（环境工程专业论文）辐射型漏泄同轴电缆设计.pdf

摘要 漏泄同轴电缆具有传输线和发射天线的双重作用，不仅能沿轴向传输电信号 还能沿径向辐射电磁信号。由于其场强覆盖均匀、无盲区、低耦合损耗等特点， 被广泛应用在地铁、隧道、地下商场、矿井等闭域空间。因此，对其技术的研究 正成为通信领域中的一个热点。 本文首先从漏泄同轴电缆的基本理论出发，介绍了它的结构、分类和三个重 要性能指标一一使用频带、耦合损耗和传输损耗。讨论分析了其辐射模式并探讨 了漏缆单模辐射带宽扩展的方法。因不同应用环境对漏泄同轴电缆电气性能要求 不同，本文分析了八字形槽孔漏泄同轴电缆耦合损耗随槽孔角度、长度和槽孔节 距的变化规律，提出了保持单八字形槽孔对几何结构参数不变，仅改变相邻八字 形槽孔对之间距离的槽孔节距调节方法，该方法对于八字形槽孔漏泄同轴电缆的 工程设计具有一定参考价值。最后，介绍了漏泄同轴电缆设计和参数优化的方法， 该方法具有较好的通用性。 关键词：无线通信漏泄同轴电缆六字形槽耦合损耗 a b s t r a c t a b s t r a c t t h el e a k yc o a x i a lc a b l eh a st h e c h a r a c t e r i s t i e so fb c i t ht r a n s m i s s i o nl i n e sa n d r a d i a t i n ga n t e n n a , s oi tc a nn o to n l yt r a n s m i te l e c t r i c a ls i g n a l sa l o n gi t sa x i sb u ta l s o r a d i a t ee l e c t r o m a g n e t i cw a v e sa l o n gi t sr a d i a ld i r e c t i o no w i n gt ot h ea d v a n t a g e so f u n i f o r mc o v e r a g eo nt h er a d i a t e df i e l d ，w i t h o u tb l i n dz o n ea n dl o wc o u p l i n gl o s s ，l c x i sr e c e n t l yw i d e l yu s e di nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni nt h ea 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 l l s ，m i n e sa n do t h e rb u i l d i n g si nb l i n dz o n e s t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho n i t st e c h n o l o g yi sb e c o m i n gah o tt o p i ci nt h ef i e l do fc o m m u n i c a t i o n b e g i n n i n gw i t ht h e b a s i ct h e o r yo fl c x ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e di t ss t r u c t u r e ， c l a s s i f i c a t i o na n dt h r e ei m p o r t a n t p e r f o r m a n c e i n d e x e s i n c l u d i n go p e r a t i o n f r e q u e n c y b a n d ，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 n a l y s e si t sr a d i a t i o n m o d e l sa n dd i s c u s s e st h em e t h o do fb a n d w i d t he x p a n s i o no fl c xs i n g l em o d er a d i a t i o n l c xr e q u i r e sd i f f e r e n te l e c t r i c a lp r o p e r t i e sd u et od i f f e r e n ta p p l i c a t i o n s ，t h er u l e so f c o u p l i n gl o s sv a r y i n gw i t ht h ea n g l e ，l e n g t ha n dp i t c ho fe i g h t s h a p e ds l o t si ss i m u l a t e d a n da n a l y z e d ，am e t h o do fa d j u s