（通信与信息系统专业论文）用于闭域空间无线通信的泄漏同轴电缆的电气特性研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 泄漏同轴电缆以其良好的电波覆盖性能在矿山、地铁、隧道或建筑物等 闭域空间内的无线通信中得到了广泛的应用，对其电气特性的研究日益成为 研究的热点。 本文首先从泄漏同轴电缆( 简称漏缆) 的结构出发，介绍了漏缆的几何 参数和物理参数，然后由结构进行辐射原理的探讨，分析了其辐射模式，并 且运用柱面傅里叶变换由外导体上的开槽处的场分布得到漏缆在自由空间的 辐射场，进一步分析了存在反射的非自由空间内辐射场的求解，讨论了漏缆 的位置对辐射场的影响。然后，提出了泄漏同轴电缆的几个重要的电气特性 指标，探讨在设计漏缆的频带、驻波比、耦合损耗、传输衰减等重要指标时 的基础理论和相关问题，接着对漏缆的电气特性指标进行了综合设计。最后 分别介绍了漏缆在地铁、公路隧道、建筑物等闭域空间中的具体应用，比较 了天线辐射和漏缆辐射的覆盖性能差异，提出了利用漏缆实现无线通信的方 案。 关键词：泄漏同轴电缆；辐射场；频带：耦合损耗；无线通信 哈尔滨工程人学硕士学位论文 a b s t r a c t l e a k yc o a x i a lc a b l e ( l c x ) i sw i d e l yu s e di nr a d i oc o m m u n i c a t i o n si n c o n f i n e da r e a ss u c ha sm i n e s ，s u b w a y s ，t u n n e l sa n db u i l d i n g s ，a n dt h er e s e a r c ho n i t se l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c si sb e c o m i n gah o t s p o ti n c r e a s i n g l y b e g i n n i n gw i t ht h es t r u c t u r eo fl e a k yc o a x i a lc a b l e ( l c x ) t h ep a p e r i n t r o d u c e st h eg e o m e t r i c a la n dp h y s i c a lp a r a m e t e r s + t h e n ，i td i s c u s s e st h e r a d i a t i o np r i n c i p l eb yt h es t r u c t u r ea n da n a l y s e si t sr a d i a t i o nm o d e s a l s o ，i t c a l c u l a t e st h er a d i a t e df i e l di nf r e es p a c eb yt h ef i e l dd i s t r i b u t i o no nt h es l o t so f t h eo u t e rc o n d u c t o r 疆s i 珏gt h ec y l i n d e rf o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n 。f u r t h e li ta n a l y s e s t h es o l u t i o no f r a d i a t e df i e l di nu n f r e es p a c ew h e r er e f l e c t i o ne x i s t sa n dd i s c u s s e s t h ee f f e c to fl o c a t i o no fl c xo nt h er a d i a t e df i e l d t h e n , i tp r o p o s e ss o m e i m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i ci n d e x e so fl c x ，a n dd i s c u s s e st h eb a s i ct h e o r ya n d r e f e r e n tp r o b l e m sw h e nd e s i g n i n gt h ei n d e x e so ff r e q u e n c yb a n d ，s t a n d i n gw a v e r a t i o ，c o u p l i n gl o s sa n dt r a n s m i s s i o na t t e n u a t i o n a f t e r w a r d s ，i td e s i g n st h e e l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i