模式的电磁波主要分布在电缆周围，如图2 一1 2 所示。 图2 1 2 泄漏同轴电缆表面波辐射模式 两种常见的耦合型泄漏同轴电缆就是在外导体上轧纹、纹上铣孔，如下 图2 - 1 3 所示。 1 9 哈尔滨工程大学硬士学位论文 ( a )( b ) 图2 - 1 3 两种耦合型泄漏同轴电缆的结构 2 4 2 辐射型泄漏同轴电缆 辐射型泄漏同轴电缆在外导体上开的槽孔的间距与波长( 或半波长) 相 当，其槽孔结构使得在槽孔处信号产生同相叠加。典型的两种辐射型泄漏同 轴电缆如图2 一1 4 所示。 图2 - 1 4 两种辐射型泄漏同轴电缆的结构 辐射型泄漏同轴电缆与工作频率密切相关，泄漏的电磁能量具有方向 性，因此沿线场强分布受环境条件影响小，而且场的径向衰减特性良好，“即 场强随着径向距离的增大而缓慢下降( 一般按距离的一次方规律衰减) ，从而 在离电缆较远处也能获得足够的泄漏场。即对特定方向，耦合损耗较小。此 外辐射模式的所有槽孔都符合相位叠加原理。只有当槽孔排列恰当以及在特 定的辐射频率段，才会出现此模式。通常只在较窄的频段内，才会有较低的 耦合损耗。电磁波的传播方向如下图2 - 1 5 所示呈放射状发散。 图2 - 1 5 泄漏同轴电缆的辐射波模式 2 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 5 泄漏同轴电缆的命名 根据前面部分的讨论，我们知道泄漏同轴电缆分为辐射型和耦合型两种 类型，这两种类型泄漏同轴电缆的命名方法略有不同，下面来分别介绍这两 种i , c x 的命名方法。 辐射型泄漏同轴电缆的命名方法： 耦合型泄漏同轴电缆的命名方法： 2 6 泄漏同轴电缆选用探计1 4 】 2 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 泄漏同轴电缆可以实现任何地方的无线通信，甚至在有电磁波干扰或没 有电磁波的地方都可以，例如：隧道、矿山、地铁、建筑大楼和大型、复杂 的像展览馆或机场那样的场所。因为泄漏同轴电缆能保证信号覆盖的不间断 性。选择适当的泄漏同轴电缆要看其应用的需要，选择最合适的泄漏同轴电 缆的类型和规格由系统的设计和所有相关参数如使用频率、传输距离等决定。 2 6 1 选用泄漏同轴电缆的依据 前面我们已经介绍，选择泄漏同轴电缆有两个重要指标：传输衰减和耦 合损耗。泄漏同轴电缆的系统损耗就是指传输衰减和耦合损耗的总和。传输 衰减，也叫介入损耗，主要指传输线路的线性损耗，随频率而变化，以分贝 l o o 米表示。耦合损耗是指通过开槽外导体从电缆散发出的电磁波在泄漏同 轴电缆和移动接收机之间的路径损耗或信号衰减。因此系统损耗可以说是整 个泄漏同轴电缆的损耗。因此在实际应用中，只要传输衰减能满足操作容限 或链路容量的要求，就没必要选择那些传输衰减最低的泄漏同轴电缆，但对 耦合损耗的要求会更严格一点。 在设计时要计算链路容量就得把所有发射器和接收机之间的增益和损耗 加在一起，它还必须包括任何其他因素引起的损耗。如果计算结果为正值， 那就表示有足够的容限允许环境发生变化，而系统仍可正常运行。 对泄漏同轴电缆而言，耦合损耗设计一般在5 5 8 5 分贝之间。在狭长系 统如隧道或地铁内，因为隧道或地铁本身能帮助提高泄漏同轴电缆的耦合性 能，因此耦合损耗设计一般为7 5 8 5 分贝，在这种条件下，把传输衰减减到 最小非常重要。在建筑楼宇内，泄漏同轴电缆耦合损耗设计一般在5 5 6 5 分贝之间，因为楼内泄漏同轴电缆单向长度在5 0 1 0 0 米之间，因此传输衰 减就不那么重要了，更重要的指标是泄漏同轴电缆能尽量多地发射信号，并 穿透周围地区。 