（电磁场与微波技术专业论文）闭域空间泄漏同轴电缆耦合损耗的研究.pdf

哈尔滨厂程人学硕十学位论文 摘要 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，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 在诸如地铁、隧道、地下商场、矿井等闭或半闭域空间移动通信，具有广泛 的应用前景。 本文首先对泄漏同轴电缆的发展及其相关的基本知识做了简要阐述，介 绍了泄漏同轴电缆的物理结构、分类以及与其相关的几个重要的电特性参数， 并且根据泄漏同轴电缆结构进行了辐射原理的探讨，分析了其辐射模式，运 用柱面傅罩叶变换由外导体上的开槽处的场分布得到泄漏同轴电缆在自由空 间的辐射场。然后，对泄漏同轴电缆的重要的电气特性指标耦合损耗的测量 方法与计算方法进行了详细的分析，讨论了耦合损耗的影响因素，对耦合损 耗理论值的进一步优化提出了改进办法，并对耦合损耗和辐射损耗的关系作 了进一步的探讨。最后，分析了泄漏同轴电缆在闭域空间中的耦合损耗，用 几何光学和波导模式匹配等方法详细推导了垂直开槽和倾斜开槽结构的泄漏 同轴电缆在矩形和圆形的隧道中以及屏蔽良好的矩形室内空间中的耦合损耗 表达式，并讨论了影响隧道中泄漏同轴电缆耦合损耗的外部因素。 关键词：闭域空间；泄漏同轴电缆；耦合损耗 哈尔滨l ：稗火学硕十学位论文 a b s t r a t l e a k yc o a x i a lc a b l eh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sh o m o g e n e o u s l yw i d e c o v e r a g e ，l o wc o u p l i n gl o s s ，e a s i l ya s s e m b l e da n dc h a n g e dc o m m u n i c a t i o n c i r c u i t s ，f e w e rp o l l u t i o n ，a n ds oo n w h e ni t sd i f f i c u l tt oc o m m u n i c a t ei nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o no rt h ee x t e m a lp r o p a g a t i o nc o n d i t i o ni si nv e r yb a ds i t u a t i o n ，t h e l e a k yc o a x i a lc a b l ec a ns t i l lw o r kw e l l l e a k yc o a x i a lc a b l ei sw i d e l yu s e di n c o n f i n e da r e a ss u c ha ss u b w a y s ，t u n n e l s ，u n d e r g r o u n dm a r k e t s ，m i n e s ，a n do t h e r b u i l d i n g si nb l i n do rs e m i b l i n dz o n e s ，s oi th a sb r o a da p p l i e dp r o s p e c t a tf i r s t ，t h i sp a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n ta n db a s i ck n o w l e d g e o fl e a k yc o a x i a lc a b l e ，a n dt h e ne x p l a i n e dt h ep h y s i c a lc o n f i g u r a t i o n ，c a t e g o r y a n ds e v e r a lr e l a t e d i m p o r t a n te l e c t r i cp a r a m e t e r s o fl e a k yc o a x i a lc a b l e a c c o r d i n g t ot h es t r u c t u r eo f l e a k yc o a x i a lc a b l e ，ie x p l o r e di t sr a d i a t i o np r i n c i p l e a n da n a l y z e di t sr a d i a t i o nm o