（电磁场与微波技术专业论文）泄漏同轴电缆谐振点抑制方法的研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 泄漏同轴电缆，也称连续天线，它是遵循特定的电磁场理论，沿着同轴 电缆的外部导体周期性或非周期性配置开槽口而形成的。沿着同轴电缆的轴 向分布的每一个狭窄开槽口都是一个电磁波辐射波源，电信号在泄漏同轴电 缆中传输的同时，能把电磁能量的部分按其设计要求从特殊开槽口以电磁 波的形式辐射到周围的外部空间。泄漏同轴电缆不仅具有实现有线通信的功 能，更重要的是它具有通信无盲区的无线通信功能，它是有线通信、无线通信、 电磁场与电磁波、电波传播等理论相互渗透、相互交融的产物。 本论文对泄漏同轴电缆的一些特性参数进行了理论研究，首先，简要介 绍了泄漏同轴电缆的结构、分类和几个电气特性参数，其中主要介绍了耦合 损耗和传输衰减，以及它们与频率、电缆长度和开槽角度之间的相互关系。 接着，讨论了泄漏同轴电缆的辐射条件、辐射波的三个工作频段。然后，介 绍了传输线的基础理论，其中重点介绍了传输线的几个特性参数，包括：特 性阻抗，反射系数和电压驻波比。 最后，重点分析讨论了泄漏同轴电缆的谐振点，提出了在泄漏同轴电缆 表面周期性地增加开设仿真槽的方法，对泄漏同轴电缆进行数学建模，分别 推导出了垂直开槽的泄漏同轴电缆在没有开设仿真槽之前和开设仿真槽之后 的反射系数公式，进而得到电压驻波比与频率的关系式，通过仿真分析发现， 在泄漏同轴电缆每两个辐射槽之间开设单个仿真槽可以达到抑制或消除谐振 点的目的，仿真槽与辐射槽的相对位置不同，被抑制掉的谐振点不同。而开 设多个仿真槽不但不能抑制谐振点，反而会使电缆的原有性质变坏。谐振点 被抑制之后，原来不能传输信息的频带得到利用，通信质量大大提高。 关键词：泄漏同轴电缆；反射系数；电压驻波比；仿真槽；谐振点 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a bs t r a c t t h el e a k yc o a x i a lc a b l ei sa l s oc a l l e dc o n t i n u ea n t e n n a , i ti sf o r m e db y c o n f i g u r i n gs l o t sa l o n gt h eo u t e r c o n d u c t o ro fc o a x i a lc a b l ep e r i o d i c a l l yo r u n p e r i o d i c a l l yf o l l o w e ds p e c i f i c a l l ye l e c t r o m a g n e t i cf i e l dt h e o r y e v e r yn a r r o w s l o t a l o n gt h e a x i so f c o a x i a lc a b l ei sae l e c t r o m a g n e t i cw a v er a d i a t i o n f o u n _ t a j = n l a e a d ，w h e nt h ee l e c t r o n i cs i g n a l sa r et r a n s m i s s e di n t h el e a k yc o a x i a l c a b l e ，i tc a l lr a d i a t eap a r to ft h ee l e c t r o m a g n e t i ce n e r g ya se l e c t r o m a g n e t i cw a v e f r o ms p e c i a ls l o t st oo u t e rs p a c ea r o u n da c c o r d i n gt od e s i g nr e q u r e m e m t h e l e a k yc o a x i a lc a b l en o to n l yh a v et h ef u n c t i o no fr e a l i z i n gl i n ec o m m u n i c a t i o n , b u ta l s oh a v et h ef u n c t i o no fu n l i n ec o m m u n i c a t i o nw h i c hh a v en o tb l i n d z o n e i t i s t h e p e n e t r a t e a n d b l e n d p r o d u c t i o n o fl i n ec o m m u n i c a t i o n , u n l i n e c o m m u n i c a t i o n ，e l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n de l e c t r o m a g n