t i n gt h es l o tp i t c hi sp r o p o s e dw i t hc h a n g i n gt h e d i s t a n c eo ft h ea d ja c e n te i g h t - s h a p e ds l o tp a i r s ，w h i l eu n c h a n g i n gt h eg e o m e t r i c a l s t r u c t u r ep a r a m e t e r so fas i n g l ee i g h t s h a p e ds l o tp a i r , t h i sm e t h o di so fac e r t a i n r e f e r e n c e si ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s f i n a l l y , t h em e t h o d s o fl c xd e s i g na n d p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o na r ei n t r o d u c e d ，w h i c hh a v eg o o dg e n e r a l i t y k e y w o r d ：w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nl e a k yc o a x i a lc a b l ee i g h t - s h a p e ds l o t c o u p l i n gl o s s 第一章绪论 第一章绪论 1 1 漏泄同轴电缆简介 漏泄同轴电缆( l e a k yc o a x i a lc a b l e ) ，简称漏缆，也叫连续天线，是一种利 用同轴电缆外导体上的开缝向外部空间辐射电磁波，与外部接收设备进行无线通 信的导波装置。普通射频同轴电缆由于外导体的屏蔽作用，电缆周围空间没有信 号场强，电磁能量只能沿电缆朝特定方向传输i l 】。漏泄同轴电缆则是在外导体表面 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l 到，每个开槽口都相当于 一个电磁波辐射源，信号在沿电缆传输的同时，能把电磁能量的一部分从开槽口 辐射到电缆的外部空间，形成满足特定要求的电磁场环境，达到增加信号覆盖的 作用。相反，漏泄同轴电缆也可以接收其周围空间的电磁场信号，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【3 】。漏泄同轴电缆在无 线通信中有着分立式天线无法代替的优势。它既具有传输线特性又具有无线电发 射天线的特性，因而近年来被广泛应用在地铁、隧道、地下商场、矿井等闭域空 间1 4 】，用来解决无线通信中的盲区问题。 1 2 漏泄同轴电缆的应用 ( 1 ) 在矿井、隧道、地下商场等闭域空间通信中的应用 这类场所由于较多的拐弯的存在，对电磁波有隔断作用，内壁比较粗糙，对 电磁波有反射、吸收作用。无线电信号在其中难以传播或传播距离有限，很难达 到要求【5 1 。利用漏泄同轴电缆可以很好的解决上述问题。当漏泄同轴电缆沿矿井、 隧道、地下商场等铺设后，由漏泄同轴电缆泄漏出来的电磁波充满了整个空间， 达到了增加信号覆盖的功能。在这方面应用的例子很多，国外比较典型的如英吉 利海峡海底隧道中铺设了2 5 0 公里的7 8 的辐射型漏泄同轴电缆。我国大量的煤 矿、铁路沿线铺设了漏泄同轴电缆，并且有更多类似的场所需要铺设。因此发展 漏泄同轴电缆具有十分广阔的前景。 ( 2 ) 在移动通信的应用 随着无线通信技术的发展，各种新型通信业务的日益增多，在高楼、大厦、 船舶、炼钢厂和屏蔽很好的核电场内部，无线电不能自由传播，难以实现移动无 2 辐射型漏泄同轴电缆设计 线通信，因此需要借助漏缆构建移动通信网络。同样在展览大厅、大会会场铺设 漏缆后，可以使用移动电话进行通信，方便灵活，机动性好【6 】。 目前，铁路无线通信正朝着综合化、数字化、多信道方向发展【7 1 ，但受到投资 技术等多方面因素的影响，我国铁路将在较长时间内继续延用较为成熟的无线列 调通信系统，因此区间弱场强处理工作依然存在。无线列调区间弱场强处理方式 比较多，主要有：光纤直放站，中继器加漏泄同轴电缆，区间遥控台，区间中继 台等。其中中继器加漏泄同轴电缆是解决山区无线列调信号覆盖的有效方案，得 到广泛应用1 7 j 。另外，在移动通信领域，随着移动通信事业的快速发展，手机频率 不断提高，9 0 0 m h z 己不能满足要求，当前正在向1 8 0 0 m h z ，2 4 0 0 m h z 方向发展， s l y - f y - 5 0 4 2 漏泄同轴电缆正是为配合这方面的需要而开发研制的。 ( 3 ) 频域覆盖和区域监控 由于漏缆泄漏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。利用漏缆可以对一些区域进行电磁波的覆盖或监控保护，如珍贵 自然资源保护区、军事要塞、博物馆等1 3 j 。