d e l b yu s i n gc y l i n d e rf o u r i e rt r a n s f o r m ，io b t a i n e d t h ef r e es p a c er a d i a t i o nf i e l d so fl e a k yc o a x i a lc a b l ew i t hd i f f e r e n ts l o t so nt h e o u t e rc o n d u c t o r a f t e rt h a t ，t h i s p a p e ra n a l y z e d t h em e a s u r em e t h o d sa n d c a l c u l a t i n gm e t h o do ft h ec o u p l i n gl o s sd e t a i l e d ，w h i c hw a st h em o s ti m p o r t a n t e l e c t r i cp a r a m e t e ro fl e a k yc o a x i a lc a b l e ，d i s c u s s e di n f l u e n c ef a c t o r so fc o u p l i n g l o s sa n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o u p l i n gl o s sa n dr a d i a t i o nl o s s ，p u tf o r w a r d m e t h o d sw h i c hc o u l db eu s e dt oi m p r o v et h et h e o r yv a l u eo f c o u p l i n gl o s s a tl a s t t h ep a p e ra n a l y z e dt h ec o u p l i n gl o s si nb l i n dz o n e ，c o m b i n e dw i t hg e o m e t r i c a l o p t i c sa n dw a v e g u i d em a t c h i n gm e t h o dd e d u c e dt h ee x p r e s s i o n so ft h ec o u p l i n g l o s so fl e a k yc o a x i a lc a b l e ，w h i c hh a v ev e r t i c a la n ds l o p i n gs l o t so nt h eo u t e r c o n d u c t o r , i n c l u d i n gr e c t a n g u l a rt u n n e l ，c i r c u l a rt u n n e la n dw e l ls h i e l d e ds p a c e i n d o o r , a n dd i s c u s s e dt h ee x t e r n a lf a c t o r st h a tw o u l da c to nt h ec o u p l i n gl o s si n t h et u n n e l k e yw o r d s ：b l i n dz o n e s ；l e a k yc o a x i a lc a b l e ；c o u p l i n gl o s s 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，均己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，： 赵童! 三 日期：历柏侔易月，2 日 哈尔滨i ：稃人! 学硕十学何论文 第1 章绪论 1 1 泄漏同轴电缆的介绍 泄漏同轴电缆( l e a k yc o a x i a lc a b l e ：l c x ) 也叫连续天线，通常简称漏缆， 是一种利用同轴电缆外导体上的开缝向外辐射电磁波而与外部空问进行无线 通信的导波装置。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，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。在隧道、矿井等 闭域或半闭域通信空间中，天线辐射的电磁波在传播时大部分能量被周围物 质吸收，通信质量受到严重影响。