e t i cw a v e ，e l e c t r i cw a v e s p r e a dt h e o r ya n ds oo n t h i sp a p e rd i dt h e o r e t i cr e s e a r c ho ns o m es p e c i a l i t yp a r a m e t e ro fl e a l ：y c o a x i a lc a b l e ，f i r s t ，i n t r o d u c e dt h es t r u c t u r e s ，t y p e sa n ds e v e r a le l e c t r i cs p e c i a l i t y p a r a m e t e r so fl e a l qc o a x i a lc a b l eb r i e f l y , t h e r e i n t om a i n l yi n t r o d u c e dc o u p l i n g l o s sa n dt r a n s m i s s i o nl o s s a l o n gw i t ht h e i rc o n n e c t i o n 、航mf r e q u e n c y , c a b l e l e n g t ha n ds l o t sa n g l e i ns u c c e s s i o n , d i s c u s s e dt h er a d i a t i o nc o n d i t i o no fl e a k y c o a x i a l c a b l e ，t h r e ew o r k i n gf r e q u e n c yb a n d s o fr a d i a t i n gw a v e t h e n ， i n t r o d u c e dt h eb a s i ct h e o r yo ft r a s m i s s i o nl i n e ，m a i n l yi n t r o d u c e ds e v e r a l s p e c i a l i t yp a r a m e t e r s o ft r a s m i s s i o n l i n e ，i n c l u d e ：s p e c i a l i t yi m p e d a n c e ， r e f l e c t a n c ea n dv o l t a g es t a n d i n gw a v er a t i o a tl a s t , m a i n l ya n a l y z e da n dd i s c u s s e dt h er e s o n a n c ep o i n t so fl e a l 哆 c o a x i a lc a b l e ，p u tf o r w a r dt h em e t h o dt h a ta d d i n gs i r n u l a t i o n a ls l o t sp e r i o d i c a l l y o nt h es u r f a c eo fl e a k yc o a x i a lc a b l e ，c a l t yt h r o u g hm a t hm o d e l i n gt ol e a k y 哈尔滨工程大学硕士学位论文 c o a x i a lc a b l e ，e d u c e dt h er e f l e c t a n c ee q u a t i o n so fl e a k yc o a x i a lc a b l ew h i c h w i t h o u ts i m u l a t i o n a ls l o t sa n dw h i c hw i t hs i m u l a t i o n a ls l o t ss e p e r a t e l y , t h e ng o t t h er e l a t i o nf o r m u l ab e t w e e nv o l t a g es t a n d i n gw a v er a t i oa n df r e q u e n c y , b y s i m u l a t i o u a la n a l y s i sf o u n dt h a ta d d i n gs i n g l es l o tb e t w e e ne v e r yt w or a d i a t i o n s l o t so nt h el e a k yc o a x i a lc a b l ec a nr e s t r a i no rr e m o v et h er e s o n a n c ep o i n t s ，i f t h ed i s t a n c eb e t w e e nn e i g h b o r i n gs i m