（环境工程专业论文）耦合型宽频漏泄同轴电缆设计.pdf

摘要 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) 是外导体不完全封闭的同轴 电缆。漏泄同轴电缆具有传输线和连续型天线两种功能，由于它的特殊性及其显 著作用，被广泛应用于矿山、地铁、隧道、山洞、高速铁路沿线、地下商业街及 军事掩体等闭域或者半闭域空间的无线通信，因而对漏泄同轴电缆的研制有着深 远的意义。 本文首先对漏泄同轴电缆的结构、分类、辐射机理、辐射模式和辐射方向等 基本理论作了简要的介绍。然后介绍了漏缆的四个主要电气特性指标：特性阻抗、 使用频带、耦合损耗和衰减常数，并通过软件仿真对它们进行举例说明。最后根 据漏缆的相关理论并结合相关标准，设计出了一种耦合型宽频漏泄同轴电缆。 文中所设计的漏缆为物理发泡聚乙烯绝缘皱纹铜管外导体漏泄同轴电缆，它 是耦合型宽频漏泄同轴电缆，经过电磁仿真分析和样品实测得出本文所设计的漏 缆在特定频率下的特性阻抗、衰减常数和耦合损耗均满足标准要求。文中所描述 的漏泄同轴电缆的相关理论和设计方法可用于研制其它类型的漏泄同轴电缆，具 有较好的通用性。 关键词：无线通信漏泄同轴电缆闭域或半闭域电气特性 a b s t r a c t a b s t r a c t l e a k yc o a x i a lc a b l ei sak i n do fc o a x i a lc a b l e so fw h i c ht h eo u t e rc o n d u c t o ri s i n c o m p l e t ec l o s e d i th a st w of i m c t i o n so fb o t ht r a n s m i s s i o nl i n ea n dc o n t i n u o u s a n t e n n a i ti sw i d e l yu s e di nc 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 s ，c a v e s ， h i 曲- s p e e dr a i l w a y , u n d e r g r o u n dm a r k e t s ，m i l i t a r yb u n k e r s ，a n do t h e rb u i l d i n g si nb l i n d o rs e m i - b l i n dz o n e sf o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sb e c a u s eo fi t s p a r t i c u l a r i t y a n d s i g n i f i c a n te f f e c t s t h er e s e a r c ho nl e a k yc o a x i a lc a b l ei so fp r o f o u n ds i g n i f i c a n c e f i r s to ft h i sp a p e r , t h es 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 et h e o r y , m o d e ，d i r e c t i o no f r a d i a t i o no fl e a k yc o a x i a lc a b l e si sb r i e f l yi n t r o d u c e d a n dt h e n ，i td e s c r i b e sm a i n e l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fl e a k yc o a x i a lc a b l e si n c l u d i n gc h a r a c t e r i s t i ci m p e d a n c e ， o p e r a t i o nf r e q u e n c yb a n d ，c o u p l i n gl o s sa n da t t e n u a t i o nc o n s t a n t ，w h i c ha r ei l l u s t r a t e d w i t he x a m p l e st h r o u g hs o f t w a r es i m u l a t i o n f i n a l l y ，ak i n do f w i d e - b a n dc o u p l i n gl e a k y c o a x i a lc a b l ei sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h er e l e v a n tt h e o r ya n ds