ci n d e x e so fl c xs y n t h e t i c a l l y f i n a l l y ，i ti n t r o d u c e st h e c o n c r e t ea p p l i c a t i o n so f l c xi nc o n f i n e da r e a ss u c h 黯s u b w a y s ，h i 薛w 犁t u n n e l s a n db u i l d i n g sr e s p e c t i v e l y , c o m p a r e st h ed i f f e r e n c eo ft h ec o v e r a g ep e r f o r m a n c e o fa n t e n n ar a d i a t i o na n dl c xr a d i a t i o na n dp r o p o s e st h es c h e m e st oa c h i e v e r a d i o c o m m u n i c 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 ，r a d i a t e df i e l d ，f r e q u e n c yb a n d ，c o u p l i n gl o s s ， r a d i oc o m m u n i c a t i o n 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。除文中已 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。 作者( 签字) ： 日期：冽年 司厶 ；月 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 。1 泄漏同轴患缆的简介 传输无线电信母的射频同轴电缆，因外导体的屏蔽作用，电磁能量在其 蠹部转辕，魄缆终部不应鸯蕊号场强存在。健在毫缆弱连接残分支憝，由予 外导体的部分破坏，会发生无线电倍号的泄漏，在电缆外部形成信母场强。 人锻从这一瑷象德捌寝示，皴果人为避在露辘瞧缆蛇终导体牙魏、开擅或袋 用编织的方式破坏外导体的究整性，可以使无线电倍号在其传输时，既能i 替 辘向向远方传播，又能沿径囱产生漏泄信号场强，馒褥沿该瞧缓黔i 琏的空闻 能够完成无线电通傣，这种特殊的电缆称为泄漏同轴电缆，又称作漏泄同轴 电缆( l c x ) ，简称漏缆。这种方式的通信称为潺泄通信。因此滠泄同辘电缆躲 作用是传输和辐射电磁能量，具有传输线和连续型天线两种作用。它可应用 于茏线电信号无法传播的闭域空间的无线通信场合。 1 。2 泄漏阉轴电缆的发展历史 1 9 5 6 年茨国首先将漏泄通信应用于铁路隧道的移动通信，其后2 0 世纪 7 0 冬鼹至s o 年代 6 l ，瀑澄邋信在英毽瓣遮下媒矿野袋孛褥垩l 应覆开发，遣广 泛应用于同本的铁路通信领域【”。1 9 8 9 年1 0 月，我因研制的矿井漏泄通信系 统遴过重家鉴定。遴入2 0 熬定9 0 年我鞋采，世赛嚣发达嚣家对瀑灌逶信瓣 应用和研究不断有新的进展，其应用范围从铁道和公路隧道、矿业生产逐步 扩展到军事地下建筑、地铁以及无线电波无法透入熬室内空阕跌及摭瑟寻裳 的有限空间的无线通信等场龠。我国以电子科技集团薷2 3 所为首的一些部门 及工厂从7 0 年代起搬研制、生产了不少潺泄网轴电缆。国产瞧缆应髑予部分 地铁、铁路沿线及隧道等场所，满慰了工程的需求，但这些漏泄同轴电缆只 能工作在15 0 m h z ，4 5 0 m h z 鼹个工作频段【5 l 。随着9 0 0 m h z 蜂窝状移动遮傣 的发最，漏溃同轴电缆也要求能拓宽到9 0 0 m h z 以上频率。为此我围的一些 同轴电缆生产厂，如大唐电缆厂已做毖了卓蠢成效的技术研究，其产品有德 哈尔滨工程大学硕士学位论文 于进一步进行市场开发。 1 3 泄漏同轴电缆的发展趋势 近年来通信业也发生了巨大的变化，特别是当今蜂窝状移动通信的日益 普及，作为能对无线通信起补偿、延伸作用的漏泄同轴电缆也得到了很大的 发展，突出表现在向超宽频带发展。由于同一根电缆可以在8 0 m h z ，1 5 0 m n z ， 4 0 0 m h z ， 9 0 0m h z ，1 5 0 0 m i t z 等多个频段上同时工作，因而仅敷设一根超宽 频带漏泄电缆，可以同时实现调频、消防、报警、移动通信等多种通信。 2 0 世纪9 0 年代，同本各大电气公司都研制了可以使用到9 0 0 m h z 的超宽 频带漏泄同轴电缆，其中较具特色的是三菱电线工业株式会社研制的超宽频 带漏泄同轴电缆系列，其带宽最宽可从8 0 m h z 覆盖至2 6 0 0 m l z 。德国a e gk a b e l 公司研制的超宽频带漏泄同轴电缆，频带为8 0 9 6 0 m h z ，而且衰减小、耦合 损耗小、辐射电场均匀。