u l a t i o n a ls l o ta n dr a d i a t i o ns l o ti sd i f f e r e n t , t h er e s o n a n c ep o i n t sw h i c ha r er e s t r a i n e da l ed i f f e r e n t a n do p e nm u l t i s l o t sc a l l n o tr e s t r a i nr e s o n a n c ep o i n t s ，b u tm a k ec a b l e so r i g i n a lc h a r a c t e r sw o r s e w h g n r e s o n a n c e p o i n t s a r e r e s t r a i n e d ，t h ef r e q u e n c y w h i c hc a l ln o tt r a n s m i s s i n f o r m a t i o n sb e f o r ec a nb eu e s dn o w , c o m m u n i c a t i o nq u a l i t yi m p r o v e dl a r g e l y k e yw o r d s ：l e a k yc o a x i a lc a b l e ；r e f l e c t a n c e ；v o l t a g es t a n d i n gw a v er a t i o ； s i m u l a t i o n a ls l o t s ；r e s o n a n c ep o i n t s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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己 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) ：雷雁薛 日期：2 , - 0 8 年弓月弓目 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【l 】。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【2 】。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【3 】。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。 泄漏同轴电缆是一种将信号传输、发射及接收特性融为一体的高频传输 线，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【4 】，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。由于同 一根电缆可以在8 0 m h z 、1 5 0 m h z 、4 0 0 m i - i z 、9 0 0 m h z 、1 5 0 0 m h z 等多个频 段上同时工作，因而，仅敷设一根超宽频带泄漏同轴电缆，可以同时实现调 频、消防、报警、移动通信等多种通信【5 】。 1 2 泄漏同轴电缆的国内外发展现状 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。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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。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 以使用到9 0 0 m h z 的超宽带泄漏同轴电缆，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i 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 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，即耦合损耗较小。 美国a n d r e w 公司研制的超宽带泄漏同轴电缆把皱纹外导体相距1 8 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 、1 7 0 0 m h z 。 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，但这些宽频带泄 漏同轴电缆目前仅有15 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 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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嘲。 