北京安创明圣科技发展有限公司生产的 t r x 1 0 0 1 i 型漏泄同轴电缆入侵探测器，是一种室外围界入侵探测设备。它主要适 用于银行、金库、高级住宅、监狱、仓库、博物馆、电站( 包括核电站) 、军事目 标等重要建筑外围，亦可用在野外地形较为复杂的地方( 如高低不平的山区及周 界转角等) ，以达到有效安全防范的目的。其特点是：可全天候工作，安装隐蔽， 可按周界形状轮廓敷设，对防范区内的绿化植物不需去除，对距泄漏电缆下方o 5 米在防范区内的底下活动目标亦有探测功能。工作原理为：发射单元产生高频能 量馈入发送用的漏泄同轴电缆中，并在电缆中传输。当能量沿电缆传送时，部分 能量通过泄漏同轴电缆的槽孔泄漏到外部空间，在被警戒空间范围内建立电磁场， 其中一部分能量被安装在附近的接收用的漏泄同轴电缆接收，形成收发能量直接 耦合。当入侵者进入两根电缆形成的感应区内时，这部分电磁能量受到扰动，引 起接收信号的变化，这个变化的信号经放大处理后被检测出来，并推动报警指示 灯点亮，同时使继电器触点打开【9 1 0 】，作为探测单元的漏泄同轴电缆由两根泄漏电 缆和与其连接的两根非泄漏电缆组成，布局如图1 1 所示。 图1 1 埋地漏泄电缆警戒系统布局示意图 第一章绪论 3 1 3 漏泄同轴电缆的发展 1 3 1 漏泄同轴电缆在国外的发展 漏泄同轴电缆最初是由英国人于1 9 4 8 年提出来的】。日本、德国等发达国家 早在5 0 和6 0 年代就开始研制漏泄同轴电缆，并不断把他们的产品应用到实际中 去。 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) 就已经开始了漏泄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。 日本在六十年代研制成功了颇具特色的八字形开槽口的漏泄同轴电缆，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。该电缆是在 其外导体上以一定的周期开设一定大小、角度的八字形槽，使电缆能在工作频段 内辐射出均匀的电磁波。至今，日本各大电气公司都研制了可以使用于9 0 0 m h z 的超宽带漏泄同轴电缆，其中较具特色的是三菱电线工业株式会社最近研制的 1 5 0 9 0 0 m h z 的漏泄同轴电缆。 德国也研制出多种开槽孔不同的漏泄同轴电缆。a e gk a b e l 公司最新研制了 一种超宽频带的漏泄同轴电缆，该电缆具有较宽频带( 8 0 9 6 0 m h z ) ，衰减小、耦合 损耗小、辐射电场均匀等特点。该类宽频带漏泄同轴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 、1 5 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，耦合损耗较小。 美国a n d r e w 公司研制的超宽带漏泄同轴电缆把皱纹外导体相距1 8 0 0 的两 侧皱纹峰削去，形成两排平行的椭圆形泄漏孔，信号可以从这些泄漏孔中辐射出 来，从而在电缆周围形成一个均匀的电磁场，其工作频率分别为1 5 0 m h z 、4 5 0 m h z 、 9 0 0 m h z 、】7 0 0 m h z l l 2 1 。 1 3 2 漏泄同轴电缆在国内的发展 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漏泄同轴电缆， 至今研制出了一系列不同型号、规格的漏泄同轴电缆，但这些宽频带漏泄同轴电 缆目前仅支持1 5 0 m h z 、4 5 0 m h z 两个工作频段【1 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，要求漏泄同轴电缆的工作频率也能拓宽 到9 0 0 m h z 甚至更高频率，以利用漏泄同轴电缆把地面上的移动通信延伸到地下。 4 辐射型漏泄同轴电缆设计 目前该所科研人员也正研制这种超宽频带的漏泄同轴电缆。此外，焦作铁路电缆 工厂进行了大量辐射型漏泄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。同时大唐电信科技股份有限公司、江苏亨鑫和珠海汉胜 等单位也对漏泄同轴电缆在移动通信领域中的应用进行了理论和技术上的研究。 随着我国移动通信建设的发展，我国的漏泄同轴电缆市场不断扩展，国内漏 泄电缆企业逐年增加，当初国外漏泄同轴电缆垄断市场时高不可攀的价格也大幅 度下降，厂商的利润空间被大幅度压缩。但相关厂商看到未来3 g 市场巨大的发展 潜力，对漏泄同轴电缆的市场前景仍旧十分看好，市场竞争进一步加剧。 1 4 研究内容和章节安排 天线辐射的电磁波在隧道、地下商场、矿井等闭域空间中传播时大部分能量 被周围物质吸收，通信质量受到严重影响，而漏泄同轴电缆则是将大部分能量进 行传输，仅在电缆周围一定范围内辐射很少的一部分能量，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和矿井壁对电磁波的影响，这样可用有 限的能量延伸电磁波的作用距离，提高通信质量【1 4 】。