t a n d a r d s t h ec a b l ed e s i g n e di n t h i sp a p e ri sf o a m e dp o l y e t h y l e n ed i e l e c t r i cc o r r u g a t e d c o p p e rt u b eo u t e rc o n d u c t o rl e a k yc o a x i a lc a b l e ，w h i c hb e l o n g st oc o u p l i n gl e a k y c o a x i a lc a b l e s t h ec h a r a c t e r i s t i ci m p e d a n c e ，c o u p l i n gl o s sa n da t t e n u a t i o nc o n s t a n to f t h el e a k yc o a x i a lc a b l ei n t h i s p a p e rs a t i s f yt h er e l e v a n ts t a n d a r d s i n p a r t i c u l a r f r e q u e n c i e sb ye l e c t r o m a g n e t i cs i m u l m i o na n a l y z i n ga n ds a m p l et e s t i n g ，a n dt h e m e a s u r e m e n tr e s u l t sa r ei na g r e e m e n tw i t ht h es i m u l m i o nr e s u l t s t h er e l e v a n tt h e o r y a n dd e s i g nm e t h o do fl e a k yc o a x i a lc a b l ed e s c r i b e di n t h i sp a p e rc o u l db eu s e dt o d e v e l o po t h e rt y p e so fl e a k yc o a x i a lc a b l e s ，a n dt h e yh a v eg o o du n i v e r s a l i t y k e y w o r d s ：w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n l e a k yc o a x i a lc a b l e b l i n do rs e m i b l i n d a r e ae l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c s 第一章绪论 1 1 1 漏泄同轴电缆简介 第一章绪论 1 1 漏泄同轴电缆概述 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) 是外导体不完全封闭的同轴 电缆。沿漏缆内部传输的一部分电磁波能量可通过外导体上的槽孔或缝隙辐射或 耦合到由该外导体和周围环境所构成的天线传输系统中，或按照与上述相反的方 向进行耦创。一般的射频同轴电缆是由内外两部分导体构成的双导体系统，由于 其外导体的屏蔽作用，电磁能量只能在内部传输，因此电缆外部基本没有信号场 强。在射频同轴电缆的基础上，人们研制了可以用于无线通信的漏泄同轴电缆。 漏泄同轴电缆是人为地在同轴电缆的外导体上开孔、开槽或采用编织的方式破坏 外导体的完整性，从而使无线电信号沿着同轴电缆传输时，既能沿轴向向远方传 播，又能沿径向产生漏泄电磁信号场强，使得沿该电缆附近的空间获得电磁信号， 这些电磁信号就可以用于无线通信。 1 1 2 漏泄同轴电缆的应用 漏泄同轴电缆具有传输线和连续型天线两种功能，电磁能量既能够沿它的轴 向传输又能够向径向周围空间辐射。漏缆由于它的特殊结构使它具有信号覆盖均 匀，低耦合损耗、电磁污染很小，低传输衰减、传输距离远，敷设简单、容易改 变通信线路等优点。随着通信技术的发展，漏缆在电磁波难以传播的闭域或半闭 域空间，如隧道、矿井、建筑内部等，以及需要信号连续均匀覆盖的地铁、高速 公路沿线等，均有着广泛的应用前景1 2 】。与此同时，泄漏同轴电缆还可以用来对某 些特定区域进行电磁波覆盖，以达到监控和警戒作用。 ( 1 ) 在无线通信中的应用 在无线通信技术日新月异的今天，人们对无线通信的需求越来越大，各种新 型移动通信业务也随之日益增多。在高楼、大厦、船舶、炼钢厂以及屏蔽很好的 核电场内部，无线电均不能自由传播，难以实现移动无线通信，因而必须采用漏 缆来构建移动通信系统。同样，在展览大厅、大会会场等闭域或半闭域空间也需 要铺设漏缆以支持移动电话通信1 3 j 。漏泄同轴电缆与射频同轴电缆相比，在长距离 2 耦合型宽频漏泄同轴电缆设计 传输时的衰减会很大，以至于漏泄出来的电磁能量降低，从而降低通信质量甚至 达不到通信要求。