1 3 泄漏同轴电缆的应用 1 3 1 泄漏同轴电缆在井下的应用 随着国民经济的迅猛发展，煤炭生产已成为国民经济发展的支柱产业， 随着近年来电子工业的发展，煤炭生产的安全商效己逐步得到实现，但生产 调度通讯还存在很大缺陷，特别是难以满足井下移动人员通讯和移动设备的 监测监控【6 】。 井下泄漏同轴电缆移动通信，国外早在7 0 年代就已开始使用。世界上第 一条井下泄漏同轴电缆移动通信电路，于1 9 7 0 年安装在英国b o n g a n n e t 煤矿。 它采用各基台用有线连接的多基台组网方式。 在井下利用漏泄电缆进行射频信号的传输、辐射和接收是实现稳定可靠 的移动通信的首选方案，这一论点早已得到业内的共识1 7 1 。 我国井下泄漏同轴电缆移动通信电路是1 9 8 4 年由机电部二十二研究所和 上海梅山铁矿合作，于1 9 8 6 年研制成功，并通过机电部部级技术鉴定。他们 在1 9 8 3 年就对铀矿、铁矿的井下环境，通信现状和矿方对通信的技术要求等 作了现场考察。同时收集了国内外大量资料。了解了国外矿井通信技术和新 近发展【s 1 。在此基础上确定了梅山铁矿的井下泄漏同轴电缆移动通信的研制 方向和实施的技术途径。 泄漏同轴电缆移动通信系统工程具有显著的社会效益和经济效益，是强 化井下生产指挥实现矿井管理现代化的必要手段。系统的技术属国内先进， 达到了国外8 0 年代同类系统的水平。填补了我国金属矿山井下移动通信的空 哈尔滨工程大学硕士学位论文 白。它不仅适用于金属矿井，也适用于其它地下工程。在军事应用方面也有 较大的使用价值，值得大力推广【9 】。 1 3 2 泄漏同轴电缆在公路隧道内的应用 公路隧道移动通信系统是公路通信系统的重要组成部分，也是公路移动 通信系统的重点和难点项目【l o 】。在山区公路中具有大量的公路隧道，隧道内 往往是无线电波传不到的地方，我们把这些地区称为无线信号的场强“死区” 或“盲区”。要想在隧道内进行无线通信就必须建立隧道内的公路移动通信网 络，使隧道内的整个区域能被无线信号场强覆盖到，使死区激活。公路隧道 移动通信系统是整个公路移动通信系统的一个重要组成部分，确保公路所有 路段没有无线信号的场强“死区”，是公路移动通信要做的重要研究之一。 在山区公路隧道中，隧道内的塌方、交通事故、火灾等常常是一些不可 预知的随机事件，这些事件的发生严重地影响了交通的安全运行，并且会造 成重大的交通事故和人员伤亡。要快速的解决这些问题就必须建立先进的现 代化公路移动通信网。目前，全国性的专用公路移动通信系统尚处空白阶段， 在边远地区和公路隧道内移动通信网的建设与维护还存在着很多有待解决的 问题，公路移动通信网的建设与发展具有很大的市场前景和非常重要的意义。 目前实现公路隧道内的移动通信系统主要有两种方式，一种是泄漏同轴 电缆型移动通信，另一种是射频定向传输型移动通信i n 。 1 3 3 泄漏同轴电缆在铁路移动通信上的应用 泄漏同轴电缆作为一种开放或半开放式传输线，在隧道、地道之类的特 殊环境获得越来越广泛的应用【1 2 】。在上述环境中，由于无线电波因隧道壁而 受到强烈衰减以及受到隧道弯曲、拐弯等的阻碍作用，如果仍采用普通的无 线电通信方式，几乎不能实现5 0 米以上的移动通信。因此，为了在这种环境 内实现稳定可靠的移动无线电通信，从本世纪6 0 年代末期起，开发出一系列 泄漏同轴电缆产品，从而可构成各种独特的泄漏同轴电缆通信系统，完满的 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 解决了上述通信难题。 铁路移动通信系统是泄漏同轴电缆最早开发应用的领域，并开始广泛采 用。泄漏同轴电缆不仅作为解决弱电场的对策广泛用于铁路隧道以及地下铁 道之类的特殊环境，而且还可以沿铁路全线敷设，以构成性能更为理想的新 型通信系统【1 3 1 。 1 4 本课题的现实意义 近年来，随着电子技术和计算机技术的迅猛发展，通信技术也随之得到 快速发展，由于通信市场的激烈竞争，商家们都争相地改进和提高自己的产 品质量，从而，人们对于通信质量的要求越来越高，希望能有更宽的通信频 带可以利用。 泄漏同轴电缆虽然可以解决例如隧道、地下商场、矿井等通信盲区的通 信问题，但是，仍然存在通信频带窄的问题。通过在泄漏同轴电缆表面有规 律的增加开槽可以在一定程度上达到扩展频带的目的，但是，在周期不变的 情况下，随着每个周期内槽的个数的增加，槽与槽的距离会相应的变小，它 们之间的互相干扰就会越来越强，并且这种干扰反映在反射系数幅值的大小 上。同轴电缆的特性阻抗与终端负载的阻抗会不匹配，从而沿着电缆传输的 能量不能全部到达终端被完全吸收，有一部分能量会在槽孔处产生反射，致 使到达终端的信号能量十分微弱。每个槽孔都会产生一个反射系数，这些反 射系数进行叠加，如果是同相叠加，则在一定的频率处其辐值就会达到峰值， 并且这种峰值是周期性出现的，这样的频率称为谐振频率，对应谐振点，这 些位置的反射系数非常大，几乎全部的发射信号都被反射回去，情况严重时 该频率处不能输出信号，其附近的频率带就会成为通信盲区，将通信频带隔 断，使通信频带变窄，严重影响通信质量。 