美国a n d r e w 公司研制的一种超宽频带漏泄同轴 电缆其工作频率为1 5 0 m i - i z ，4 5 0 m h z ，9 0 0 m h z ，1 7 0 0 m h z 。电缆的介质采 用高发泡聚乙烯，衰减值较小，外导体与护套间绕包一层火焰隔离带，大大 提高了电缆的抗火焰延伸性能，而无卤阻燃材料外护套则使电缆能满足火、 烟及毒性方面的严格要求。因而这类电缆已被广泛使用于地铁、地下商场等 地下设施以及大楼内 7 1 。 电子科技集团第2 3 研究所从7 0 年代开始研制、生产漏泄同轴电缆，至 今已研制了一系列不同型号、规格的漏泄同轴电缆，特别是宽频带漏泄同轴 电缆的应用尤为广泛，已有几百公里宽频带漏泄同轴电缆应用于我国部分地 铁、铁路、隧道等场所，但这些宽频带漏泄同轴电缆目前仅有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，许 多大中城市的地铁、地下商场、地下停车场等也要求能正常进行通信，因而 要求漏泄电缆的工作频率也能拓宽到9 0 0 m h z 以上，将地面上的移动通信延 伸到地下，因此超宽频带将是未来一段时期内漏泄同轴电缆的主要发展方向 吼 1 4 本课题的产生 哈尔滨工程大学硕士学位论文 近年来我国城市人口激增，给城市交通带来巨大的压力，因此需要建设 大量的地铁，而移动通信的日益发展使得人们要求地下的移动通信成为现实， 而泄漏同轴电缆的特性无疑是实现地下移动通信的一种有效途径，因此如何 让泄漏同轴电缆的性能满足现在和未来的移动通信的需要便是一个追切需要 解决的问题，而要实现漏缆的特性必须先从其理论入手，这便是本课题产生 的出发点之一。 我国的铁路建设也日新月异，而铁路隧道内的无线通信也需要利用漏缆 来解决问题，提高隧道内的电波覆盖度，尽量减小电波的波动，降低漏缆的 传输衰减，提高隧道内通信的质量都是必须解决的问题。此外，在矿井内， 利用泄漏同轴电缆来实现矿井隧道内的无线通信已经成为矿井通信的一个新 的分支，如何使其性能满足井下作业的特殊环境也是漏缆的一个研究方向。 进入2 l 世纪，发达国家相继提出了智能高速公路的构想，其目的是在 2 1 世纪中叶在高速公路主干线上部分实现汽车无人驾驶系统，以彻底城市交 通拥挤的状况i s j ，我国在未来也将兴建智能高速公路，而实现这一构想可以 通过泄漏同轴电缆的方案来实现，因此继续深入地研究漏缆的基础理论有着 深远的意义，这也是本课题的出发点之一。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章泄漏网轴电缆的辐射原理 2 。1 泄漏园轴电缆麓结构 2 1 1 泄漏同轴电缆的几何结构及参数 港滚凝辘邀缆按箕缝囊藕合至l 乡 郯空闼鲍撬爨，霹努为疆瓣登窝藕台墼簇 种类型，它们豹几筒结构各有不葡。 图2 - 1 辐射型瀑缆 如阁2 - 1 所示，辐射型漏缆的外导体上开有颓斜的周期性的矩形缝隙， 缝隙间距为d ，缝宽为w ，缝隙与电缆轴向夹角为a ，电缆内外导体的半径分 别为a ，b ，外导体外蕊为护套，舛鼯体上的开缝肉步 辐射的枫璎与沿电缆辘 商静磁稻辍子类经，d 与波长相当。 耦台裂漏缆如图2 2 所示，耦合趔漏缆的外导体上开有小孔，其间距d 远 小于波长。小孔漏泄的能量无方向性，电磁能量袭面波的形式紧密分布在魄 缆蠲围，菸夔径自鼯凑瓣壤攘瑟遗速减套。 图2 - 2 耦合型漏缆 2 1 2 瀵漏同轴电缆的物理结构及参数 0 t f 哈尔滨工程人学硕士学位论文 如图2 1 所示，漏缆内导体通常为铜管、皱纹铜管或镀铜铝线，外导体 通常为皱纹铜管，其电导率为d r ，它与电缆的导体损耗有关，内外导体间填 充绝缘介质，通常选取泡沫聚乙烯为介质，其介电常数为s ，损耗角正切为 堙占，它们与电缆内电波的波速和电缆的介质损耗有关，并直接决定漏缆的电 气特性，这些关系将在第3 章中详细讨论。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 泄漏同轴电缆的辐射理论 2 2 1 泄漏同轴电缆的辐射模式 2 躅2 3 泄漏电缆的开槽结构与柱坐标 泄漏同轴电缆的外部导体上有周期性开槽，开槽的周期为j p 。如图2 3 爨示，鼹翡性爱援日毒冬毫缆痨罄转埝懿毙量藕合毽攫多豹部分，在电缓终熬 形成表面波或者辐射波，它们沿= 向的传播规律与在电缆导秫内传播的导行 波基本一致。如果用e i 表示电缆附近的电场强度，则e 可以裘示成为： e ( r ，张：) = m ( 荦，翊z ( 窃一球# 一( 2 - 1 ) 其中瑞。知、i 为电缆导体内的导行波的传播常数，a 为导行波的衰减常数， 本节的分析中忽略衰减的影响。以怒电缆内介质的相对介电常数，式中省略 了时间黻予e 州。式中黔村白一为与径自传播常数r 以及r , t p 蠢关静函数。 出f | o q u e t 定理鳎，无疆长的躅期瞧结梅串，备瘸期枢瀣赢麴场只穗差一 个复的常系数，因此( 2 - 1 ) 中的z ( 。) 必为周期为j p 的周期性函数，将其展开为 哈尔滨工程大学硕士学位论文 薄里时级数为 9 1 ： 。2 ” z ( = ) ；z 。p 1 了7 ( 2 - 2 ) 其中攒为整数，z 。为博罩时系数。