随着移动通信事业的快速发 展，地铁、高楼大厦以及地下商场等将需要大量敷设漏泄同轴电缆，以解决无线 电波的盲区问题，同时铁路系统仍然需要大量的漏泄同轴电缆。因而对漏泄同轴 电缆的研究有着深远的意义。 主要内容及工作安排如下： 第一章，作为全文的引论，本章主要对漏泄同轴电缆的产生背景、应用范围， 以及在国内外的发展现状和研究趋势进行了全面的阐述，并说明了目前存在的技 术瓶颈及今后的发展方向。 第二章，本章主要介绍了漏泄同轴电缆的基本理论，并详细阐述了漏缆的使 用频带、传输损耗、耦合损耗等电气性能指标，最后结合工程应用，给出了实际 测量方法和注意事项。 第三章，本章主要对辐射型八字形开槽漏泄同轴电缆的特性进行了分析。首 先分析了八字形开槽漏缆的辐射机理和辐射模式，然后介绍了八字形开槽漏缆在 h f s s 软件中的建模方法，通过全波分析的方法，得到了八字形开槽漏缆的电磁场 分布和耦合损耗随八字形槽孔的变化规律，并结合实际工程生产中遇到的问题， 提出了保持单八字形槽孔对几何结构参数不变，仅改变相邻八字形槽孔对之间距 离的槽孔节距调节方法，对漏缆的工程设计具有参考价值。 第四章，本章结合前面几章给出的结论和相关技术手册，设计出一种可以应 用于铁路无线通信的漏泄同轴电缆结构。为了使漏缆的电气性能更佳，对其进行 了参数优化，通过对槽孔角度和长度的调节，使其在满足耦合损耗标准的前提下 第一章绪论 5 传输损耗进一步降低，有利于降低功耗，节约能源。 第五章，结束语。 第二章漏泄同轴电缆的基本理论 7 第二章漏泄同轴电缆的基本理论 漏泄同轴电缆是在普通射频同轴电缆的基础上发展起来的，它除了具有射频 同轴电缆的性质外还有自己独特的性质，不仅可以像射频同轴电缆那样传输信号， 还具有天线收发信号的性能，被广泛地应用在地铁、隧道、矿井以及高楼大厦中， 增强了信号弱区和信号盲区的电磁波场强，极大地方便了社会的生产与人们的生 活。 2 1 漏泄同轴电缆的结构 漏泄同轴电缆的外观和普通射频同轴电缆一样，在内部结构上主要有两个特 点：( 1 ) 芯线单根；( 2 ) 外导体上存在均匀分布的开槽口。其结构如图2 1 所示。 = 曹孔 外导体 内导体 图2 1 漏泄同轴电缆结构图 漏泄同轴电缆为同轴设计，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，特性阻抗一般为5 0 q 或7 5 q 。 内导体应由单根材质一致、无缺陷、完整的光滑铜管或螺旋形皱纹铜管制成。 内导体外观应光滑、无氧化、无机械损伤、无变形。螺旋形皱纹铜管内导体由铜 管经螺旋形轧纹工艺制成。 绝缘介质的介电常数为g ，它与电缆内电磁波的波速和电缆的介质损耗有关， 并直接决定漏泄同轴电缆的电气特性。 绝缘介质的组成有以下3 种： ( 1 ) 三层绝缘内导体粘结层闭孔结构泡沫聚乙烯聚乙烯外皮； ( 2 ) 双层绝缘内导体粘结层闭孔结构泡沫聚乙烯； 质l 8 辐射型漏泄同轴电缆设计 ( 3 ) 单层绝缘当电缆采用螺旋形内导体时，绝缘允许为一层闭孔结构泡 沫聚乙烯。 绝缘介质通常选取泡沫聚乙烯，其等效相对介电常数为【”】 乞= 裂高等e p ， = 二-f 2 1l 。 2 9 + l + 尸( 占一1 ) 、一 7 尸为泡沫绝缘的发泡度。 以为内导体外径，单位m i l l 。 谚为外导体有效直径，单位n l l i l 。 皿= 绝缘外径+ 轧纹深度。 绝缘介质应完整、连续，表面光滑、圆整、均匀、无缺陷。 外导体应材质一致、厚度均匀，由表面光滑或轧纹铜带纵包构成，轧纹的目 的是使电缆弯曲半径更小。外导体应连续、无油污、无氧化等缺陷。 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 漏泄同轴电缆的分类 漏泄同轴电缆兼具传输线和收发天线的双重作用，在传输能量的过程中会有 一部分能量从开槽孔泄漏出来，根据泄漏能量耦合到外部空间机理的不同可以分 为耦合型和辐射型两种类型【1 6 1 ，它们的几何结构各有不同。 ( 1 ) 耦合型漏泄同轴电缆 耦合型漏泄同轴电缆结构如图2 2 所示，其外导体上所开槽孔的间距远小于工 作波长。电磁场通过小孔衍射，激发电缆外导体外部电磁场，电流沿外导体外表 面传输，于是存在电磁辐射，电磁能量以同心圆的方式在电缆周围扩散。由于泄 漏的电磁场多以表面波的形式存在，所以受周围环境影响波动很大，抗干扰能力 差，场强随着距离的增加迅速减小，传输距离十分有限【1 7 1 。 在外导体上轧纹、纹上铣圆形或椭圆形孔的电缆是典型的耦合型漏泄同轴电 缆。 图2 2 耦合型漏泄同轴电缆结构 第二章漏泄同轴电缆的基本理论 9 ( 2 ) 辐射型漏泄同轴电缆 辐射型漏泄同轴电缆结构如图2 3 所示，其外导体上开周期性变化的槽孔，槽 孔间距与波长( 或半波长) 相当。电磁能量由槽孔直接辐射产生，具有方向性，受周 围环境影响波动较小，不会随着距离的增加而迅速减小，从而可以满足离漏缆较 远处位置的无线通信需求，但是使用频带相对较窄。外导体上的开槽结构有八字 形、u 形、l 形、v 形、竖槽形等，其特定的槽孔结构使得槽孔处信号产生同相迭 加，相同的泄漏能量在辐射方向上相对集中。 图2 3 辐射型漏泄同轴电缆结构 耦合型泄漏是漏泄同轴电缆外导体上的表面波的二次效应，而辐射型泄漏是 由外导体上的槽孔直接辐射产生。