如果能使反射系数的幅值减d , n 通信允许范围内，就能使原本不能传输 信号的频带得到正常利用，从而达到扩展频带的目的，为此，可以采用在泄 漏同轴电缆表面增加开设仿真槽的方法。开设的新槽取表面积很小的圆孔， 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 不会影响正常槽孔的辐射，但是能产生反射系数。新槽的反射系数与原来的 槽孔的反射系数进行反相叠加，使最后合成的反射系数减小。当谐振点被抑 制后，通信频带得到扩展，通信质量会大大提高。 1 5 本文主要内容及工作安排 本文的主要研究对象是泄漏同轴电缆的一些特殊电气特性参数，主要内 容及工作安排如下： 第一章主要介绍了泄漏同轴电缆的由来，它的国内外发展现状及其在各 种环境下的具体应用。 第二章主要介绍了泄漏同轴电缆相关的基本理论。简要地介绍了泄漏同 轴电缆的物理结构，泄漏同轴电缆一些重要参数指标，其中重点介绍了耦合 损耗和传输衰减，讨论了泄漏同轴电缆的工作模式和辐射方向，通过仿真分 析了电磁波的辐射方向与频率、波长之间的相互关系。 第三章介绍了传输线的相关理论，首先简要介绍了传输线的种类，然后， 介绍了传输线上电压和电流对应的入射波和反射波。最后，详细介绍了传输 线的几个重要参数，重点讨论了反射系数和电压驻波比与特性阻抗的关系， 以及传输线的工作状态。 第四章是整篇论文的核心内容，泄漏同轴电缆谐振点的抑制部分。在这 部分中，首先对泄漏同轴电缆进行数学建模，确定每个槽孔的反射系数，进 行叠加，得到总反射系数的递推公式，通过仿真图分析了泄漏同轴电缆的谐 振点的位置和电压驻波比的幅值情况，接着，在泄漏同轴电缆表面增加开设 仿真槽，再次建立数学模型，推导出在每个槽组内开设单个仿真槽和多个仿 真槽时的反射系数递推公式，将递推公式进行仿真分析，得到谐振点和电压 驻波比的抑制情况，最后得出结论。 6 哈尔滨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 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i ：3 。其外部结构 【1 4 】如图2 1 所示，其剖面结构【1 5 】如图2 2 所示。 内 图2 a 泄漏同轴电缆结构图 外导 护套 聚乙烯绝缘 螺旋支撑件 图2 2 泄漏同轴电缆的剖面图 7 导体 哈尔滨工程大学硕士学位论文 泄漏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组成。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s ，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【粤。 2 2 泄漏同轴电缆的分类 泄漏同轴电缆按能量耦合n # t - 部空间机理的不同可以分为耦合型和辐射 型两种类型，它们的几何结构各有不同，下面分别介绍这两种泄漏同轴电缆 各自的特点。 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泄漏同轴电缆，如图2 3 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，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。由于耦合型泄漏同轴电缆产生的多是表面波，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 耦合型泄漏同轴电缆结构图 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 2 辐射型泄漏同轴电缆 外导体上配置周期性变化的开槽口是典型的辐射型泄漏同轴电缆，如图 2 4 所示，其外导体上所开槽孔的间距与波长( 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叠加，相同的泄漏同轴电缆能量在辐射 方向上相对集中，并且不会随距离的增加而迅速减小。 蒸一 潋j 麓簇燃i 豢疆纛薹豢豢鹬 ( a ) ( b ) 图2 4 辐射型泄漏同轴电缆结构 我们可以根据不同的应用场合选择不同类型的泄漏同轴电缆，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【侣】。一般而言， 泄漏同轴电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泄漏同轴电缆。 2 3 泄漏同轴电缆的耦合损耗 泄漏同轴电缆主要有三个电气特性指标，即使用频带、耦合损耗以及传 输损耗【1 9 1 ，前两个指标至关重要，泄漏同轴电缆的理论研究基本上是围绕它 们进行的，但是，本文研究的主要对象是泄漏同轴电缆的谐振点，所以，在 这里我们简要介绍一下耦合损耗和传输衰减。 