但此时若在每一定长度的漏缆段之间加入中继器，就可以降低 衰减并实现远距离通信。目前，铁路无线通信正朝着综合化、数字化、多信道方 向发展，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 4 l 。 ( 2 ) 在矿井、隧道中的应用 煤矿井下列车隧道等场所一般有较多的拐弯处，内壁比较粗糙，对电磁波有 隔断、反射、吸收等作用，使无线电信号难以传播或信号传播距离很难达到要求1 5 1 ， 而这些场所的通信又是至关重要的。铺设漏缆是解决这些场所通信问题的最行之 有效的方法。当漏缆沿隧道、井下铺设后，这些地方就充满了漏泄出来的电磁波， 处在这些地方的无线通信设备就可以接收到外部传来的信息，这样就使隧道、井 下和地面的通信畅通，对保证井下安全等具有重大意义。在这方面应用的例子很 多，如我国北京地铁就铺设了漏缆，一些煤矿井下也铺设了这种电缆；在国外比 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 ”的辐射漏缆，包括从主 隧道n d , 的服务支线，从隧道终端到通风机操作室，其工作频率为1 0 0 m h z 到 9 0 0 m h z ，从而任何人在任何地点均可通过4 5 0 m h z 频段的手机进行通讯，亦可转 播交通管制情况、视频信号和话音信号。 ( 3 ) 频域覆盖和区域监护 由于漏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，与此同时，可以利用漏缆的这个特性来对一些特殊区域进行电磁波的 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f 6 】。利用漏缆进行 频域覆盖和区域监护的原理为：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，部分能量通过泄露同轴电缆的槽 孔泄露到外部空间，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 点打开引发警报装置【7 】1 引。目前已经有不少公司生产用于频域覆盖和区域监护的漏 泄同轴电缆，图l 是漏泄同轴电缆警戒系统连接示意图。 第一章绪论 3 图1 漏缆警戒系统示意图 精缆终端连接 1 2 漏泄同轴电缆的研发现状 1 2 1 漏泄同轴电缆产品研发现状 漏泄同轴电缆最初是由英国人于1 9 4 8 年提出来的。自2 0 世纪六、七十年代， 美国、日本、德国等国家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到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 15 0 m h z - - - - 9 0 0 m h z 的漏泄同轴电缆。 德国对漏泄同轴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，即耦合损耗较小。 4 耦合型宽频漏泄同轴电缆设计 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l8 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 、l7 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、生产漏泄同轴电缆， 至今研制了一系列不同型号、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。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。另外，大唐电信科技股份有限公司、江苏亨鑫和珠海汉胜 等单位对漏泄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 2 2 漏泄同轴电缆理论研究现状 在理论研究方面，目前已经有不少的研究人员对漏缆的理论和应用发表了不 少优秀的论文。h i l l 、w a i t 、r i c h m o n d 、w a n g 和t r a n 研究了螺旋绕包型漏缆的场、 传播常数以及传播常数和传输阻抗的关系1 9 】【1 0 】，以及稀疏编织外导体漏泄电缆在隧 道应用中的串联阻抗和传播模式i i l 】【1 2 】。这两种漏缆的衰减太大，现在已经很少使 用。h a s s a n 、d e l o g n e 和l a l o u x 研究了纵向连续开槽的泄漏电缆的场、传播常数 以及耦合特性l l 列1 14 1 。王均宏和m e i 用并矢格林函数、等效磁流法对周期性开槽漏 缆的辐射场以及频带、耦合损耗等做了理论研究和仿真【1 5 】1 1 6 】。k i m 、y u n 和p a r k 采用矩量法研究了具有多角度、多缝隙结构的漏泄电缆的传播常数和辐射特性【17 1 。 