与天线相比，泄漏同轴电缆则是将大部分 能量进行传输，传输过程中仅在电缆周围一定范围内辐射很小的一部分能量， 形成一条径向范围有限的无线电波通道，从总体上削弱了隧道、矿井壁等对 电磁波的影响，这样可用有限的能量延伸电波的作用距离，提高通信质量。 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川。 1 2 泄漏同轴电缆的发展历史 1 9 4 8 年，英国人首先提出使用泄漏同轴电缆，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、日等国和地区相继研制成功，其 发展速度也十分迅速。 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 哈尔滨| j 程人学硕十学位论文 暑昌田皇| | i 置罩葺一- - 7 i 一 出军民两用系列产品，广泛应用于闭域或半闭域空间移动无线通信，并带来 了巨大的经济效益和社会效益【2 】。 19 5 6 年美国首先将泄漏通信应用于铁路隧道的移动通信，a n d r e w 公 司研制出工作频率分别为1 5 0 m h z 、4 5 0 m h z 、9 0 0 m h z 、1 7 0 0 m h z 的漏缆。 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， 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 m - - 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 m - - 9 6 0 m ) ，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 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 m h z 、15 0 m h z 、4 5 0 m h z 、9 0 0 m h z 工作频带内均 匀辐射的电磁信号，而且辐射信号较强，即耦合损耗较小。 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f ； 仅有 1 5 0 m h z 、4 5 0 m h z 两个工作频段【3 】。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，要求泄漏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f 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 2 哈尔滨l ：样入学硕十学位论文 - ! r l n i 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 在山区隧道和地铁、矿井等场合进行通信，无线电波要受到阻碍，尤其 是短波和超短波受到的传输衰减更大。测试表明，一台在中等开阔地能通上 5 千米的无线电台，放到井下或坑道旱只能通2 0 来米。增大无线电台的发射 功率固然可以增大通信距离，但通信效果并不明显。有专家作过试验，即使 将无线电台的发射功率加大1 0 0 倍，它的传播距离也不过只能增加1 5 罢了。 何况，在矿井下是不允许随意增大发射功率的，不然容易因电火花引发爆炸 事故。那么，在隧道、矿井内实现无线电通信，路在何方? 经过科学家们的 研究，终于找到了利用泄漏同轴电缆进行无线电通信的良方【。】。当泄漏同轴 电缆沿坑道、隧道、矿井铺设后，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，如我国北京地铁就铺设了泄漏电缆，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 铺设了2 5 0 公旱的辐射泄漏电缆。 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，难以实现无线移动通 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 哈尔滨一l ：程大学硕十学位论文 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，然后做出报警卯。 1 4 本课题的主要工作及内容安排 泄漏同轴电缆的性能指标有系统损耗、使用频带、耦合损耗、传输损耗 等，而耦合损耗更是漏缆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，是表征泄漏同轴电缆辐射能力强弱的物理量，所以是漏缆设计的 关键指标之一。