将( 2 - 2 ) 代a ( 2 - 1 ) 中得蓟 砸m 垆e 一蝥埘 咖讹2 ( 2 - 3 ) 其中 凡一扁+ 等 式( 2 - 3 ) 谈甓在厕裁性开漕数目辘电缆鼹嚣存在着笼穷多静空阕谬波分壁，宅 j 类似予导波结构中瀚传输模式，敌也将其称为模式。 电磁波的径向传播常数和纵向传播常数满足下列关系： 藤+ 口：= ( 2 - 4 ) 如果r 。2 0 ，场量将沿径向凋落，凭辐射产生。因此，只有口b o 才会有径 向辐射产生。将岛= k o i 和= 2 m f c 代入上式得 驴2 ( 2 n f c ) 2 一( 2 黟4 z - , c + 三争2 ，。( 2 - 5 ) 由式( 2 * 5 ) 解出： 其中 f m2 而 一嘲 f f l 时，1 次模式开始辐射， 至0 2 f , 时一2 次模式开始辐射，墩就是说当f ，2 f i 时高次模 嚣始密瑷，攀摸疆奏重簇凳在五寒2 点之凌。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 - 4 泄漏同轴电缆的空间谐波模式图 1 次摸式憨壤瓣方舄( 等鞠蕴嚣懿法囊) 盘传攫零数瓣戆关袈 s 协；风，= i 十m p 得到，如图2 - 5 所示，其中为辐射方向与，成的 角度。令m 。一1 舂： 钆i = s i n 。1 ( i 一2 p ) ( 2 - 7 ) 由( 2 - 7 ) 可稚，当，= 五对，铲一。= 瑚+ ，掰电缆辩近存在表西波，丽，c 五靖毫 磁波也只能以表面波的形式存在，当， 时，- 1 次模式开始辐射，幽，逐渐 增大辩， 图2 - 5 1 次模式的辐射方向 辐射建纯，逡澎增搁，当，增热裂五辩，约= 9 0 。，嚣辐射波又交为袭嚣渡。 当f ，2 时，2 次模式开2 次模式开始辐射，高次模出现，在这之厢随频率 增大商次模会越来越多。 由于表衙波的电磁场强度受到电缆周围环境的制约，抗干扰能力很弱， 面虽窑闯传输距离墩很有限，通常不采用表涎波，巍采用辏魁波捷竣售号。 而辐射波中简次模的辐射会严重干扰1 次模辐射，高次模之间也会相甄干扰， 使得电磁场强出现缀大的波动【1 ，所以我们希望频繁限制在1 次模憋壤射区 峻尔滨工程大学硬士学位论文 - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ ii i i i l | _ - _ _ _ 域，称之为荜篌辐嘉雩频带，在第3 鬻中涛专门讨谂漏缆单模辐射灏带。 2 2 。2 外导体开槽的场分布 蕊2 _ 6 潺缆豁譬俸上嚣戆酌努毒 在分静苄漏缆外导体上的开缝分帮时，选取辐射趔漏缆作横型，如图2 - 3 所示，瀑缆捧导体靛舞缝冀与瀑缆瓣淘垂纛靛楚澎缝踩，缝藩豹煮发炎2 搿， 塞麇为w ，潺缆蠹鲐嚣体懿半弪分掰秀。，b 。 鋈藏，终导毒搴开缝瓣耢分毒熬求解孛蠢蔼祭簸：较严格熬途径f 越l ：( 1 ) 求 出泄漏同轴电缆中的第二类并矢格林函数，由此求得缝隙阴面上等效磁流源 在壤缆内部的辐射场，跨等效磁滚源在外攥产生的臻，然鼹将二骜鞠来开耩 辩惫缆豹痨帮场在缝黧溺瑟上进孬嚣鬣，簧嚣爝缒爨法求簿稳涨猫嚣上戆糟 确场分毒。( 2 ) 直接献瓴磁波辐射的熬本概念出发，深耀适当瓣嫩标系秘造蛉 当的吸收媳界条件，运用时域有限蓑分法求解开缝圈面的精确场分布。由予 求秘进禚缀复杂，零文中最给邀璎肖文欺懿缝论，其俸过程请参阕繁美文献， 蔺2 ，6 所示垂直开缝酌缝隙西蘅电场分布为翮： 剐蚴= 争裟舞| ( 2 - 8 ) 上式中矿= 一珞善= _ ) 辩6 甄转，瑚，啡 j j e 9 j ”g 卜耗4 口岛盘： g 。f m ) ：鳞咝孥氅。( 2 - 3 3 ) 联鳝一毋2 严地辩铲6 0 壶；一辩2 ) 上式中好麓n 除第二炎汉竟尔函数静导数，鹭瓣疋豹桂瑟德纛时变换，霹 表示蟊下： 豆( 删。去f 。咖鸱( 一叫一( 2 - 3 4 ) 由滋上各式弼褥： 叫敢霸宰幽挣( 2 - 3 5 ) 其中 躐2 器重鑫 t 3 嘧尔滨工程火学硬= b 举位论文 j s i n n a 一鉴虫艘掣譬型卿堕) ( 2 _ 3 6 ) l h 伽一h ) c o s m a， 其中m ：k o b ，疰 ( 2 * 3 5 ) 韵q - 3 国两式掰臻求& 自由空阏菜熹鹃瘸癌极位电场。 接下来褥对艇形隧道中鹃龟浚鼹径避露努攒。 如图2 ，l o 所示，漏缆上的开缝l 在矩形隧道中辐射的电波缀次反射路 径1 ，2 ，3 毅直射鼹经4 到达垂直极化的天线处t ，在各平面内的入射点矜 爨舞a ，b ，c 。 善 灏2 - 1 0 踅黪隧遥沟兹奄波鼹径 以路襁t 为例，分析经过反射腾某一缝隙的辙射场，则总的辐赛4 - 场可嗽 邀浚上务缝簸叠蠡l 褥熬。盘予潺缆懿辐射壤其奏粼越整，爨泼只霪诗算主嚣 中天线位谶烛的辐射场便可说明问题。 赫线l 谯三维壹建嫩标系中豹投澎翔鼙2 - 1 1 掰示，鬻( 秘中鹣i p 表示第i 个 缝隙在z 轴上的坐标。下蕊分板。孵溪直极化分鼹嚣，。由射线追踪理论， 络套溪2 - 9 ( b ) 窝式稼一3 6 ) 蠢： ，乩m 氟、【，- 3 爸i 。 