王均宏还对贴片型漏缆( p l c x ) 的辐射特性以及产生圆极化波的漏缆槽形进行了 研究i l s l l l 9 。 1 3 研究内容和章节安排 目前铁路正在大幅提速，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，这就须通过漏泄同轴电缆通信系统来实现，以漏泄同轴电缆 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。随着我国城市 人口的不断增加，随之而来的是城市交通压力的越来越大，因此我们要建设大量 的地铁来缓解现存的交通压力，而漏泄同轴电缆在闭域或半闭域空间的通信优势 无疑是实现地下通信的一种有效途径。近年来，我国矿难事故频发，给国家和人 第一章绪论 5 民的生命财产带来了巨大损失。除去设备老化和违反安全生产条例等原因外，更 主要的原因是对井下的生产条件监控不畅。如果在井下架设漏泄同轴电缆对井下 所有区域的生产环境进行实时监控，则可以保证生产的安全性。由于漏泄同轴电 缆的特殊性及其显著作用，它被主要应用于如矿山、地铁、隧道、山洞、高速铁 路沿线、地下商业街及军事掩体等闭域或者半闭域空间高频和超高频带的无线通 信，因而对漏泄同轴电缆的研制有着深远的意义。 本文的主要内容及工作安排如下： 第一章为绪论部分，首先对漏泄同轴电缆作了简要介绍，接着描述了漏泄同 轴电缆在无线通信、矿井隧道以及频域覆盖和区域监护上的应用，最后对漏泄同 轴电缆在产品和理论方面的研发现状作了阐述。 第二章是漏泄同轴电缆基本理论的介绍，主要包括了漏泄同轴电缆的结构、 分类以及其辐射机理、辐射模式和辐射方向。 第三章着重介绍了漏泄同轴电缆的主要电气特性：特性阻抗、使用频带、耦 合损耗和衰减常数。其中，衰减常数分为导体衰减、介质衰减和辐射衰减三个部 分来介绍。从传输线相关理论出发，进而介绍了射频同轴线的相关参数，最后结 合上述理论对漏泄同轴电缆的电气特性作了详细的分析并举例说明。 第四章是文章的主要部分，设计了一种耦合型宽频漏泄同轴电缆。根据标准 【2 0 ，通过理论分析和电磁仿真的方法对漏泄同轴电缆的槽孔进行设计，并对所设 计的漏缆的主要电气特性进行仿真分析。由项目合作单位生产漏缆样品进行测试， 将实测结果、仿真结果与标准【2 0 】相比较，得出文中所设计的漏缆满足标准【2 0 】要 求。对非连续开椭圆形槽孔漏缆进行了简单的讨论。 第五章是本文的结束语。 第二章漏泄同轴电缆基本理论 7 第二章漏泄同轴电缆基本理论 2 _ 1 漏泄同轴电缆的结构 从外观来看，漏泄同轴电缆与射频同轴电缆完全一样；在内部结构上，漏缆 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。漏缆为同 轴设计，它一般是由内导体、同心绝缘介质、外导体和护套组成。实心绝缘漏缆 的结构示意图和剖面示意图如下图2 1 和2 2 所示。 图2 1 漏泄同轴电缆的结构示意图 图2 2 漏泄同轴电缆的剖面图 8 耦合型宽频漏泄同轴电缆设计 漏缆的内导体是主要的导电元件，由于内导体位于外导体内部，其直径要比 外导体小得多，因此漏缆的总衰减主要由内导体的电阻所引起。对于漏缆，通常 要求其内导体有较好的电气特性、一定的机械强度以及柔软性，所以内导体多为 铜管、皱纹铜管或镀铜铝线。 绝缘层是信号传输的介质，要求其材料和结构选择得保证漏缆有尽可能低的 衰减，而且还必须具有足够的机械强度以保持内、外导体处于同轴位置。绝缘介 质的介电常数为b ，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 泄同轴电缆的电气特性。绝缘应完整、连续，表面光滑、圆整、均匀、无缺陷。 绝缘介质的组成有以下3 种： ( 1 ) 三层绝缘内导体粘结层闭孑l 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； ( 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。 外导体和内导体一样，也是起导电作用的结构元件。但外导体尺寸要比内导 体大得多，因此对于外导体材料的导电率要求不如内导体那么高，例如可采用铝 来代替铜作外导体，而对于电缆的总衰减影响不大。漏缆的外导体通常包括编织 外导体、管状外导体和皱纹管外导体等。 护套的作用是保护电缆，使其不受机械损伤以及摩擦、潮气、腐蚀、高低温 环境等因素的影响。护套的材料必须根据漏缆的使用环境条件来选择，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。同样，可 以在外导体上或在绝缘介质和外导体层之间加一层阻燃带1 2 。 2 2 漏泄同轴电缆的分类 一般的射频同轴电缆目的是将射频能量从一端传输到另一端，并且希望有最 大的横向屏蔽效能，使信号不能穿透电缆以避免传输过程中的射频能量的损耗。 但是，漏泄同轴电缆的设计目的恰恰是特意在外导体上开槽孔，使得电磁能量可 以部分地从电缆内穿透到电缆外，当然，电缆外的电磁能量也将感应到电缆内。 