2 3 1 耦合损耗的理论计算 耦合损耗是泄漏同轴电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，所以是泄漏同轴电缆设计的关键指标之一。本节将由开缝处 的电场分布的柱面傅里叶变换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，最后讨论耦合损耗的几个 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 影响因素，为泄漏同轴电缆耦合损耗指标的设计提供理论依据。 在分析时，以垂直开槽的辐射型泄漏同轴电缆【2 0 】为例。首先考虑与轴向 垂直的外导体单个缝隙的情况，如图 2 1 3 2 5 所示。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： 聊一=*丽cos(kob孕,)i(2-1cos( ) w ld 口 i 图2 5 泄漏同轴电缆外导体开缝坐标 其中：v = ( - j v o s ，) 2 k o b l n ( b a ) 】，一口 伊 口，0 z w ，a 和b 分别为 同轴电缆的内外导体半径，k 为激励电压，k 为自由空间的波数，w 为缝隙 宽度，由于w 很小可以认为e 沿z 向是不变的圈。 由e 的表达式可以求得其柱面傅里叶变换为： 丘( 刀，c o ) c o ) = 圭f ”d 妒r 出e ( 伊，z ) p 一卿p 一伽丘( 刀， 2 寺j ：d 妒【出e ( 伊，z ) p 一卿p 1 也 等叶一型盟ie-j,_,dcpdrlae o s ( g b a ) f r e 咖出 ( 2 - 2 ) w l 南 、7 当w _ 0 时，式( 2 2 ) 变为： 最= v s i nn a 7 n 一鲤m 篙恭c o s 笋 l一，z lm 口i 其中：m = k o b ，外导体上开缝的远区辐射场如图2 6 所示， 下式表示： 易：譬sino妻，。n+lj-tc硎)r 万 。 e妒=-jko芸siil臼艺一n+lgn(一cosd?)8 l s i i l 臼p 脚( 一) 万，or # 。- q 0 。 ( 2 - 3 ) 当，很大时可由 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 其中 一 烈叫。东筹褊 ( 一缈) 日：纠( 6 一国) g 。( 国) 2 磊i c o n r o 动e , ( n 丽, r o ) 霜； 日j ：) 和磁2 ) 7 分别为n 阶第二类汉克尔函数及其导数。 ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) 图2 6 缝隙远区辐射场示意图 由式( 2 5 ) 可知，在伊= o 平面内巴为0 。图2 7 为秒= 万2 平面内易的方向图， 从图中可以看出正对着泄漏同轴电缆的位置，即缈= 0 处电场最强，所以在测 量耦合损耗时偶极子天线应正对着泄漏同轴电缆。 图2 7e 口在h 面内的方向图 上面分析了单个缝隙的辐射场，而泄漏同轴电缆外导体上周期性地分布 着多个缝隙，周期为p ，如图2 8 所示。在远场区，自z = 0 处计算的第t 个 哈尔滨工程大学硕士学位论文 缝隙的辐射场表达式如下： = 学墨勰- s i l l ， 巴研2 ：一乙：旯孵丢_ x u 石j 万口= 二：7 l d 谚， 由于电缆内电波的传播会使得各缝隙辐射源存在相位差，所以上式中附加了 电缆内电磁波的相移因子e - 风厨。 图2 8 泄漏同轴电缆辐射场图 图2 8 中e 护，h 妒与r 相互垂直，以= 吼，= 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彳导到： 心气1 篓竽塞器 口9 ， 设测量的泄漏同轴电缆长度为2 l ，周期为p ，m = l p ，则t 取值为 一m ，一m + 1 ，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 半波长偶极子天线的有效面积的乘积得到，标准半波偶极子天线的有效面积 为o 1 3 2 2 ，则天线接收功率为： 乞= o 1 3 2 2 去i 1 27 7 0 = o 0 6 5 2 2h 9 1 2r o ( 2 1 0 ) 泄漏同轴电缆的传输功率为： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 互：磐( 2 - 1 1 ) 二厶o 本文中取乙。：5 0 f 2 ，v o = 1 v 。泄漏同轴电缆的耦合损耗【2 3 】可由下式计算： 厶= 一l o l g ( p , 只) = - l o l g e ，一2 0 ( 2 - 1 2 ) 通常在测试耦合损耗时，都是将天线置于正对电缆的1 5 m 或2 m 处，然后沿 轴向测量各点的值。如果有5 0 的测试点的值小于某一值，则该值记为厶，。， 如果有9 5 的测试点的值小于某一值，则该值记为k ，通常取k ，为泄漏同 轴电缆的耦合损耗值。 