耦合型电缆适合于宽频谱传输，泄漏的电磁能 量无方向性，并随距离的增加迅速减小，所以适于应用在室内分布系统。辐射型 漏泄同轴电缆与工作频率密切相关，泄漏的电磁能量有方向性，通过相位叠加在 辐射方向上能量增强，不会随距离的增加而迅速减小【1 8 】，所以适合应用在隧道、 铁路等闭域或半闭域系统中用于增加信号覆盖。 2 3 漏泄同轴电缆的主要电气性能指标 漏泄同轴电缆主要有三个电气性能指标1 1 9 1 ，即使用频带、传输损耗和耦合损 耗，漏泄同轴电缆的设计主要是围绕使用频带和耦合损耗这两个重要参数展开的。 使用频带与电缆外导体上槽孔的排列方式有非常密切的关系，与槽孔的大小和形 状关系不大。耦合损耗则依赖于槽孔的排列方式、大小以及形状。因此，确定漏 泄同轴电缆的槽孔排列方式是辐射型漏泄同轴电缆设计中必须首先解决的问题， 然后再根据耦合损耗设计槽孔大小和形状1 1 6 。 2 3 1 使用频带 漏泄同轴电缆的使用频带是指当漏泄同轴电缆满足“仅有单模辐射，其他高次 模处于非辐射状态”时的频率范引2 0 】。一般来讲，根据使用环境的不同对漏泄同轴 电缆使用频带的要求也不同。随着3 g 移动通信技术的发展，对漏泄同轴电缆的使 用频带提出了越来越高的要求，目前漏泄同轴电缆正朝着宽频带方向发展。 根据空间谐波的辐射理论，具有周期性槽孔结构的漏泄同轴电缆外表面产生 无穷多空间谐波，如图2 4 所示，石和石仅与漏缆的槽孔节距和绝缘介质的相对介 1 0 辐射型漏泄同轴电缆设计 电常数有关，因此对于结构参数给定的漏缆，其空间谐波模式是唯一的。 图2 4 漏泄同轴电缆空间谐波模式图 设漏缆传输电磁信号的频率为厂，当厂 石时，一1 次模的波开始辐射。随着频率的增加，2 、3 、_ 4 越来越 多的高次模开始出现。此时，多个模式的波同时存在，即多模辐射。因为表面波 的场强容易受电缆周围环境的限制，而且抗干扰能力差，空间传输距离也较短， 所以通常采用辐射波来传递信号。多模辐射区各种模式相互干扰，场强波动较大， 不适宜传递信号。单模辐射区可以产生均匀、稳定的电磁场来传递信号，是漏缆 的有效使用频带1 2 。当不采取任何措施时，单模辐射的区域是在，：和2 石之1 9 ，带 宽是石，可以通过开设新槽孔或者改变槽孔分布的方法扩展漏缆的使用频带1 2 2 1 。 2 3 2 耦合损耗 耦合损耗是表征辐射型漏泄同轴电缆与外界环境之间电磁波能量耦合强度的 特性参数，也是区别辐射型漏泄同轴电缆与其他射频同轴电缆的唯一指标，它决定 了电磁波的覆盖范围，所以是漏泄同轴电缆设计的关键指标之一。根据t b 厂r 3 2 0 1 - 2 0 0 8 标准，在距离漏缆一定距离处放置一个半波偶极子天线，半波偶极子天 线中心点的高度与电缆悬挂的高度相同，距漏缆中心的水平距离为2 m 。 耦合损耗的理论计算方法：偶极子天线的接收功率可由天线的有效面积与其 接收到的电磁波的坡印廷矢量的乘积得到。标准半波偶极子天线的有效面积为 o 13 元21 2 3 1 ，则天线的接收功率为 p r = o 1 3 2 “i e i ( 2 牛) ( 2 - 2 ) 漏缆的传输功率为 z = i z o l 2 z o( 2 - 3 ) 漏缆的耦合损耗计算式为1 2 4 l t = 一l o l o g ( p , ) ( 2 - 4 ) 第二章漏泄同轴电缆的基本理论 将( 2 2 ) ( 2 3 ) 两式代入( 2 4 ) 式得 t 一1 0 l o g ( 3 4 4 8 1 0 一旯2 z o 时i v o l 2 ) 一1 0 l o g ( 1 5 6 7 r z 0 2 2i - + 1 2 i v o l 2 ) ( 2 - 5 ) 上式中r o = 1 2 0 n 为自由空间的波阻抗，k 为漏缆内外导体间的电压，z o 为电 缆的特性阻抗，为偶极子天线接收到的磁场分量。 由于耦合损耗在大多数情况下都是沿漏缆变化的，所以通常又以概率的方法 来定义整根漏缆的耦合损耗。根据t b t3 2 0 1 2 0 0 8 标准，半波偶极子天线中心点的 高度应与电缆悬挂的高度相同，距漏缆中心的水平距离为2 m ，耦合损耗用局部耦 合损耗l 。5 0 和l c 9 5 来表征。l 。5 0 表示5 0 的局部耦合损耗的测量值均小于此值， l c 9 5 表示9 5 的局部耦合损耗的测量值均小于此值。本文中我们取9 5 耦合损耗作 为标准来评定指标的优劣。 对漏泄同轴电缆而言，耦合损耗设计一般在5 5 8 5 d b 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漏泄同轴电缆的耦合性能，因此耦 合损耗设计一般为7 5 8 5 d b ，在这种条件下，把传输衰减降到最小非常重要。在建 筑楼宇内，漏泄电缆耦合损耗设计一般在5 5 6 5 d b 之间，因为楼内漏泄同轴电缆 单向长度在5 0 1 0 0 m 之间，因此传输衰减就不那么重要了，更重要的指标是漏泄 同轴电缆能尽量多地发射信号，并穿透周围地区。 2 3 3 传输损耗 漏泄同轴电缆的传输损耗主要包括导体损耗、介质损耗和辐射损耗三部分1 2 纠。 