根据漏泄同轴电缆外导体开槽方式不同，可以将漏缆主要分为以下几类：稀 疏编织型漏缆、螺旋绕包型漏缆、轴向开槽型漏缆、周期性开槽型漏缆，其中周 期性开槽漏缆按照其槽孔形状又可分为：八字形、椭圆形、u 型、l 型等。 漏泄同轴电缆按能量耦合n ； l - 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，下面分别介绍这两种漏泄同轴电缆各自的 特点。 第二章漏泄同轴电缆基本理论 9 2 2 1 耦合型漏泄同轴电缆 耦合型漏泄同轴电缆又称为表面波型漏泄同轴电缆，外导体轧纹、纹上铣孔 的电缆是典型的耦合型漏泄同轴电缆，其外导体上所开槽孔的间距远小于工作波 长，图2 3 给出了两种常用的耦合型漏缆外导体开槽方式。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。漏泄的电磁能量无方向性，并随距离 的增加迅速减小。由于耦合型漏泄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，传输距离也十分有刚2 2 】。稀疏编织型漏 缆就是一种耦合型漏缆，这种漏缆适用于宽频谱传输。图2 4 示出了耦合型漏泄 同轴电缆表面波辐射模式。 图2 3 两种耦合型漏缆示意图 厂： f 仁心。 |。 ， oo 。o o | | 7 蝉! 图2 4 耦合型漏缆表面波辐射模式 2 2 2 辐射型漏泄同轴电缆 外导体上配置周期性变化的开槽1 ：3 是典型的辐射型漏泄同轴电缆，其外导体 上所开槽孔的间距与波长( 或半波长) 相当，图2 5 为两种常用的辐射型漏缆外导 体开槽方式。电磁能量由开槽i z l 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睇引。辐射型 漏缆又可分为单模辐射型和多模辐射型，与漏缆外导体上所开槽孔的方式和传输 信号的频率有着密切的关系。由于单模辐射的带宽是有限的，必须通过对槽孔参 l o 耦合型宽频漏泄同轴电缆设计 数进行改变或者增开一系列新的槽孔来抑制高次模，从而达到扩展频带的效果。 图2 6 示出了辐射型漏泄同轴电缆的辐射模式。 图2 5 两种辐射型漏缆示意图 图2 6 辐射型漏缆的辐射波模式 我们可以根据不同的应用场合选择不同类型的漏泄同轴电缆，如用于隧道覆 盖可选择辐射型漏泄同轴电缆，而用于室内分布系统可选择耦合型漏泄同轴电缆。 一般而言，漏泄同轴电缆存在耦合和辐射两种漏泄模式，所谓耦合型和辐射型指 的是漏泄以耦合为主或以辐射为主。 2 3 漏泄同轴电缆的辐射机理 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。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，如图2 7 所示1 2 4 】。 图2 7 同轴线电流分布 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能量的漏泄。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，如图2 8 所示，倾斜开槽 第二章漏泄同轴电缆基本理论 的漏泄同轴电缆的开槽处的电流可以分成两个部分：是沿着槽孔倾斜方向的电 流分量，如图2 8 ( b ) 所示；一是垂直于槽孔长度方向的电流分量( 位移电流) ， 如图2 8 ( c ) 所示。垂直于开槽口长度方向的电流分布被打乱，磁场在开槽口处向 外漏泄很大。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 ) 位移电流 ( b ) ( c ) 图2 8 漏泄同轴电缆开槽i = 1 处电流分解示意图 2 4 漏泄同轴电缆的辐射模式 如图2 9 所示，漏泄同轴电缆的外导体上开有周期为p 的槽孔。周期性开槽 口将电缆内部传输的能量一部分耦合到外部空间，形成表面波或者辐射波，它们 沿z 向的传播规律与在电缆导体内传播的导行波基本一致。 1 2 耦合型宽频漏泄同轴电缆设计 图2 9 柱坐标下漏泄i 司轴电缆 如果用u e 表示电缆附近的电场强度，则e 可以表示成为 e ( r ，妒，z ) = m ( r l ，妒) z ( z ) p j # 0 2 e 一2 ( 2 1 ) 其中风= k o ，为电缆导体内传输的导行波的传输常数，口为导行波的衰减 常数，g ，是电缆内介质的相对介电常数，上式省略了时间因子p 朋。式中的 m ( 7 7 ，缈) 为与径向传播常数，7 以及，妒有关的函数。 由f l o q u e t 定理可知，在无限长的周期性结构中，各周期相对应点的场只相差 一个复的常系数，因此( 2 一1 ) 式中的z ( z ) 必是周期为p 的函数，将其展开成傅里 叶级数2 5 】： 一，2 m l z ， z ( z ) = 乙p 。p( 2 - 2 ) 式中m 为整数，z 。