对于沿着泄漏同轴电缆轴向周期性排列的八字形开槽口阵列来说，通常 开槽口的宽度与长度l 相比足够小，其宽度对耦合损耗的影响可以忽略不计， 并且当开槽口的长度l 与倾角口与使用波长相比也足够小时，耦合损耗厶通 常可由下式近似表达： 厶o c2 0 1 9 ( l 2s i n 2 8 ) 通过调整开槽口的长度和倾角，即通过调整阵列辐射波源的强度，可以 获得任意目标的耦合损耗。 2 3 2 耦合损耗的影响因素 垂直缝隙的开槽角度a 、开槽周期尸、频率厂等因素对泄漏同轴电缆的 耦合损耗都有一定的影响。 当频率厂和周期p 一定时，开槽倾角为兰时，耦合损耗最小，泄漏同轴 4 电缆向外辐射的能量最多，电波在周围空间的覆盖范围最大幽】。当泄漏同轴 电缆的频率厂和开槽倾角汐一定时，开槽周期越大，耦合损耗越大，向外辐 射的能量越少。当泄漏同轴电缆的开槽倾角口和周期p 一定时，随着频率的 增加，倾斜开槽泄漏同轴电缆耦合损耗的理论值随之减小，所以泄漏同轴电 缆通常使用在较高的频段。 若缝隙与轴向不垂直时，缝隙口面的电场分布会出现轴向分量色，因此 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 倾斜开槽的缝隙口面的电场分布将更加复杂，但是其影响因素与垂直开槽是 相同的。 2 4 泄漏同轴电缆的传输衰减 2 4 1 传输衰减的组成 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【2 3 】，可表示如下： a = o c c + 仅d + 。c rq - 1 3 ) 其中：口为总衰减，哎、和6 1 ，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 4 2 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 大，因此通常导体衰减都不为零闼。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只的 计算公式，设电缆内外导体表面上的微元面积d s = d l d z ，d l 和如分别为电缆 纵向和轴向的微元长度，则在该微元面积上损耗功率为： a p t = ( 争蚓2 + 粤i 皿：1 2 ) a l a z ( 2 “) 二二 其中：i 以，i ，i 皿：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，r ，足：分别为各自的表面电阻，可表示为： 愿l = 足2 = 1 4 ( 2 - 1 5 ) ( 2 1 6 ) 屠序 哈尔滨工程大学硕士学位论文 于是单位长度上的损耗功率为： 圪一r 2 ld 训h ，。胁譬百蚶讲 ( 2 1 7 ) 其中：p 为电缆的传输功率，可表示为： p = 知2 皿1 2 必 其中：i q l 为磁场的横向分量的幅值，z 为对应传输模式的波阻抗。 ( 2 1 8 ) 图2 9 同轴线t e m 模的场分布 如图2 9 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： 在外导体内表面处有： 在内导体外表面处有： 耻2 走 p 1 9 ) h ，l - 以卜i ( 2 2 0 ) 6 i n 口 蜘乩= g o 弓 p 2 1 ) 将( 2 2 0 ) 和( 2 2 1 ) 代a ( 2 - 1 7 ) 得到： ( 2 - 2 2 ) z 一 匙一口 i b 一6 寄” 而( 2 - 1 8 ) 可表示为： 肚丢毒矿咖采a ( 2 - 2 3 ) z 咧il i l 三i r 2么t e mm 一 = 嚣 ( 2 - 2 4 ) 将( 2 - 2 2 ) , n ( 2 2 3 ) 代入( 2 2 4 ) 中，令z c = z 赢t n ( b a ) 2 n ，得到导体衰减叱为： = 去( 争+ 鲁) n p 佃p 2 5 ， 铲瓦l 亍+ 言j 触犯之 将式( 2 - 1 5 ) 和式( 2 1 6 ) 代入式( 2 2 5 ) ，得n - l 暇2 面 r 一广。一 死，弘冗f 弘 虹上垃 n p m( 2 2 6 ) f p h z ) 图2 1 0 导体衰减与频率的关系图 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 式中z c = z t 踟l n ( b l a ) 2 7 c 为泄漏同轴电缆的特性阻抗，通常取5 0 q 或者 7 5 f 2 。由( 2 2 6 ) = - h - 丁知，与厂成正比关系，工作频率越高，导体衰减越大。 图2 1 0 为导体衰减与频率的关系图，由于铜管具有高的电导率，内外导体通 常选取铜管为材料以降低导体衰减，识的单位换算成d b k m 2 6 1 。从图中可 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，需要在传输线路中加入中继器。 