图2 5 同轴线t e m 模的场分布 图2 5 所示为同轴线传输t e m ( 横电磁波) 模时的电磁场分布，其中实线表 示电场分布，虚线表示磁场分布。愈靠近内导体表面，电磁场愈强。因此内导体 的表面电流密度较外导体内表面的表面电流密度大。所以同轴线的热损耗主要发 生在截面尺寸较小的内导体上1 2 0 j 。 设漏泄同轴电缆的纵向传输损耗为口= a + + 口，其中为导c(db100m) 体引起的衰减分量；口d 为绝缘介质引起的衰减分量；口，为辐射引起的衰减分量。 首先来讨论等效相对介电常数的定义。 1 2 辐射型漏泄同轴电缆设计 当介质为非理想介质时，介电常数占将不再是纯实数，而是一个复数，称为复 介电常数，记为 占= 占一j 6( 2 6 ) 由m a x w e l l 方程有： v h = ( j g o e + 盯) e( 2 7 ) 因此，可定义等效介电常数： 乞= 占一旦= 占( 1 - 歹辈) = 占( 1 一t a n 万) ( 2 - 8 ) 国 ( o ；其中t a n 8 = ! 呈生称为介质的损耗角正切，由于射频频段的缈占。远大于 tan8三(2-9) 臣协万 弘，吩 中均使用此定义。2 8 8 5 4 1 0 。2 夏j d 矽表示自由空间的介电常数， 鳓= 4 万1 0 7 表示自由空间的磁导率，通常情况下，相对磁导率以= 1 。 2 i 、i ( 2 1 1 第二章漏泄同轴电缆的基本理论 1 3 上= p - - p - - i nd d ( n m ) 己冗 c = 盖( 州所) r = 兄+ 尼= 嘉睁五1 ) c 叫 p 场 驻居= 2 g = 一l n 彻d w a ( s i n d 历) 将( 2 1 2 ) 式代入( 2 1 1 ) 式得： = 南c 拍浮c 帅， p 聊 耗。铜的电导率仃= 5 8 x1 0 7 酬所，代入上式可以得到工程上常用的铜制的 吼= 今在= 瓦r = 警( 鲁+ 告 c 叫砌，c 2 川， 妒了、芒2 瓦2 蒂l 言+ 舌j 删砌q 。4 式中，厂为频率( 单位h z ) ，8 r 是绝缘介质等效相对介电常数，d 和d 分别为射频同轴电缆的等效外、内径( 单位m m ) ，k ，、k ：表示内外导体不 同于理想圆柱体时所引起的电阻增大系数。 由式( 2 1 4 ) 可知，仉与厂成正比关系，工作频率越高，导体损耗越大，这 是由于导体衰减主要是由导体的“集肤效应”损耗引起的，工作频率越高，集肤效应 越强，有效导电截面积就越小，因而衰减越大。导体损耗随频率增大缓慢上升， 所以在实际应用时为保证漏缆的传输功率需在传输线路中加入中继器。 ( 2 ) 介质衰减 当漏泄同轴电缆介质层为非理想介质时，占不再是纯实数，而是一个复数，称 为复介电常数，此时将会产生介质损耗，它包括两部分，一部分是由介质的电导 率仃0 引起的，另一部分则是由介质极化阻尼引起的。 射频同轴电缆的介质衰减为： 仃厅 = ；，怯( 一- j 1 5 )2 i 、恢 。i ) j 1 4 辐射型漏泄同轴电缆设计 将( 2 1 3 ) 式带入( 2 1 6 ) 式得 = 等笔= 万厂t a n4 万( 坳朋) ( 2 1 6 ) 么y5 工程上计算射频同轴电缆介质衰减的公式为( 2 1 7 ) ： = 9 1 x 1 0 q 厂ql a n 8 ，( d b k i n )( 2 一1 7 ) 上式中，f 为频率( 单位h z ) ，是绝缘介质等效相对介电常数，t 锄一为介质损 耗角正切。可以看出，电缆介质衰减与介质损耗角正切成正比，所以工程上通常 对绝缘介质进行发泡处理，降低介质损耗角正切从而减小介质损耗。本文中我们 介绍的漏泄同轴电缆采用7 6 发泡度的泡沫聚乙烯，= 1 2 6 ，t a n 一= 6 8 x 1 0 一。 ( 3 ) 辐射衰减 漏泄同轴电缆的辐射衰减口，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，它主要取决于电缆的缝隙结构( 尺寸和倾斜角度) ，同时还受使 用频率和周边环境的影响。 当漏缆只辐射基模时，电缆周围的辐射功率是均匀的，耦合损耗与辐射损耗 的关系可近似用式( 2 1 8 ) 表示t 2 8 】： 厶= 5 3 2 - 1 0 1 9 ( 2 。厂) - 1 0 1 9 ( d b ) ( 2 - 1 8 ) 式中，辐射衰减瓯的单位是d b k m ，r 为半波偶极子天线与漏缆之间的距离，兄为 漏缆内传播的电磁波的波长。上式表明，辐射衰减越大则耦合损耗越小。因为辐 射衰减越大说明从漏缆辐射到外部空间的能量越多，则标准半波偶极子天线接收 到的能量越多，耦合损耗就越小，从而在漏缆周围空间的电波覆盖范围越大。此 外，辐射损耗一定时，漏缆的耦合损耗还受频率影响，频率越高，耦合损耗越小。 2 3 4 谐振特性 当漏泄同轴电缆工作频率较低时，缝隙的尺寸与工作波长相比很小，缝隙谐 振特性不是很明显，不会对漏缆的性能产生大的影响。随着工作频率的升高，漏 缆缝隙的尺寸与工作波长越来越接近，此时缝隙口面的场随缝隙尺寸的变化越来 越显著，当等效缝隙尺寸接近半波长的整数倍时，缝隙出现谐振，口面场最强， 这就是缝隙的谐振特性。漏缆缝隙出现谐振后，传输和辐射特性都会变差，反射 系数增大，漏缆无法正常工作 2 1 1 。 