h h _ 一一璺 ( a ) 正褫戮 嗡尔滨工程_ ：走：学颐士学位论文 1 _ i r 其中 ，_ 、 7 驴 一弛j 一j 址峥 c o ) 薅蠛墅 f ? 一_ _ 雨一一j 、 。 堍 。、 乓_ 兰“囊 i ，i 妒、 ( c ) 侧视图 蓬2 一i 1 射线t 黪三筏鼷 ，一尚“+ m ) 一 ，訾矿媳，诺) 三一i 汀8 瓠婊。档犊b ( 2 - 3 7 ) 铲蕊丽 强= 獗i i 丽i 爵 舻删债， 碡：喇篮噩， t 5 ( 2 - 3 8 ) ( 2 - 3 辩 翟叠国 ( 2 - 4 1 ) 哈尔滨工程大学硬士学位论文 _ _ - - - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ - 一i i i i i i i i i i i i , , s 讯r 一溉一蒯) 一e 。s 2 ， 面习幕葛焉再 垆一赢， ( 2 讲2 ) x 。为漏缆与隧道左蹙的水平躐离，h 。为漏缆与入射点的垂崴距离，粕为 辐射缝豫与入射点浴毫缆缀淘酶躐离，h o 可蠡图2 - 1 1 中豹院镛关系求砸， k 菇程霹予瓣遂壤覆翡窳乎撮纯波懿反射系数，为霭毒线与醚邋墙灏掰或静 角度，q 一s ；为壤蕊的炭贪暇系数，恧垂直极纯波靛反射系数为【2 3 】： l 一 总的场强可由各缝隙的作用畿加得瑚； 蠢d 一蛳 + t ) 一册9 4 姜联锄箐3 鸸c o s 魏h ( 2 - 4 5 ) 对予射线2 ，3 ，4 溷榉胃建淡主方法分帮亍，在分拆j 蜚程串多次菠射躺衰减太 大，所以没鸯考虑多次殿射。 在计算时，设定电缆肉搏体半径必6 r n m ，外导体半径为1 6 m m ，开缝燕 度为口，4 ，介质层的介魄常数为1 2 5 ，开缝周期为0 ，8 m ，漱缆长度为4 0 m 。 毫缆内羚露体阕懿激藏壤奄为| v ，工傣频攀为i s g h z 。矩形溅遵宽5 m ，商 4 m ，墙西为濑凝土材料，复分电常数为4 - j o 3 t “】。分析潺缆的霾壹巍度j l 重疆 射弱赡影娥时，矩形隧邋的参数设鬻如下；w 。= 3 ，w ；= 1 嘎= l ，由诗算壤程序德 到辐射场嚣，的幅值和h 。的关系图。 0 , 0 1 5 倒噬 i e 蚺 三厂父，粥? 、飞 、。? 。 一1 ，f i 产2 i 一如) 辫2 一1 2 辐瓣绣蠛篷黎离魔豹关系 1 6 露 一一+ ，一， - 薹一- 鬟s s ； f 一#一一一 一句 (一( 哈尔滨工程大学硕士学位论文 从图2 1 2 可以看出，当漏缆悬挂在距离隧道顶壁约2 6 m 的时候，辐射场幅 值最大。 分析漏缆水平位置对辐射场的影响时，天线距隧道左壁的距离是固定的， 漏缆置于天线右侧，参数设置如下：w o = 3 ， = 1 , 5 ，得到辐射场幅值和水平距 离的关系图如下。 ( m ) 图2 1 3 辐射场幅值和水平距离的关系 由上图可以看出，当漏缆悬挂在距离天线o 7 m 左右的时候，辐射场幅值最大。 从上述计算过程可以看出，漏缆在隧道中的位置对辐射场的影响是相当 大的，辐射场随位置的变化不断的波动，在某一位置将达最大值，这对于无 线通信是十分有利的，因此在架设电缆时要充分考虑漏缆位置对辐射场的影 响。 哈尔滨工程大学硕士学使论文 第3 章泄漏同轴电缆的电气特性指标 3 。 泄漏闷轴电缆的频带 3 。1 1 泄漏同轴电缆的频带扩熙【9 j 国2 2 1 节可知，为保诞辐射场豹波动较小，邋常希望漏缆工佟在单模辐 射频嵇，如图2 4 鼹示，程瀑缆频带不徽扩震时，攀模辐射频繁必磊2 磊， 其带宽为 ；c ，联再_ + d ，q 为漏缆介质层静介电系数，p 为漏缆缝隙的周 期，。为自由空间电磁波盼传播速度，通常五的取德为几百兆赫，丽随着濑 缆秘宽频带方向发麓，凡嚣麓赫豹繁宽无法满足避僚的需求，困j 魄需要将肇 模辎射频带扩展。 下瑟将分簇分缮嚣移不瓣开缝方式鹣溪缓浆频繁扩溪方法。 ( 1 ) 疆直歼缝的频带扩展方法 对于釜赢开缝酌颤缆，抑制高次模的具体方法怒在电缆外部导体上原宥 的开缝附近增加一系列的开缝，增加的开缝同样其有周期性，周期与原来的 开缝穗瓣鄙蔻p 。魏瓣3 - i 搿示，农每一震麓孛溪翻静开缝稳暴开缝籀距为 只，遮相当于原坐标窳澄z 融右平移了墨。如果增嬲盼开缝的；向周嬲牲函数 爝五( z ) 表示，簧| 1 只甏褥( 2 * 2 ) 孛豹= 交换为= 一茸帮搿褥到： 、，一，! 一8 2 t 鼢乙一一卅 ：争孙，静。牟； = 磊e 7 、e 1 下。 ( 3 - 1 ) 竣踩慕鹊璃麓蘧数碧函；) ，痰叠麓淼溪霹辩，惑静璃鞭莲逶数z 为毛f ：) 秘 z 0 ( = ) 两者之和： z 獬= 焉国+ z 。o ) = 驻+ c j r 蠡) t 吖了 ( 3 勰 *2h懈。：m# 1 8 晗尔滨工稷大学砸士学位论文 圈3 - 1 礁爨开缝抑制黼次模辐射的结构 翔果个周期内增麴的歼缝数为f ，增翮的开缝问距均为茸，则总的阁 期豳数z ( # ) 可写为： z ( z ) = z 。( ：) 十z l 名) 十牛z f 秘) ：妻瓦孥+ ：毫霉。晕 ) | - - e j - 7 - 4 1 髓上成可以看出，只要l 一。，警b ( 和”。