因此，对其进行深入研究和讨论是非常必要和有意义的。 本课题针对泄漏同轴电缆主要应用于闭域或半闭域空间中这一现实情 况，结合已有的泄漏同轴电缆的相关理论，围绕耦合损耗这一重要指标进行 研究，重点讨论在不同闭域空问中耦合损耗的变化情况，为今后实际工程中， 泄露电缆的设计与应用提供了较强的理论基础和参考价值。 第1 章绪论主要对漏缆的概念、国内外的发展现状和主要应用等文章研 究的背景情况进行了简单的介绍；第2 章泄漏同轴同轴电缆的基本原理中主 要交代了后续研究中涉及到的一些基本概念，包括漏缆的结构、分类和主要 电气特性指标；第3 章泄漏同轴电缆的辐射基本理论重点论述了漏缆电磁能 量泄漏的机理和漏缆的辐射模式，利用傅立叶变换法得出自由空间远区辐射 场；第4 章泄漏同轴电缆耦合损耗的计算与分析中给出了两种开槽口时泄漏 同轴电缆耦合损耗理论值的计算方法及影响因素，对耦合损耗理论值的进一 步优化提出了改进办法；第5 章闭域空间中泄漏同轴电缆耦合损耗的分析中 用几何光学和波导模式匹配等方法详细推导了垂直开槽和倾斜丌槽结构的漏 缆在矩形和圆形的隧道中以及屏蔽良好的矩形室内空间中的耦合损耗表达 式，并扼要讨论了影响隧道中漏缆耦合损耗的外部因素，该分析方法与结论 也可以扩展到其它空间，为漏缆在实际工程中的应用提供了理论基础。 4 哈尔滨t 科人。、硕十学何论文 第2 章泄漏同轴电缆的基本原理 2 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基本一样，其物理结构如图2 1 所 示。可以看到漏缆为同轴设计，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。 悬挂支撑线 内 聚乙烯管开槽口 护套 图2 1 泄漏同轴电缆结构图 在内部结构上主要有两个特点：( 1 ) 芯线是单根的；( 2 ) 外导体上存在 均匀分布的开槽口。其内导体通常为铜管、皱纹铜管或镀铜铝线，外导体通 常为皱纹铜管，其电导率为仃，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，它与电缆内电波 的波速和电缆的介质损耗有关，并直接决定漏缆的电气特性。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 泄漏同轴电缆的分类 通常情况下，漏缆按能量耦合到外部空问机理的不同可以分为耦合型和 辐射型两种类【e 1 ，它们的几何结构各有不同。 5 哈尔滨t 科人硕十学伊论文 2 2 1 耦合型泄漏同轴电缆 外导体轧纹、纹上铣孔的电缆是典型的耦合型漏缆，图2 2 所示为两种 典型的耦合型漏缆结构。 图2 2 耦合型泄漏同轴电缆结构 在耦合模式同轴电缆中，沿电缆整个长度有一条连续的槽或一排小孔， 其外导体上所开槽口的间距远小于工作波长。电磁场通过小孔衍射，激发电 缆外导体外部电磁场，因而外导体的外表面有电流，于是存在电磁辐射，电 磁能量以同心圆的方式扩散在电缆周围，泄漏的电磁能量无方向性，并随距 离的增加迅速减小，所以这种模式也被称为“表面电磁波”【，】，这种模式的电磁 波辐射模式如图2 3 所示。因而，其电磁场受周围环境影响波动很大，抗干 扰能力差，传输距离也十分有限。 图2 3 漏缆表面波辐射模式 2 2 2 辐射型泄漏同轴电缆 辐射型泄漏同轴电缆在外导体上所丌槽口的间距与波长( 或半波长) 相 当，电磁能量由开槽口直接辐射产生，具有方向性，频带较窄，但辐射距离 长。其特定的开槽口结构使得开槽口处信号产生同相迭加，相同的泄漏能量 在辐射方向上相对集中，并且不会随距离的增加而迅速减小。 6 哈尔滨f ：程大学硕十学何论文 外导体上配置周期性变化的开槽口是典型的辐射型漏缆，图2 4 所示为 两种典型的辐射型漏缆结构。 图2 4 辐射型泄漏同轴电缆结构 辐射型漏缆与工作频率密切相关，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 5 所示呈放射状发散。 图2 5 漏缆的辐射波模式 我们可以根据不同的应用场合选择不同类型的漏缆，如专网之隧道覆盖 可选择辐射型，而公网之室内分布系统可选择耦合型。一般而言，漏缆存在 耦合和辐射两种泄漏模式，所谓耦合型和辐射型指的是泄漏以耦合为主或以 辐射为主。 本论文主要研究的是辐射型漏缆。 哈尔滨丁裎人学硕士学位论文 2 3 泄漏同轴电缆的主要电气特性指标 我们设计泄漏同轴电缆时需要考虑各项性能指标，泄漏同轴电缆的主要 电性能指标有：使用频带、特性阻抗、耦合损耗、传输损耗、系统损耗、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。 