一个准备扩展的系统，可以选择传输衰减较小的泄漏同轴电缆。比如在 办公楼内有一根顺电梯上行的泄漏同轴电缆，几个楼面共用一个接头，在这 种情况下，若选择传输衰减低的泄漏同轴电缆，今后就可以提供更高频率上 2 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的服务或扩大服务覆盖区 在特定区域内增加线路可以扩大覆盖面。在较高频率上增加服务则会产 生较高的损耗，所以选择泄漏同轴电缆时应考虑在各种频率上均能降低损耗 的泄漏同轴电缆。有些宽带泄漏同轴电缆覆盖了几乎所有主要的频率，从 9 0 0 m i q z 蜂窝系统到1 9 0 0 m h zp c s 服务，包括用于应急服务的超高频系统。这 些系统可以通过组合器或者交叉波段耦合器把信号组合到一根泄漏同轴电缆 线上。泄漏同轴电缆通常有较高的带宽，并能在同一根电缆上在完全不同的 波段上和所有距离内提供各种服务。 在实际应用中，频率反应和带宽非常重要。一个带宽中每个信道仅2 0 千赫的系统，可以使用任一种电缆或天线。现在，新的p c s 系统带有像c d m a 这样的解调配置，要求1 2 兆赫的带宽，这时选择泄漏同轴电缆就要注意带 宽应与解调配置相匹配。 在长达2 3 公里的隧道中，应每隔一定距离安装同轴的双向放大器，把 信号放大到合理的程度。总的原则是电缆信号下降2 0 分贝时，放大器就应介 入补偿2 0 分贝的损耗。在装有蜂窝系统的大楼，楼顶天线与楼内放大器连接 可放大信号2 5 3 0 分贝。泄漏同轴电缆可从这个放大器一直铺设到要求的覆 盖区，那儿另外安装一个放大器将信号提高2 5 3 0 分贝。在实际应用中，一 个或两个放大器都可以，只要足以补偿路径损耗就行。 远程监测用来跟踪无人值守的大系统，对许多放大器都可以进行远程监 测。在远程站点，一台p c 机和一个软件程序往往同时监测几个系统，这在安 装多台放大器和其他设备的隧道内尤其实用。由于系统能及时发现问题所在， 故可以在短时间内修复系统，不会影响正常的运行。 射频同轴电缆的电压驻波比很重要，但对泄漏同轴电缆而言并不是决定 性的因素。市面上的泄漏同轴电缆电压驻波比大多数在1 3 以上，使用在现 今的系统上已经足够了。 2 6 2 专用频带泄漏同轴电缆与宽频带泄漏同轴电缆的比较 专用频带泄漏同轴电缆与宽频带泄漏同轴电缆相比，它是一种特别设计 2 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的泄漏同轴电缆，通过特别设计外导体上开槽的形状、大小和节距，以实现 泄漏同轴电缆在某一频率具有非常稳定的系统损耗，简单地说，通过特别设 计，泄漏同轴电缆纵向传输的衰减可以通过增加耦合损耗来补偿，补偿效果 是使泄漏同轴电缆性能优化至使用频率。专用频带泄漏同轴电缆与宽频带泄 漏同轴电缆相比有以下不同点： 宽频带泄漏同轴电缆的特点是：宽带性能在任何单一频率均能维持最 佳；有密集的狭孔；极受环境影响。 专用频带泄漏同轴电缆的特点是：在特定的频率下运作性能极佳； 相对受环境因素影响小；在平行于泄漏同轴电缆方向，交叉极化较低，因 此当使用数字透信系统时误码率较低，当使用模拟通信系统时将信号的扭益 最小化，并且传输损耗很小；在垂直于泄漏同轴电缆方向，相邻极化信号 具有非常平的频率响应，在整个频段内波动非常小；避免了过多的交叉极 化，因此不会产生“双线效应”或反射交叉极化，减少了损耗；减少了多径 效应