2 4 3 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，它包 括两部分，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，表现为占不再是纯实数，而是一个复数，称为复介电常数，记 为，可表示如下： 乞= 占一占 ( 2 - 2 7 ) 由麦克斯韦方程有： v 疗= 国t 豆+ 仃盖= _ ，彩( 乞一- ，昙) 豆 ( 2 - 2 8 ) 为此，可定义等效介电常数气： 6 e c 二r e - - 旦：占，1 一o + 0 ) ，6 w 。：占，( 1 一j t g a ) ( 2 - 2 9 ) 。 j 其中： 辔万：o + _ 0 ) 6 一n ( 2 - 3 0 ) 称之为介质的损耗角正切，由于微波波段的嬲”比仃大得多，所以留万可近 似表示为： 辔万壬( 2 3 1 ) 根据传播常数方程y = 碍一k 2 ，有： 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 7 = + 形= 据= 蕊丽丽 咖瓜踊 ( 2 3 2 ) 其中：五为工作模式的介质波长。当损耗较小，t 9 8 l ，且工作频率远高 于截止频率时，( 2 - 3 2 ) 中1 后一个因子可用近似处理，则有： y = 雁 将上式的实部和虚部分开，得到： ( 1 - 牟)( 2 3 3 ) 2 1 一( ；) 2 】 几 。两r a 9 8 陋瓜踊 ( 2 3 4 ) 2 - 3 5 ) 式( 2 - 3 4 ) 就是介质衰减的表达式，对于t e m 来说，恕= 0 ，丸= 0 0 ，式( 2 3 4 ) 变为： ：掣：u f t 9 8n p m( 2 3 6 )= 一= 【= z 。 以c 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。 图2 1 l 为介质衰减和频率的关系图，计算时采用聚乙烯为绝缘层材料， 其损耗角正切为0 4 x 1 0 q ，介质衰减采用d b k m 作单位【冽，从图中可以看出 介质衰减随频率直线上升，其上升的速率要比导体衰减快很多，在较低的频 段介质衰减相比导体衰减是很小的，但当频率接近2 g i - - i z 时，介质衰减与导 体衰减大致相当。 1 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 e 芒 已 专 订 堪 馔 峰 女 2 4 4 辐射衰减 图2 1l 介质衰减和频率的关系 泄漏同轴电缆只辐射基模时，其周围的辐射功率是均匀的，耦合损耗厶 和辐射损耗口，的关系可由式( 2 3 7 ) 近似得到【2 9 】： 厶= 5 3 2 - 1 0 l g ( , 元2 r ) - 1 0 1 9 0 l ( d b ) ( 2 3 7 ) 其中：力是自由空间的波长；，是泄漏同轴电缆与标准耦合天线之间的垂直 距离( 标准距离通常为1 5 m ) 。 图2 1 2 是在频率分别为5 0 0 m h z ，1 0 0 0 m h z 和1 8 0 0 m h z 时，泄漏同轴 电缆的耦合损耗与辐射衰减的关系图。可以看出频率越大，辐射衰减越大， 耦合损耗越小，即电磁波辐射强度越大，这可以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 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 小，从而在泄漏同轴电缆周围空间的电波覆盖范围越大f 3 0 】。然而，在实际工 程应用中，必须要综合考虑耦合损耗和辐射衰减之间的关系，因为耦合损耗 决定了泄漏同轴电缆所辐射电磁波能量的多少，即电磁波在空间的传输距离。 但随着辐射电磁波强度的增加，其辐射损耗也急剧增大，从而也相对缩短了 泄漏同轴电缆在空间的有效传输距离。 。d o j 耀 辎 纂 辐射衰减a r ( d b k m ) 图2 1 2 耦合损耗和辐射衰减的关系 2 5 泄漏同轴电缆的三种工作频段 前面我们分析了泄漏同轴电缆产生辐射波的条件，根据多槽孔泄漏的无 线电波的干扰。可把辐射区分为下列3 个频率： ( 1 ) 尾是虚数且成为表面波模的频段； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 2 ) 尾是实数且只有单模辐射的频段； ( 3 ) 尾是实数且由多模辐射组成的频段。 图2 1 3 空间谐波模式图 从上图可以看出，图2 1 3 表明在厂 斤时，1 次模的波开始辐射。随着频率的增加，2 ，一3 ，越来越多 的高次模开始出现。此时，多个模式的波同时存在，这也就是我们所说的多 模辐射1 3 1 。 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 间传输距离也很短，所以我们通常采用辐射波来传递信号。然而，从开槽口 辐射的电波一般是多种模式同时存在，不同的模式有不同的空间传输常数， 结果会产生驻波，从而造成各种模式之间相互干扰，导致场强波动较大。因 此，我们希望频带宽度限制在1 次模辐射的区域，也就是我们所说的单模辐 射区域。因为单模辐射可以产生均匀、稳定的电磁场来传递信号。在图2 1 3 中，单模辐射的区域是在石和2 石之间，带宽是石p 2 】。 2 6 泄漏