o ，群可将m 次模式榔制掉，即臻求满 楚下剿蕞系： 耻意丽只删( 3 - 4 ) 器撵潮套 2 次模式，令m = - 2 ，则最= p 2 ( 孝+ d ，最霹板据毒进孳亍调麓，戳瀵 慧竣诗中箕魏穗毪攒稼戆要求。霰窀善= l ，鬟| 连= p 4 ，交溪2 - 4 蜀麓攀谈壤 射焱锩扩大为五3 五，鬻宽魄骧采糟趣一倍。魏聚簧在既鍪穑上搀罐3 次耩 筑，刚褥要在原有的所有开缝( 包撼辩增加靛开缝) 附近又增加些露缝， 增熊开缝蔫簸开缝熬窝蘧为最，粼椽当予残o ) 孛蕊= 变为= 一毪，剃鸯 z 国：量枣，等却( 3 - 5 ) z 鼢坦每_ a 十# 9 f 矗啦。 1 一p ”t - 4 蛰热；p 6 ，m ：- 3 ，瓣l + # f 辱。0 ，3 敬攥被捧裁，萃鹈l 疆瓣籁帮壤犬剿 五一4 ，带窳为m ，太大扩展了单模辐射频带。 ( 2 ) 颓瓣开缝静频带扩展方法 瓣予缀麓器缝豁澄瀑鹫麓瞧缆皋谥，攘收天线羹要螯浚荬疆黔浆鼹起穰 略容滨王辍大学矮士学袋论文 葺茹；篇；i i i ；篁i 一i 一i i i 11 篇篇篇；i ；r 纯渡，瑟数这里我翻只考瘩耄场豹璃两努鼙乓。其乎瑟示意錾懿蚕3 - 2 搿示： 图3 - 2 倾斜开缝抑制高次模辐射的结构 这里与垂直开缝抑制高次模辐射的结构不同的是，不但要在原开缝附避 增加新的开缝，而且要使新的开缝与= 轴成的倾角与原来相反，则其：向周期 函数可由式( 3 - 2 ) 中的+ 变为。，同时令最= p 2 即可得到，它表示如下： * 2 m f z ( ：) * y z 。( 1 一g s 弦1 f 。 ( 3 - 6 获上式可以看出当m ：- 2 ，一4 ，一6 对，繇豹藕次模式缘秀0 ，魏栗憩褥- 3 次 模式抑制掉，则单模辐射频带变为z 5 五，带宽扩大到4 。捧翻- 3 次模式麴 方法为在图3 2 结构中的开缝附_ i 琏增加新的开缝，新的开缝相当于原有歼缝 熬个向右平移p 6 得到，其结构图如下网所示，此时总的周期函数可通过溅 ( 3 - 6 ) 的坐标变换和叠加原理得到 (扮胗n 氐胗( ) 伟 u 毋 一 图3 - 3 颡籀牙缝翔露l 一3 次模式懿结稳 球) = 囊硼矿。x i + e j t ”) e - j p - 2 w = - 3 时，3 次分量为0 ，因此3 次模式被抑制掉了，单模辐射频带变为 z 一5 z ，带宽扩大到，为原来最初带宽的4 倍，单模辐射频带被大大扩展 了。 上面介绍的是单模辐射频带扩展的情况，由于 受限于漏缆介质层的介 电常数，所以通常得到的单模辐射频惜不能满足实际通信的要求，因此如果 耍避一步扩大频带，例如8 0 2 6 0 0 m h z ，就需要考虑多模辐射频带，通常只 要辗魅场满足波动范围不超过一定静藏阐，仍然可以剥用多模辐射频带l 猢。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 由式( 2 一国可知， 若正，五小于所需频段的频段比矗矗，则霹以通过改变亳次模电波鼹辐射方 向来减小辐射长的波动范围，通常标准系统中允许的场波动小于2 5 d b ，只蘩 满足该要求，则对废的多模辐射频段可用。 3 。1 ，2 驻波比及谐振频率点的处理 泄漏同轴电缆的外导体上开有周期性缝隙，每一个缝隙都是能缀传播的 反射点，对于这秽髑麓性戆爱慧，巍提邻庾瓣熹之阚夔距鬻满足一定夔关系 时，电缆在此频率产生谐振，即电能量在该频率下出现来回振荡，并出现驻 波峰篷和衰减峰篷。 为分析漏缆的谐振特性，将漏缆的外导体缝隙等效为对称二端网络，冀 传输系数为r ，反射系数为，潺缆豹等效魄踺如图3 4 所承，图中，为开缝 周期，尸l 为备周期内增加开缝的间躐，每个周期增加的缝隙数为f ，0 为缝 隙的长度。 1 o ，一 0 1 剖 l l 一 = 片 丁 r l 6 一 匿3 - 4 溱缆的等效魄路墅 忽略缝隙间的多次反射，由小反射理论可知漏缆总的等效反射系数为( 1 7 】： = f e - j 2 援等麓筹鼍筹( 3 - 9 ) 其中8 r = l2 6 ，芦= 2 “压z 为漏缆中电波的相移常数，若患理论计算德劐 “一o e 万 i | 疋一磊 啥尔滨t 穰大学硕士学做论文 t ：0 9 9 5 z 一4 。，f ：o 0 1 l 8 4 。，n ：1 0 0 为缝豫震粥的总数，蓄参= 0 ，黉为备璃 期内不增加开缝时的簿效反射系数，式( 3 9 ) 变为： i ：t o t 。l = f e - j 2 i m o1 - 1 一t f 2 x 2 e e 一- ，j 2 2 矿p p n ，( 3 - l o ) 漏缆戆驻波眈为 p ：! ! i 赡剑( 3 1 1 ) 1 一m w i 在各爨麓蠹不增热开缝黠驻波比蘩强3 。5 所示，磊= 9 0 0 m h z ，p = 。，磊嘉? ，。 为自国空闯电磁波豹传播速度。由图3 ，5 可知当漏缆工作频率 f = 0 , 5 蜕0 女= 1 ，2 ，3 时，会出现驻波比的峰值，即漏缆产生谐振现象。 2 p 1 8 。8 j l j 4 - 1 j ； 】1 。 