为傅里叶系数，将式( 2 2 ) 代入式( 2 - 1 ) 得到： e ( r ，9 ，z ) = p 咄z 脚m ( f l 胁，尸，缈) p 一腓 ( 2 3 ) 其中： 以= 风+ 等 ( 2 _ 4 ) 式( 2 3 ) 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， 它们类似于导波结构中的传输模式，故也称它为模式。 电磁波的径向传播常数和纵向传播常数满足下列关系： j 6 i ：+ ，7 ：= k ； ( 2 5 ) 当刁：s 0 ，场量将沿径向凋落，无辐射产生。l 丢l d ：，只有叩： o 才会有径向辐 射产生，将风= 毛i 和= 2 7 r c 代入上式得： 第二章漏泄同轴电缆基本理论 1 3 垂( 2 矿c ) 2 一( 2 万厄肚2 m ，n ) 2 。 ( 2 6 ) 由式( 2 6 ) 解得： 一硝 2 z 时高次模开始出现，单模辐射频带只存在于z 和2 z 之 间。漏泄同轴电缆的空间谐波辐射模式如图2 1 0 所示。 o 图2 1 0 漏泄同轴电缆的空间谐波模式图 由于表面波的电磁场强度受到漏缆周围环境的制约，抗干扰能力很差，而且 空间传输距离也十分有限，故通常不采用表面波，而采用辐射波传输信号。辐射 波中高次模的辐射会严重干扰一1 次模辐射，高次模之间也会相互干扰，使得电磁 场强度出现很大的波动，所以我们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。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 的有效使用频带啪1 。 2 5 漏泄同轴电缆的辐射方向 我们已经知道漏缆的辐射波是由许多谐波组成的，如下图2 1 1 所示的周期为 p 的漏泄同轴电缆，设每个谐波的辐射方向为以，下面我们来对见进行讨论。 1 4 耦合型宽频漏泄同轴电缆设计 、波面 图2 1 l 漏泄i 司轴电缆谐波辐射方向 设漏缆内所传输波的相移常数为p 、波长为a ，空间的波长为九、传播常数 为k o = 2 州旯。现以a 点波源为起始点，当其波面到达b 点时，它的z 向分量应 与b 点波源辐射波的z 向分量相位相同，这就必须具有下面的关系： p 。p = p p + 2 n n t 2 - 8 、) 式中，成( n = 0 ，4 - 1 ，2 ，) 为第n 次谐波的z 向相移常数。 当漏泄同轴电缆是周期为p 的八字形开槽时，如图2 1 2 所示，图中从a 点到 b 点第n 次谐波的z 向相移常数为： pp 尾寻= 卢+ 舰 ( 2 - 9 ) 从式( 2 - 8 ) 和式( 2 9 ) 可以看出，成与周期p 有如下关系： 尾= + 下2 m r ( 2 - l o ) 图2 1 2 八孚形槽漏泄同轴电缆谐波辐射方向 第n 次谐波的辐射方向与传播常数间有如下的关系i 2 7 】： s i n o n = 成k o ( 2 1 1 ) 将式( 2 1 0 ) 和i , o = 2 7 r x o 代入上式，得到： s i n 纯= 厄+ 等 ( 2 - 1 2 ) 从式( 2 - 1 2 ) 明显可以看出，辐射角是由占，、周期p 和所传输的波长决定的。 第二章漏泄同轴电缆基本理论 1 5 显然不论为何值，s i n 0 都在一1 到+ l 之间变化。即 厄一s 一譬s 厄+ - 由于内外导体2 _ n 填充有绝缘物，且s ，必大于1 ，可见要满足上式， 数，从物理意义上讲，这是周期结构所特有的现象前进后向波。 ( 2 1 3 ) n 必是负整 令式( 2 1 3 ) 中的玎= 一1 ，可以得到一1 次模的辐射方向： 晓。= s i n 一1 ( 后一旯o e ) ( 2 - 1 4 ) 由上式可知，当f = 时，晓。= 9 0 。，漏缆附近仅存在表面波，而当f z 时，一1 次模开始辐射，随着频率的 逐渐增大，辐射角t p _ 也逐渐增大，直至增大到厶时，晓。= 9 0 。此后一1 次模式 不再向外辐射，又转变为表面波。而在此之前，当f 2 z 时就已经进入了一2 次模 式的辐射区，这时便会有两个辐射方向。如果频率继续升高，产生辐射的更高次 模将陆续出现。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( ，：，2 z ) ，上下频限比仅为2 ：l ，超过此限度，则存在高次模式的辐射。 我们再来看一下图2 1 2 所示的八字形开槽漏缆，对于瓦分量而言，a 点的乓 与b 点的e 空间方向相反，为使两个波源的辐射波的乜分量在b 点得到加强， 则n 应为奇数，即刀= 1 ，3 ，。由此可见，对于单八字形槽孔的漏缆，其偶次模 的高次谐波均被自身抑制【】6 1 ，故其单模辐射区为( z ，3 石) 。 下面给出一个具体例子( 在第3 章的分析中仍然使用此例) ：八字形漏泄同轴 电缆，其槽孔结构如图2 1 3 所示，使用频率为4 5 0 m h z ，特性阻抗为7 5q ，外导 体内径和内导体外径分别为3 2 m m 和7 8 m m 。