本文介绍几种主要的性能指标，即使用频带、耦合损耗、传输损耗以及 系统损耗，前两个指标至关重要，漏缆的理论研究基本上是围绕它们进行的。 2 3 1 使用频带 漏缆满足“仅处在单模辐射状态，其它模处于非辐射状态”条件时的频率 范围称为漏缆的使用频带。一般来讲，不同应用场合漏缆的使用频带是不一 样的。随着移动通信的发展，扩展漏缆的使用频带，比如用一根漏缆传输8 0 - - 2 4 0 0 m h z 这样的超宽频带的信号，已经成为今后漏缆的一个重要发展方向。 根据空间谐波的辐射理论，具有周期性开槽口结构的漏缆外表面产生无 穷多的空间谐波，以满足边界条件。这其中的大多数空i 日j 谐波只能以表面波 的形式存在，只有谐波阶数m 一l 时才可能产生辐射波。此时的频率范围是 一七兰 厂 一上t - - - 翌 ( 2 1 ) 一芦 o ( 3 - 5 ) 由此便可得出产生辐射的条件为 一嘲 厂 2 f , 时，一2 次模式开始辐射， 高次模出现，在这之后随频率增大高次模会越来越多。可见，对于周期性垂 直开槽结构的漏缆来说，单模辐射频带的宽度仅为阮，2 f , 】，上下频限比仅为 2 ：1 ，超过此限度，则存在高次模式的辐射。 哈尔滨l ：稃入学硕十侮论文 辐射方向 图3 4 1 次模式的辐射方向 下面再讨论一下八字丌槽结构的漏缆的辐射模式。其外导体结构如图3 5 所示。 图3 5 八字开槽泄漏i 司轴电缆的外导体结构图 对于八字形开槽的漏缆来说，其辐射模式与垂直开槽基本一致，不同之 处在于倾斜角度不同的开槽口辐射电波的极化分量会有所不同。接收天线往 往采用垂直极化方式，主要接收其辐射的周向极化波，所以这里只考虑电场 的周向分量包。 八字形开槽漏缆的z ( z ) 同样可以由新旧缝隙的z ( z ) 之和构成，此时的原 缝隙为“八”字的左半，新缝隙为“八”字的右半，并且原缝隙处的缈方向与新 缝隙处的缈方向是反相的。其z 向周期函数可由式( 3 2 ) 中的+ 变为，同时令 鼻= 尸2 即可得到，它表示如下 z ( z ) = 乙( 1 一纱”) p 吖下。( 3 - 8 ) 而巴( ，缈，z ) 为 巳( r ，妒，z ) = z 。( 1 _ 纱”彤( ，r ，妒) e j p 。 ( 3 9 ) n 合尔滨一l ：科人学硕十学何论文 从上式可以看出：当m = 2 ，4 ，6 时，e 的模式均为零，因此，八 字形漏缆不存在偶数次模式，仅有3 ，5 ，7 等奇数次模式，其基本结构的 单模辐射带宽上下限之比为3 ：1 。 由于表面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， 而且空间传输距离也很有限，通常不采用表面波，而采用辐射波传输信号。 而辐射波中高次模的辐射会严重干扰一1 次模辐射，并且高次模之间也会相互 干扰，使得电磁场出现很大的波动 1 5 l ，所以希望使用频带限制在一1 次模的辐 射区域，称之为单模辐射频带。为了保证辐射场的波动较小，通常希望漏缆 工作在单模辐射频带内。 在漏缆频带不做扩展时，单模辐射频带很窄，带宽为z = c p ( 占，+ 1 ) ， 通常仅取值为几百兆赫，占，为漏缆介质层的介电常数，尸为漏缆缝隙的周期， c 为自由空间电磁波的传播速度，而随着漏缆向宽频带方向发展，几百兆赫 的带宽无法满足通信的需求，因此需要将单模辐射频带扩展。 对于垂直开缝的电缆，抑制高次模进行频带扩展的方法是在电缆外部导 体原有丌缝附近增加一系列的开缝，增加的开缝同样具有周期性，周期与原 来的开缝周期都为p 。如果在原有的周期内增加一个丌槽，则可将单模辐射 频带扩大为 3 ，带宽要比单模时宽的多。如果在此基础上再增加一个开 槽，则单模辐射频带将增大到石4 石，带宽为3 石，大大扩展了单模辐射频带。 对于倾斜开缝的泄漏同轴电缆来说，它与垂直开缝抑制高次模辐射的结构有 所不同，不但要在原开缝附近增加新的开缝，而且要使新的开缝与z 轴成的 倾角与原来相反，如图3 6 、3 7 所示。 图3 6 倾斜开缝抑制高次模辐射的结构 哈尔滨一1 ：程大学硕十学位论文 图3 7 倾斜开缝抑制- 3 次模式的结构 图3 7 为倾斜开槽抑制3 次模式的结构示意图。它在抑制掉偶次模的同 时，将3 次模也同时抑制掉，这样，单模辐射频带变为一5 ，带宽扩大到 4 f ，单模辐射频带被大大扩展了。 3 3 漏缆外导体开槽场分布的求解 在分析漏缆外导体上的开槽口场分布时，选取辐射型漏缆作模型，如图 3 8 所示，漏缆外导体的开槽为与漏缆轴向垂直的矩形缝隙，缝隙的角度为 2 0 r ，宽度为w ，漏缆内外导体的半径分别为口，b 。 v jl 妒 厂 口。