由于漏缆出现谐振时电气性能严重下降，是我们不希望的，所以要想办法抑 制谐振点，通常采取在漏缆外导体上增开新槽孔的方法抑制谐振点。 第二章漏泄同轴电缆的基本理论 1 5 2 4 漏泄同轴电缆的辐射模式 本节以漏泄同轴电缆外导体上开周期为p 的垂直槽孔为例分析其辐射模式， 开槽结构如图2 6 所示。漏缆内部传输的能量一部分通过开槽口耦合到外部空间， 形成表面波或者辐射波，它们沿z 向的传播规律与在漏缆导体内传播的导行波基 本一致。 z 图2 6 漏泄同轴电缆的开槽结构 如果用e u 表示漏缆附近的电场强度，则e 可以表示为 e ( r ，缈，z ) = m ( r l ，厂，t p ) z ( z ) e 一脑2 e 一 ( 2 1 9 ) 其中p o = k o 0 为漏缆导体内的导行波的传输常数，t 2 为导行波的衰减常数，q 是 漏缆内介质的相对介电常数，式中省略了时间因子e 埘。式中的m ( r ，矽) 为与径 向传播常数r 以及厂，矽有关的函数。 由f l o q u e t 定理知，无限长的周期性结构中，各周期相应点的场只相差一个复 的常系数，因此( 2 1 9 ) 式中的z ( z ) 必是周期为尸的函数，将其展开为傅里叶级 数f 2 9 1 z ( z ) = 羔乙e 吖7( 2 2 0 ) 一 2 跏万 其中m 为整数，乙为傅里叶系数，将( 2 - 1 9 ) 、( 2 - 2 0 ) 联立可以得到 e ( r ，缈，z ) = e 啦z 埘m ( r l 研，r ，驴) p 一编z ( 2 2 1 ) 其中： 尾毒属+ 兰等 ( 2 2 2 ) 上式说明了在周期性开槽的同轴电缆周围存在着无穷多的空间谐波分量，它 1 6 辐射型漏泄同轴电缆设计 们类似于导波结构中的传输模式。 电磁波的径向传播常数和纵向传播常数满足下列关系 群+ 唬= k i ( 2 2 3 ) 如果刁三0 ，场量将沿径向凋落，无辐射产生。因此，只有叩： 0 才会有径向 辐射产生，将p o = k o g 和i , o = 2 r c f c 代入( 2 2 3 ) 式得 刁：- - ( 2 , 矿f ) 2 - ( 2 矿石丘+ 警) 2 o ( 2 2 4 ) 由( 2 2 4 ) 解得 一m y , 2 f , 时，- 2 次模开始辐射，即此时高次模开始出现，单模辐射频 带只存在于z 和2 石之间【3 0 l 。 为了扩展单模辐射的频带宽度，必须抑制1 模辐射区内的高次谐波，抑制的 阶数越多，则频带越宽。抑制高次谐波的方法主要有以下三种【2 2 】： ( 1 ) 在电缆外导体上开一系列新的槽孔。其大小、形状和原槽孔一样。调整新 旧槽孔之间的位置即可以抑制相应的高次谐波。 ( 2 ) 原槽孔的排列方式和长度不变，调整槽孔的倾斜角度，以达到抑制高次谐 波的目的。 ( 3 ) 原槽孔的排列方式和倾斜角度不变，调整槽孔的长度，在理论上同样可以 达到抑制高次谐波的目的。 ( 4 ) 在原槽孔旁开一系列倾斜角度呈规律分布的新槽孔，如正弦分布等，也可 以达到抑制高次模的目的。 由于现有制造工艺难以满足后三种方法，因此一般主要采用第一种方法。 第二章漏泄同轴电缆的基本理论 1 7 2 5 漏泄同轴电缆耦合损耗的实际测量 耦合损耗是表征漏泄同轴电缆辐射能力强弱的物理量，耦合损耗定义式为 厶= - l o o g ( p ，z ) ( 2 - 2 6 ) 我们可以根据它的定义式对漏缆的耦合损耗值进行测量。 如图2 7 所示，电缆悬挂在木杆上，距水泥地面的高度为1 5 m 2 o m ，半波偶 极子天线固定在测试轨道小车上，并沿电缆平行移动。天线的中心点的高度应与 电缆悬挂的高度相同，距电缆的水平距离z 为2 m ，围绕电缆中心轴线，直径2 m 的圆柱空间内不应有金属体。根据电缆泄漏场强的极化方向可选择偶极子天线的 方向与电缆垂直或水平l j 。 漏泄同轴电缆试样 检测小车 图2 7 漏缆耦合损耗测试示意图 测量步骤： 1 调节功率信号发生器和测试接收机的频率， 2 将调好的信号输入到被测电缆试样的始端。 3 将测试轨道小车沿被测电缆试样平行移动， 子天线的接收功率电平值。 测量数据有效性说明： 测量测试连接线的衰减。 用场强接收机测量并记录半波偶极 1 为了保证测量数据的真实性、一致性，剔除环境及人为影响因素，应采用不少 于6 0 m 长度的标准测试场、轨道试验车和专用耦合损耗测试软件测试，每米采 样点数应不少于2 0 个。 2 为避免被测电缆试样端头的影响，与电缆两段部相距5 m 之内的测量数据不应 计在内。 1 8 辐射型漏泄同轴电缆设计 2 6 本章小结 本章主要介绍了漏泄同轴电缆的基本理论知识，首先介绍了漏泄同轴电缆的 基本结构，然后根据泄漏能量耦合到外部空间机理的不同介绍了漏泄同轴电缆的 两种分类方法，并分析了这两种类型漏缆的特性和应用环境。详细阐述了漏泄同 轴电缆的使用频带、耦合损耗、传输损耗等电气性能指标，分析了漏缆的空间辐 射模式，最后介绍了漏泄同轴电缆耦合损耗的实际测量方法。 第三章7 5 - 3 2 ( 4 7 ) 型漏泄同轴电缆的研究 1 9 第三章7 5 3 2 ( 4 7 ) 型漏泄同轴电缆的研究 3 1 引言 漏泄同轴电缆外导体上的开槽形状多种多样，各种槽形都有自己的优缺点。 