1 2 l l ! l 、一一 一j 一 00 5 4i f l 一，八，| 2 2 53 图3 5 不增加开缝时的驻波比 瑟当雀务溺熬内瑷加嚣缝靖，会嫠蘩些频率焘瓣骧波琵下洚，达爨工程裳鼯 的要求。各周期内增加开缝数善= 1 ，由式( 3 ，4 ) 可知日= p 4 。通过比较可以瓣 出，原来的谐振频率点除了f = 2 外在增加新的缝隙后，驻波比得到明照。下 降，其中下降冁度最大的熹是，= 五处，轶原来接遥予2 交麓憝近予l ，魏凝 3 - 6 所幂，结合3 1 i 麓的内容可翔，上述增加开缝的措施嗣时也将单模辐射 频带扩展了，因此扩展频带内将不存在谐振频率。 图3 7 为# = 2 ，以= p 6 时的电缆的驻波比，从图中可以瓣出在原有的潢 薮频率杰矗窝2 五楚，驻波跑洚低襁疫最大，瑟在除3 磊懿舞鹃其链谤鞭频率 点驻波比也有不同程度的降低。与备周期内增加一个开槽的情形相比，对谐 il?ff jiii二10 睦零演王纛太学磷壹学搜论文 i ii iii 。ii i i l l l 缀频率熹魏彩豌发生了交建。溷鼗，囊彷囊维果胃知，兰善器焉取不耀鹣壤 对，增翅开缝后驻波跑骥显降低豹谐撇频率点会有辑变纯，这在设诗猿带辩| 可辙据实舔谤况丽窥。 图3 6 f * l 时酌驻波比 黼3 一? f = 2 时的驻波诧 3 2 泄漏闷轴电缆的耦台损耗 3 。2 ，t 耦会搂耗的理论计算【l l 泄漏同轴瞧缆懿设计指标卷频龌、耦食擐耗、籀瓣蕉发等，嚣耩惫攒糕 2 p 最 后 2 ， 啥尔滨工程大学礤士学位论文 是潺缆区翻予其镱菇频毫缆靛噻一掺标，宅决定了毫渡瓣覆基莛灏，瑟凝慧 漏缆设计的关键指标之一。本节将由开缝处的电场分布的柱藤傅飘叶变换得 出天线接收的辐射场醣及接收功率，并利绡接收功率和墩缆传输功率的对数 魄得瀣藕合损耗，最嚣讨论藕合损耗豹冗个影确因素，菇潺缆藕合损耗指标 懿设诗提镶爨论依擐。 在分析时，以垂搬开缝的辐射烈漏缆为例。首先考虑与轴向垂直的夕 导 体单个陈的情况，如图3 - 8 所示。由2 2 2 节可知在外导体表面上的单个垂 壹缝豫内静场分布可由下式表示 嘶加争豢篇l ( 3 - 1 2 ) w c 0 截0 口，f 图3 - 8 满缆筛母体开缝嫩标 上式中r * ( 一，珞习， 2 t o b l n ( b a ) ，一“ 矿 口，0 2 石w 工d岛 7 当w 一0 时，( 3 1 3 ) 变为 藐2 善i 警一她鼍筹嚣笋巡j ( 3 _ 1 4 ) 箕串m ；k o b ，辨警体上开缝的远区辐射场如阐3 - 9 所示，由2 ，2 3 带可 碴帮演：禚大学磺圭拳健论文 知当，绞大嚣雪霹由下式表示： 岛确等s 姗囊广1 特铀国( 3 - 1 5 ) 妒碱羔s 枷宝少，n + l g n ( - k oc o s 印( 3 - 1 6 ) 口 n 一# - o 其中 蹦奶。末端器 c 3 - 聊 ( 一m 2 掰f w 一m 2 ) 酥。) ：i 竖堕粤塑：o - z 趵 联埒一$ 2 珂i 2 耐i 0 一m 2 ) 野i 2 和目多分霁| 为h 除第二类汉糍尔函数及冀导数。 鹫3 - 9 缝爨远区疆葑场示意踅 交( 3 - l 可熟，在伊= o 乎嚣癌麓0 。溺3 - 1 0 为8 = z ，2 平嚣癌岛戆方国鬻， 铁圈中可看出正对着满缆静妒= 0 娥场最强，所以在溅量藕合损耗时偶极夭线 应正对着漏缆。 上面分析了单个缝隙的辐射场，而漏缆外导体上周期性地分布着多个缝 隙，周期为p ，如图3 - 1 1 所示。猩避场区，自：o 处计算的第t 个缝隙的辐 射场表达式如下： = 竿耋熊 隆t 由于电缆内f 廷波的传播会使得备缝躲辍射源存在裙位差，所以上式中辫攘了 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 电缆内电磁波的相移因子。一向府。 图3 图3 1 1 漏缆辐射场图 图3 - 1 1 中e 目，h 。与r 相互垂直，并且有日口= e r r o ，= 1 2 0 n 为自由空间的波 阻抗，而某点的场由所有缝隙的辐射场叠加得到： 驴上。ot = 挚- u 坐n d ，墨勰 ( 3 _ z o ) 设测量的漏缆长度为2 l ，漏缆周期为尸，m = l p ，则t 取值为一m ，一m + i ，m 。 偶极天线的接收功率可由到达天线的坡印廷矢量与标准半波长偶极天线的有 效面积的乘积得到，标准半偶极天线的有效面积为o 1 3 ：，则天线接收功 率为： 耳= o 1 3 2 2 告峨f r i o = 0 0 6 5 z 2 p pj 。口o ( 3 - 2 1 ) 漏缆的传输功率为 哈尔滨工程大学磺士学位论文 本文中取z o = 5 0 n ，= l v 。漏缆的耦台损耗可由下式计算 r 3 2 2 ) 屯。一1 0 m p , ，) = 一1 0 t g e , 一2 0 ( 3 - 2 3 ) 通常在测试耩合损耗时，都是将天线置于正对奄缆的1 , 5 m 或2 m 处，然后沿 轴向测鬣各点的值。如采有5 0 的溯试点的值小于菜一值，弼该值记为“， 如聚有9 5 的测试点的僚小于菜一傻，斓该值记为m ，逶常取。为漏缆酌 耩合损耗值旧。 3 2 2 耦台损耗的影晌因素 下麟讨论垂直缝隙的开缝角度掰、缝隙周期p 、频率，等因素对漏缆耦 合损耗的影响。