嘣依 巡崭7 图3 8 漏缆外导体开槽场分布 目前，外导体开槽的场分布求解有两条比较严格的途径【1 6 】：( 1 ) 求出泄漏 同轴电缆中的第二类并矢格林函数，由此求得缝隙口面上等效磁流源在电缆 内部的辐射场和等效磁流源在外部产生的场，然后将二者与未开槽时电缆的 内部场在缝隙口面上进行匹配，再利用矩量法求解缝隙口面上的精确场分布。 ( 2 ) 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，运用时域有限差分法求解开槽口面的精确场分布。由于求解过程很 复杂，本文使用现有文献的结论，具体求解过程请参阅有关文献，根据文献， 哈尔滨广秤大学硕十学何论文 图3 8 所示电缆垂直开槽的缝隙i ：1 面电场分布为 1 5 1 ，加兰l1丽cos(kob9)wl ( 3 - 1 0 ) ic o s i 庀d ( z i 式中： v = ( 一j v o 占，) 2 k o b l n ( b a ) ，一口 缈 口，0 z w a ，b 一同轴电缆的内外导体半径，m 一一为激励电压，v k 。一自由空间的波数 w 缝隙宽度，m 由于w 很小可以认为e ：沿z 向是不变的，而且周向切向场e 口可忽略不 计。 3 4 自由空间远区辐射场的求解 分析图3 9 所示的漏缆缝隙的辐射场时，采用傅里叶变换法1 1 7 】。为简便起 见，先分析单个缝隙的情况，可定义漏缆外导体圆柱面上电场的切向分量的 柱面傅罩叶变换为 左：( n , c o ) = 去p 妒出e z 舭矿却p 纰( 3 - 1 1 ) 髟( n , c o ) = 去p 妒f ；。出蹦咖纠p 叫v 廊( 3 - 1 2 ) 其逆变换为 蹦咖= 去主沙瓤删凹d 叫咖= 去主沙彭( 删纰d 1 9 ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) 哈尔滨f ：科人。学硕十学何论文 图3 9 漏缆外导体上单个缝隙的辐射场 在圆柱外任一点的场可表示成t e 波干i t m 波之和，t e 波和t m 波可分别由 磁矢量位和电矢量的z 分量彳：，a 。来计算。柱坐标系中，a ：和a 。可表示成 如下波函数叠加的形式： 姒p 以z ) = 去艺p 帅厶( 国) h j 2 ) ( p 厢纰d 缈 ( 3 - 1 5 ) 厶：( 。仍z ) = 去妻占加妒岛( ) h ：2 ) ( p 厢纰d ( 3 1 6 ) 选择柱函数为n 阶第二类汉克尔函数日：2 ) 代表外向行波，厶( c o ) ，g n ( c o ) 为 待定系数，圆柱外任意点的场可由a ：和a 。表示为 以脚，z ) 一j c o a ：+ _ 1 - 罢也 = 丽圣o o 加妒肼- c 0 2 ) 他岬( p 厢矿( 3 - 1 7 ) ( 卯，z ) = 一去可a r c l z + 面1 忑万1 丽0 2 4 毽o p1 眩q 扯qp 。z o 平 = 瓦圣o o 帅卧万l 赢n o 舯卿( p 厢) + 2 0 哈尔滨f - 程人学硕十学何论文 掣厕乳fp 厢) e j = d c o ( 3 1 8 ) 由p = b 时( 3 - 1 3 ) 与( 3 1 7 ) ，( 3 1 4 ) - 与( 3 - 1 8 ) 分别相等，可以得出 ( ) 和 g 。( c o ) 为 (m)2百丽jw06历oaoe丽z(n,co) ( 3 1 9 ) ( 七；一国2 ) h ：2 ( 6 七；一缈2 ) ”一 “纠：絮e0(n,tp一)+b(k2_ca2) p 2 。， 6 七；一2 j 2 ( 6 七；一2 ) 。 由( 3 1 9 ) 和( 3 2 0 ) 可知，只要漏缆外导体上的缝隙的切向电场e ：，匕的柱面 傅里叶变换已知，即可求出 ( 缈) 和g 。( c o ) ，将l ( 0 9 ) 和g 。( 缈) 代入( 3 1 7 ) 除了远区场外，直接对( 3 1 7 ) 和( 3 1 8 ) 积分是非常困难的，但对，很大的 红了e - j k o r 羔州+ 1 f ( - k o c o s 0 ) 如兰等参妒n + l g n ( 却础) ( 3 - 2 1 ) ( 3 - 2 2 ) 辐射场由以下公式进行计算 e e = 一j 烈厂j k j oamp(3-23) 6 0 因此得到 易= 一鸭+ 争( 3 - 2 4 ) 6 0 耻等s i n 芬帅广1 f ( - k o c o s 0 ) ( 3 2 5 ) 2 1 哈尔滨i ：程人。学硕 学何论文 防讽豢s i n 口兰纱妒n + l g n ( - k o c o s 0 ) ( 3 - 2 6 ) 刀占o ，三 、7 式( 3 2 5 ) 和( 3 2 6 ) 是对单个缝隙来说的，如图3 1 0 所示漏缆外导体上多个缝隙 的辐射场可由各缝隙的场叠加得到 ：兰之竺雾竺。