目前比较实用的槽孔形状主要有：斜槽以及由其构成的八字形槽、u 形槽、l 形槽 等。其中斜槽和八字形槽漏泄同轴电缆仅考虑了高次模的消去，而没有考虑极化 特性，因此这类漏泄同轴电缆产生的辐射场极化比较复杂，沿漏缆的场强均匀性 较差，u 形槽和l 形槽漏泄同轴电缆则可产生垂直极化为主的辐射场，沿漏缆的 场强均匀性较好，一般来说，沿漏泄同轴电缆轴线切开的水平槽，由于口面的垂 直方向的电场在缝隙的两个边沿大小相等方向相反，其辐射场相互抵消，所以水 平槽不产生辐射。但如果在水平缝隙的一端或两端沿漏缆的横向切开一段很小的 缝隙，就形成了所谓的l 形或u 形槽缝隙，这种缝隙结构沿漏泄同轴电缆周向具 有不对称性，从而破坏了水平缝隙部分口面场的对称性，使得水平缝隙口面形成 几乎单一方向的口面场，从而产生辐射。但不管是l 形槽还是u 形槽，水平缝隙 部分是其主要辐射的部分，垂直短缝隙部分虽然可以引入小的轴向辐射场分量， 但其主要作用是为了打破结构对称性 3 2 1 。我国目前使用的漏泄同轴电缆以外导体 上开八字形槽为主，所以对八字形开槽漏泄同轴电缆的研究具有重要的工程应用 价值。 3 2 八字形槽漏缆的辐射机理 八字形开槽漏泄同轴电缆最早由日本提出，它是利用八字形槽切断外导体上 的壁面电流使之产生激励，像电偶极子一样产生辐射。在漏泄同轴电缆的内导体 和外导体间输入信号电压，那么在导体中就有电流流过，如图3 1 ( a ) 所示。在没有 开槽口的情况下，在电缆的外导体上，存在轴向电流，相应的在电缆的内部产生 与电流方向垂直的磁场。当存在开槽口时，在外导体上，根据设计的开槽口的不 同，电流的分布状态也发生变化，开槽口处就会有电磁场泄漏。当在外导体上开 八字形槽孔时，沿开槽口的长度方向，电流分解为相互垂直的两个分量，平行于 开槽口长度方向的分量和垂直于开槽口长度方向的分量。在图3 1 ( b ) 中，开槽口宽 度很小，电流沿开槽口几乎不发生变化，内外导体间的电磁场几乎不向外辐射， 所以八字形槽孔的宽度对耦合损耗影响比较小。在图3 1 ( c ) 中，垂直于开槽口长度 辐射型漏泄同轴电缆设计 方向的电流分布被打乱，磁场在开槽口处向外泄漏很大。根据麦克斯韦方程，变 化的磁场产生变化的电场。这样，电流在开槽口的面上产生了电场和磁场，成为 在电缆的外部空间传播的电磁场的场源。 电流线 ( a ) ( b )( c ) 图3 i 漏泄同轴电缆开槽口处电流分解示意图 3 3 八字形槽漏缆的辐射模式 通常，辐射型漏泄同轴电缆只允许单模向外辐射，以避免多模辐射引起的场 波动。在不采取任何措施的情况下，单模辐射的频带宽度较窄。外导体上开周期 性八字形槽孔的漏泄同轴电缆，可以抑制偶数次谐波辐射，从而使单模辐射的频 带宽度扩展。图3 2 为其空间谐波模式图，从图中可以看出，当厂 ，：时，1 次模的波开始辐射，随着频率的增加，3 ， - 5 越来越多的高次模开始出现，进入多模辐射区。表面波的场强容易受电缆周 围环境的限制，抗干扰能力差，空间传输距离短，多模辐射区的各种模式之间相 互干扰，场强波动较大，不适合传输信号。仅存在1 次谐波辐射的单模辐射区可以 产生均匀、稳定的电磁场来传递信号，是漏缆的有效使用频带，单模辐射区在f 和 3 石之间，带宽是2 。 第三章7 5 3 2 ( 4 7 ) 型漏泄同轴电缆的研究 2 1 图3 2 单八字形槽孔漏缆的空间谐波模式图 为了进一步扩展单模辐射的频带宽度，必须抑制1 次空间谐波辐射带宽内的 更多高次谐波，抑制的阶数越多，则频带越宽。通常采用增开新槽孔的方法扩展 单模辐射的频带宽度。 新开槽口的周期长度为 只胛- i = - p 2 m( 3 - 1 ) 如果m = 2 ，则只= p 4 ，即在原开槽口旁相距尸4 处配置一系列新开槽口就 可以抑制2 次谐波。此时，单模辐射带宽的上下限比变为3 ：1 。这样每消去一阶高 次模，开槽口数量必须加倍。 表3 1 开槽口数与频带扩大倍数的关系 一个周期内开槽口组数 频带扩展倍数 24 36 48 51 0 61 2 71 4 81 6 n2 n 2 2 辐射型漏泄同轴电缆设计 3 4s 参数简介 在前面的章节中，利用“场”的分析方法讨论了漏泄同轴电缆空间辐射场等问 题。由于漏泄同轴电缆外导体上的开槽结构复杂，因此，采用场，的分析方法( 利 用边界条件对电磁场方程求解) 得出漏缆内部的场分布，分析系统特性，一般是 相当困难的。但是在漏缆的工程实际应用中，并不总是需要详细求出其内部的场 结构，而只需知道电磁场信号通过漏缆后其幅度和相位等量的变化( 即所谓的外 部特性) 就可以了。因此，在一定条件下，可以将漏缆等效为网络，只关注其外 部特性。 本文中我们对漏缆传输损耗和耦合损耗的仿真和实测都是借助于s 参数，下 面对s 参数做简单介绍，并给出由s 参数得到传输损耗和耦合损耗数值的方法。 o a l a 2 n l a l 图3 3 二端口网络的波参量 o s 参数【3 3 】：s 参数即为散射参数( s c a t t e r i n gp a r a m e t e r ) ，如图3 3 所示的二端 口网络，其端i ：l 信号对分别为( a l ，b 1 ) 和( a 2 ，b 2 ) ；a l 和a 2 为场强复振幅的归一化 值，称为归一化入射波( 来波) ，b l 和b 2 也为场强