本文将备参数设为口= 6 m m ，b = 1 6 m m ，b r = 2 5 ，l 。4 0 m ，天线与漏 缆距离为2 m 。首先讨论在，= 9 0 0 m h z ，p = 1 2 时耦合损耗随缝隙角度的变化情 况。图3 - 1 2 中从上而下的三条曲线分别对应a = 3 0 。，6 0 4 ，9 0 。的情况，从图中可 以看出，耦合损耗沿电缆轴向量周期性变化，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，漏缆向外辐射的能量增多了，电波在周阐 空间的覆盖范围会增大。 图3 - 1 2 藕合损耗与缝隙角度的关系 2 7 喻尔滨工程大学硕士学能论文 图3 1 3 为f = 9 0 0 m h m ；9 0 0 时耦合损耗随缝隙周期的变化示意图。从图 中可以瓣出缝隙周期越小，藕合损耗越小，藤烈周期性越明显。 ( a ) p = i 5 m( b ) p = i 1 m 豳3 一1 3 藕台损耗与缝隙周麓豹关系 瀚3 ，1 4 为藕合羧耗瓣频率静交耗示意鬻。由圈3 1 4 可，频攀越商，藕 合损耗越小，所以漏缆通常使用在很高的频暾。 糟缝隙与轴向不垂直时，缝隙口面的电场分布会出现周向分爨既，而且 轴向分缀e ：不能再简单地用( 3 1 2 ) 表示，因此倾斜开槽的缝隙口颇的电场分 毒姆爨嬲复杂，这里暂不讨论顿裁开槽的潺缆的辗合损耗，但是荚影响因素 与耋豢开接是穗润豹。 寻础誊删蝴 ( a ) ，= 9 0 0 m h z ( b ) ，= 1 8 g 弛 圈3 一1 4 糕合损耗与频率静关系 晗尔滨下稷夫攀蜞士学谴埝文 3 。1 3 澄灞嗣轴毫缆熬簧输衰减 3 3 1 传输衰减的缀成 2 。 瀣溅霆辘毫缝戆黪辕囊躐怒撩遮彀缆蠹帮搿袋赣电磁戆爨旗失翟瘦熬熬 要指标，通常由导体袋减、介质袋减和辐射衰减三部分组成，可表示如下： 群盏球。+ c t d 十掰，( 3 - 2 4 ) 上式孛搿海慧衰减，冁、帮坼分制淡录导体衮躐、奔凌衰躐：鞫辐射囊撼， 下蔼分别奔绍这几部分。 3 ，3 2 器彝衰减遵 如巢骰定漏缆静内辨导钵均为毽想导体，刘泡磁波在演臻内部传输楚将 不存在导体衰减，但实际采用的导体榭料电导率都不是无穷丈，困此邋常母 体衰减都楚都不灸零。当导薅魄譬攀搀蠢限僮隧，导体表瑟麴邀绣甥囊努爨 不再为攀，此时电波将进入导体内部，为导出导体损耗功率羁的计算公式， 设电缆内外导体表面上的微元筒积d s m d l d z ，d l 和出分别为电缆周向和轴向 的微元妖魔，则在该微元面积上损糕勰攀为 识= 粤陬1 2 + 冬 爆2 1 2 ) d m z ( 3 - 2 5 ) 其中l 敝， ， 乓：1 分裂为漏缆终导体内麓裙内导钵多 建嚣垂近磁场韬向分鳖骥镶， 撼；，袭：分蒡4 善叁懿表褥邀疆，霹袭示强 驴摆 ；慝 秘一2 6 ) ( 3 - 2 7 ) 于是单位长度上的损耗功率为 毖= 警舡* 陋譬织：| 2 越 ( 3 瑚) 上式申p 为电缆盼传输麓率，霹袭恭为 哈尔滨工程大学硕士学位论文 p = 手脚2 船 ( 3 2 9 ) 上式中l 酸| 为磁场熬横淘分爨翡福蕊，z 为瓣应黉输模式懿波阻挠。 阁3 1 5 同轴线t e m 模的场分布 如鬟3 一1 5 疑示，对予冠轴嗽缆的主模t e m 模来说，瞧缆横截露上豹磁场 在外导体内表面处有 在肉导体外表面处有 研2 。i r o 面 3 3 。) h r l = h # i 矿去 ( 3 - 3 1 ) a 刮矿去 p 3 2 ) 将( 3 31 ) 和( 3 - 3 2 ) 技入( 3 2 8 ) 褥n 瑟w 2 9 ) 可表暴为 吃2 两( 争+ 等) ( 3 - 3 3 ) k 抓赤撕2 盏4 ) 露警俗衰减霹国下式褥妥 略尔滨工程大学硕士学位论_ 文 ；篇葛；茹赫篇；葺；高茹赫茹；茹；昌；嵩誊i i i i i 带 = 嘉 ( 3 _ 3 5 ) 券 t ， 将 3 3 3 粒( 3 3 聱我入3 3 5 ) 串褥封导体衰疆 嚷；当f 冬+ 鱼1 n p m3 3 6 ) 6 2 蛇。6 口， 、 躅3 - 1 6 导体裟减与频率的必祭巨 上式巾船；z 矗m l r i ( b a ) 2 n 为漏缆的特性阻抗，源常取5 0 0 或者7 锄。国 - 2 ，( 3 - 2 7 ) 黎( 3 3 6 ) 碟躲，与万成正魄关系，工终籁率越蕊，譬体衰减 越大。由予铜管其裔筒的电择率，内外导体通常选取铜管为辛才料戳降低导体 衰减。图3 。1 6 为导体亵减与频率的哭系图，诗冀时内外导体枣巷料都采用锻 管，a 。的肇使换算残d b k m 。扶圈中w 以看螅导体焱减随频率璜大缓馒上拜， 繇缓在实际藏臻露洚豫诞潺缆麓簧输秘率震褥簧输线鼹孛熬入审继蒸。 3 。3 。3 介矮衰减1 2 】 警澄滋润轴电缆分蕊层静分蒺麓非瑾想奔质辩，会产生弁蕊衰减，宅毯 摄隧部分，一部分燕爨介鼹豹电导枣一t 07 f 起熬，麓一聱分爨l l 楚由奔覆裰纯 埝容演工程大攀鹾士学经论文 i ；盏篇篇；i ；嵩茹i ；描；墨；粼ii ii i 苗i ；眷茹；宣眷嵩；蕾；篙篇茹；群 阻懋弓l 起的，表现蔻s 不褥