漏缆内绝缘层为物理发泡绝缘介质， 等效介电常数为1 2 6 ，介质损耗角正切值6 8 x l0 一。表1 给出了八字形槽孔的结构 尺寸。 图2 1 3 八字形槽孔示意图 表l 八字形槽尺寸单位：m m 槽孔节距 4 2 8 槽孔长度 8 3 5 槽孔宽度 7 槽孔角度( 。)1 5 1 6 耦合型宽频漏泄同轴电缆设计 采用全波电磁仿真软件h f s s ，对其进行建模，将漏缆放在直角坐标系( 电缆 沿y 轴方向放置，槽孔正对x 方向) 下进行仿真。图2 1 4 为漏缆仿真模型示意图。 图2 1 4 漏缆单元仿真模型示意图 由于漏缆的槽孔节距为4 2 8 m m ，由公式( 2 7 ) 算得4 5 0 m h z 在其1 模的单模 辐射区内，又由公式( 2 - 1 4 ) 可得晓。= 2 7 3 4 。图2 1 5 为所给八字形漏缆的辐射 从图中可以看出，其最大辐射方向为3 0 。，与计算结果基本吻合。 ( a ) 3 d 辐射方向图 r a dj a t t o np a t t e r n1 h f s s o h 1 厂i _ i 互鲨f 第二章漏泄同轴电缆基本理论 1 7 ( b ) x o y 面( t h e t a = 9 0 。) 辐射方向图 r d 嘶np d e m 2 ( b ) 最大辐射方向( p h i = 3 0 。) 辐射方向图 图2 1 5 八字形漏缆辐射方向图 2 6 本章小节 本章简明扼要地介绍了漏缆的一些基本理论，包括漏缆的结构、分类以及其 辐射机理、辐射模式和辐射方向。漏缆按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，描述了耦合型和辐射型两种类型漏缆电磁能量耦合 到外部空间的方式。分别对漏缆的辐射机理、辐射模式和辐射方向作了简单的理 论分析，并用具体实例对辐射方向进行仿真分析。本章所介绍的内容将为后续章 节对漏泄同轴电缆主要电气特性分析以及宽频带漏泄同轴电缆设计奠定基础。 第三章漏泄同轴电缆电气特性 1 9 第三章漏泄同轴电缆电气特性 3 1 传输线相关理论【2 4 】【2 8 】 3 1 1 传输线的集总元件电路模型 电路理论和传输线理论之间的关键差别是电尺寸。电路分析假定网络的物理 尺度比电波长小得多，而传输线的尺度则可能为一个波长的几分之一或几个波长。 因此，传输线是分布参量网络，在整个长度内其电压和电流的幅值和相位都可能 发生变化。 如图3 1 ( a ) 所示，传输线经常用双线来示意，因为传输线( 对t e m 波传播) 至 少总得有两根导体。图3 1 ( a ) 中无穷小长度a z 的一段线可以模拟为图3 1 ( b ) 中的一 个集总元件电路，其中r ，l ，g ，c 为单位长度的量，定义如下： r 表示两导体单位长度的串联电阻，单位为f 2 m 。 l 表示两导体的单位长度的串联电感，单位为h m 。 g 表示单位长度的并联电导，单位为s m 。 c 表示单位长度的并联电容，单位为f m 。 串联电感l 代表两导体的总自感，并联电容c 来源于两导体的紧密贴近。串联 电阻r 代表由于两导体的有限电导率产生的电阻，并联电导g 来源于两导体间填 充材料的介电损耗。因此，r 和g 代表损耗。有限长度的传输线可以看成足若干 个图2 1 ( b ) 所示的线段的级联。 i ( z ，) - - - + u ( z ，f ) ( a ) f ( z + 业，f ) - - + z + 心，f ) 2 0 耦合犁宽频漏泄同轴电缆设计 ( b ) 图3 1 传输线一个长度增量上的电压、电流定义和等效 电路：( a ) 电压和电流定义( b ) 集总元件等效电路 对于图( b ) 所示电路，可以应用基尔霍夫电压、电流定律导出： 甜( 酬) 一r a z i ( z , t ) 一三z 塑挚一甜( z + z ，) ：o 0 t ( 3 1 ) f ( z ，) 一g a z ”( z + 止，) 一c & 垦堑妄竺尘一f ( z + z ，f ) ：o a t j 掣卅啦力屯掣。3 乏) 【i o i ( z , t ) 一国( 列) 。1 0 u ( z 厂, t ) 这就是传输线方程或电报方程的时域形式。 对于简谐稳态条件，具有余弦的相量形式，因此式( 3 2 ) 可简化为： 3 1 2 入射波和反射波 d u _ ( 一z ) ：一( 尺+ ，三) ( z ) c z z ( 3 3 ) d i - ( z ) ：一( g + 以) u ( z ) a z 若研究时谐场的变化情况，由式( 3 2 ) 可求得传输线上电压和电流的瞬时值 表达式： 材( 列) = r e u ( z 弦。叫 = 4 e 1 2c o s ( o 口t 一卢z ) + a e ”c o s ( w t + 卢z ) 啦，) = r e ( z ) p 耐 ( 3 - 4 ) = a z 0 e - a z c o s ( 耐一声z ) 一a z o e a zc o s ( 耐+ z ) 上式就是传输线方程的通解，而待定系数a l 、a 2 的确定还需要考虑边界条件， 为简便起见，这里设a l 、a 2 为实数，并近似认为z o 也为实数。