i n q 主p p y “厶( c 。幺) ( 3 - 2 7 ) r 蜀 研 i i 一= - - - 0 0 ”。 、 7 驴。蚤n 砥警s i n 只圣0 0 仰广k 似o c o s q ) ( 3 - 2 8 ) 上两式附加了各缝隙的相移因子p 一妒西，、厅为漏缆介质内电波的相移常 数，p 为漏缆外导体上缝隙的周期，缝隙总数为2 n + i ，而各缝隙远区的天 线辐射场的满足关系式 h 妒= 詈( 3 - 2 9 ) 叩o h 口= e , c p 一( 3 - 3 0 ) r o 其中r 。为自由空间的波阻抗。同样经过各缝隙的辐射场的叠加，磁场可表示 为： 耻石1 ，蚤n 拿竽s i n 色圣川肭c o s 刚p 3 ， 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 吣，篓确之箸s i n q 圣o o 川“也c o s 印p 3 2 ， 如果考虑漏缆外导体上缝隙口面的切向电场时，由于缝隙与周向垂直，而且 缝隙宽度很小，所以通常认为外导体上缝隙的周向电场分量e v 可以忽略，而 且轴向分量e ：沿z 向是不变的，这给计算带来很大的简化。 3 5 本章小结 本章的主要内容是对泄漏同轴电缆的基本知识进行了全面的概述。重点 论述了漏缆的电磁场辐射理论，分析了漏缆电磁能量泄漏的机理和漏缆的辐 射模式，利用傅立叶变换法得出自由空间漏缆远区辐射场，为后续分析做好 理论准备。 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 第4 章泄漏同轴电缆耦合损耗的计算与分析 4 1 泄漏同轴电缆耦合损耗的实际测量 耦合损耗是表征泄漏同轴电缆辐射能力强弱的物理量，损耗值定义为 ，。= 101 0g lo ( 生) ：5 3 2 1 0 l 。g 。( 笙) 一1 0 l 。g l 。口，( 如) ( 4 - 1 ) ， ( a ) 垂直状态( b ) 非难直状态 图4 1 泄漏同轴电缆测量图 图4 1 中( a ) 图为天线正对漏缆，二者处于垂直状态时的测量图，天线距 离漏缆为标准测距1 5 m ，此时可以根据式( 4 1 ) 计算出漏缆的耦合损耗。 2 4 哈尔滨- r 程大学硕十学位论文 当天线与漏缆的距离为非标准测距时，随着r 的增加，所测得的耦合损耗可 以用下式进行修正 乞= c o + 1 0 1 0 9 ( 去) ( 4 - 2 ) 式中乞。为标准测距时的耦合损耗值。当天线与漏缆处于非垂直状态时如图 ( b ) 所示，测距为非标准距离时，漏缆与天线在水平面上的夹角为臼，由于 极化面不一致，从而导致耦合损耗的值发生变化，此时耦合损耗可用下式求 得 i = 7 c 。+ 1 0 1 。g ( 去) + 2 0 l o g ( c o s 0 ) ( 4 - 3 ) 这样即可求出泄漏同轴电缆在任何情况下的耦合损耗，从而对漏缆的辐射性 能进行分析。 4 2 泄漏同轴电缆耦合损耗的理论计算 泄漏同轴电缆的性能指标有频带、耦合损耗、传输损耗等，而耦合损耗 是漏缆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，所以是 漏缆设计的关键指标之一。本节将求解泄漏同轴电缆在垂直丌槽和倾斜开槽 时耦合损耗的理论值，为泄漏同轴电缆的综合设计提供理论依据。 4 2 1 垂直开槽泄漏同轴电缆耦合损耗的计算及其影响因素 对于垂直开槽的漏缆，可采取下述方法求解耦合损耗的理论值。 利用柱面傅里叶变换法求解开缝处的电场分布，得出天线接收的辐射场 以及接收功率，并利用接收功率和电缆传输功率的对数比得出耦合损耗。 如图4 2 所示。由3 3 节可知在外导体表面上的单个垂直缝隙内的场分布 可由下式表示。 加斗黜 件4 ， 式中v = ( - j v o 占，) 2 k o b l n ( b a ) 】，一口 缈 口，0 z 0 ，可得 l k 0 ( 1 + ) p 2 万 2 1 2 即在设计电缆时，开槽口周期必须要大于半波长，否则就不能形成辐射 波。 图4 8 漏缆单个开槽口的磁流分布如图4 1 0 所昶z 1 1 图4 1 0 开槽e l 磁流 视电缆外导体圆柱面为理想导电圆柱面，则总的磁流为外导体上磁流与 其关于导电圆柱面镜像的和： 哈尔滨t 程人学硕十学何论文 m f ( f ) = 2 丙丽o o 万。 s i n ( 。一尼。) f o e j k 。l - s i n ( + k 。) 乇 e - j k 。t + s i n ( 2 k 。