式( 3 - 4 ) 表明， 传输线上任意点处的电压和电流均由两部分组成，第一部分表示由信号源向负载 方向传播的行波，称之为入射波。入射波的振幅随传播方向距离z 的增加按指数 规律衰减，相位随z 的增加而滞后；第二部分表示由负载向信号源方向传播的行 波，称之为反射波。反射波的振幅随距离z 的增加而增加，相位随z 的增加而超前。 第三章漏泄同轴电缆电气特性 2 1 传输线上任意点处的电压或电流都等于该处相应的入射波和反射波的叠加。当z o 为实数时，电压入射波和电流入射波同相，而电压放射波和电流反射波反相。 3 1 3 传输线的特性参数 ( 1 ) 传播常数 传播常数y 一般为复数，可表示为： ，= i ( r + j c o l ) ( g + 笳) = 口+ j f l ( 3 - 5 ) 其中，实部口称为衰减常数，表示行波每经过单位长度后振幅的衰减倍数，单位 为分贝米( d b m ) ：虚部卢称为相移常数，表示行波每经过单位长度后相位滞后 的弧度数，单位为弧度米( r a d m ) 。 对于低损耗传输线，一般满足r 厶g 们，所以有： h 瓜一盎砌+ 嘉， 睢+ 铜+ j o , 4 - 历 由此可得： 口2i、i+i、石2+adr cg f他 9 = 瓜 ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) 由式( 3 7 ) 不难看出，衰减常数是由传输线的导体电阻损耗口。和填充介质的漏电 损耗两部分组成。对于无耗传输线r = 0 ，g = 0 ，则有： 口= 0 i ：国瓦 ( 3 - 9 ) ( 2 ) 特性阻抗 传输线的特性阻抗定义为传输线上入射波电压( z ) 与入射波电流( z ) 之比， 或反射波电压q ( z ) 与反射波电流( z ) 之比的负值，即 z ：型：一型：陛 ( 3 1 0 ) ( z )( z ) 、f g + 肛 可见，一般情况下传输线的特性阻抗是一个与频率有关的复数。 耦合型宽频漏泄同轴电缆设计 对于无耗传输线( r = o ，g = 0 ) ，则 斤 z 。掂 ( 3 1 1 ) 对于微波传输线( r c o l ，g c o c ) ，则： z ：r + y l ；：夙盎m 盖产后 协 由式( 3 1 1 ) 和( 3 1 2 ) 可见，在无耗或低耗情况下，传输线的特性阻抗为一实数 ( 纯电阻) ，它仅决定于分布参数三和c ，与频率无关。 ( 3 ) 相速和相波长 传输线上的入射波和反射波以相同的速度向相反方向传播，相速v 。是指波的 等相位面的移动速度，以入射波为例，其等相位面满足下列方程： c o t 一卢z = 常数 上式对t 求导可得入射波的相速v 。为 丝d t = 詈 ( 3 - v5 = 一 ，- lj j 。p 8 一 对于射频传输线，由于卢= 州三c ，所以有： 2 面1 ( 3 - 1 4 ) 相波长九定义为波在一个周期t 内等相位面沿传输线移动的距离，由式( 3 1 4 ) 可知： 。邓。手专5 去( 3 - 1 5 ) 其中：f 为电磁波频率，t 为振荡周期，九为真空中电磁波的波长。可见，传输线 上行波的波长也和周围介质有关。 ( 4 ) 反射系数 由式( 3 4 ) 可知，传输线的波一般是由入射波和反射波叠加而成，反射系数 反映了传输线的反射特性，减小漏泄同轴电缆的反射系数，从而抑制反射现象是 漏缆研究的一个重要部分。 均匀无耗传输线终端接任意负载时，沿线的电压和电流表达式为： iu ( z ) = 4 p 2 + a 2 e 一肚= ( z ) + 【，( z ) 1 ( z ) ：寻( 4 p 肚一4 p 一肚) ：t ( z ) + ( z ) o 。1 6 l 厶。 距终端z 处的反射波电压q ( z ) 与入射波电压( z ) 之比定义为该处的电压反射系 第三章漏泄同轴电缆电气特性 数r 。( z ) ，即 哺，= 篇= 等= 分2 肛( 3 - 1 7 ) 同理，可定义z 处的电流反射系数l ( z ) ，即： = 榴一等一a 4 e - j 2 p z = - - f 。( 3 - 1 8 ) 可见，传输线上任意点处的电压反射系数与电流反射系数大小相等，相位相差7 r 。 由于电压反射系数较易测定，因此若不加说明，以后提到的反射系数均为电压反 射系数，并均用符号r ( z ) 表示。 将终端坐标z = o 代入式( 3 1 8 ) ，即可得到终端反射系数l 为： p 鲁= 幽1 4 1 机i ( 3 1 9 ) 将式( 3 1 4 ) 代入式( 3 1 2 ) ，得到传输线上任一点的反射系数与终端反射系 数的关系： r ( z ) = r 工p 一7 2 肛= i t l e m 一2 肛= l r l e 砘 ( 3 2 0 ) 其中：= 屯- 2 f l z 。上式表明，均匀无耗传输线任意位置z 处的反射系数为 一复数，其模等于终端反射系数的模，相位比终端反射系数的相位滞后2 f l z