l o ) p 一卢7 ) ( 4 - 2 6 ) 其中：d o = 一( 0 5 j c o p o h os i no ) ( k 0 2 一2 ) 乩2 捣邓c o s 口 y = 寺= 嗣 式中：v o 一电缆内外导体之间的电压，v 占，一漏缆绝缘介质的等效介电常数，无量纲 单个开槽1 = 1 的z 向磁流为： m = m ，c o s0f 4 2 7 ) 则无穷长周期性开槽漏缆的磁流为 j m ( z ) e 一7 p z ：= m ：( z n p ) e 一卢2 ( 4 2 8 ) 推出 ) = 吉乓量训z 一眇伽p 吖7 2 z t n 出 件2 9 ， 将式( 4 - 2 9 ) 代入式( 4 2 4 ) 即可求出巴( r ，z ) 。 通常以标准半波长偶极天线在距电缆1 5 m 处接收到的功率作为计算漏 缆耦合损耗的依据。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，标准半波偶极天线的有效面积为 o 1 3 入2 ，天线接收功率为 p = o 1 3 k 2 i ，l e 妒1 2 7 7 。 ( 4 3 0 ) 一- l甲l ” 、。 3 4 哈尔滨i ：释大学硕十学位论文 漏缆的传输功率 e = l v o l 2 z o( 4 3 1 ) 式中：刁。一自由空间的波阻抗，q 一电缆内外导体之间的电压，v z n 一电缆的特性阻抗，q 最后漏缆的耦合损耗可由其定义式计算： t = 一l o l o g ( p r p , ) ( 4 3 2 ) 对于倾斜开槽的泄漏同轴电缆，其缝隙周期尸对耦合损耗的影响与垂直 丌槽的漏缆一致，这罩不再赘述，下面重点讨论丌槽口的倾斜角度0 对漏缆 耦合损耗的影响。 设a = 6 m m ，b = 1 6 m m ，= 1 2 5 ，= 4 0 m m ，w = 5 m m ，v o = 1 ， z o = 5 0 ，当f = 1 8 0 0 m h z ，周期p = o 3 时，开槽倾斜角度9 分别为3 0 ，4 5 ，6 0 。， 漏缆耦合损耗如图4 1 1 所示。 从结果可得出，当漏缆开槽倾角为万4 时，耦合损耗最小，漏缆向外辐 射的能量最多，电波在周围空间的覆盖范围最大。由于是对无限长的磁流进 行有限长的仿真，所以仿真图的周期性十分理想，但在实际中周期性并不理 想。 ( a ) 0 ：一7 - 6 3 5 哈尔滨门犟大学硕十学位论文 ( b ) 0 ：1 4 ( c ) 0 = 三3 图4 1 1开槽倾角变化时漏缆的耦合损耗 对于单八字开槽的泄漏同轴电缆来讲，其结构与单方向倾斜丌槽的漏缆 差不多，但开槽的倾角发生了变化，周期增加了一倍，如图4 1 2 所示。此时， 耦合损耗的理论计算可以使用单方向倾斜开槽泄漏同轴电缆时耦合损耗的计 算方法，但是因为八字开槽漏缆周期内第二个开槽与z 轴的倾角与单方向时 的相反，因此某点磁流厶应为 哈尔滨i i 稃大学硕+ 学位论文 研( z ) p 卅z ： 4 - 0 0 m 。( 1 _ _ e j n x ) p 等2 p 卅z ( 4 3 3 ) 图4 1 2 单八字倾斜开槽泄漏同轴电缆 单个开槽口的z 向磁流为 m ：= m ，c o s 0 ( 4 3 4 ) 无穷长周期性开槽漏缆的磁流为 肌( z ) p 一，2 = m ：( z n p ) e 一卢2 ( 4 - 3 5 ) 这样就可求出厶。( z ) ，代入式( 4 2 4 ) 即可求出乞( ，z ) ，最后利用耦合 损耗的定义便求出单八字倾斜开槽泄漏同轴电缆耦合损耗的理论值。 如果设a = 6 m m ，b = 1 6 m m ，占，= 1 2 5 ，= 4 0 m m ，w = 5 m m ，v o = 1 ， z o = 5 0 ，当周期尸= o 3 ，开槽倾斜角度秒为x 4 ，f = 9 0 0 m h z 时，漏缆进 行八字丌槽时的耦合损耗理论仿真值如图4 1 3 所示。 图4 1 3 单八字开槽漏缆在f = 9 0 0 m h z 时耦合损耗值 哈尔滨l ：程入学硕十学何论文 - - - j t - - - - 皇| i 毫叠i 皇宣i 皇_ _ 置i 暑暑- 对于八字，f 槽的漏缆，其缝隙周期p 和扑槽l 的倾斜角度0 对耦合损耗 的影响与单方向倾斜开槽的漏缆完全一致，这里不再讨论。 4 3 泄漏同轴电缆耦合损耗的分析 4 3 1 耦合损耗的改进 由4 2 1 节的分析可知，耦合损耗的影响因素主要有丌缝周期和开缝角度 两个因素，改变耦合损耗的值可以通过改变其影响因素来实现。对于图4 1 4 结构的电缆，设a = 6 m m ，b = 1 6 r a m ，w = 3 m m ，下限截止频率为 石= 6 0 0 m h z ，8 r = 1 2 5 根据c 尸( i + 1 ) = z ，求得p = 0 2 3 6 m ，漏缆的特性 阻抗设为z 。= 5 0 f 2 ，漏缆的开缝角度设为口= z c 3 ，工作频率为8 6 0