鐵路無線通信用漏泄同軸電纜設計

王 震，江 蘭，章明明，劉洪喜，劉棟材

(1.西安電子科技大學電子工程學院，陜西 西安 710071;2.西安西電光電纜有限責任公司產品開發處，陜西 西安 710082;3.中航工業西安航空制動科技有限公司研發中心，陜西 西安 710065)

漏泄同軸電纜(Leaky Coaxial Cable，簡稱漏纜)，是外導體不完全封閉的同軸電纜。沿漏纜內部傳輸的一部分電磁波能量，可通過外導體上的槽孔或縫隙輻射、耦合到由該外導體和周圍環境所構成的天線傳輸系統中，或按照與上述相反的方向進行耦合［1］。漏纜由于它的特殊結構使它具有信號覆蓋均勻，低耦合損耗、電磁污染小，低衰減常數、傳輸距離遠，敷設簡單、容易改變通信線路等優點。隨著通信技術的發展，漏纜在電磁波難以傳播的閉域或半閉域空間，如隧道、礦井、建筑內部等，以及需要信號連續均勻覆蓋的地鐵、高速公路沿線等，均有著廣泛的應用前景。與此同時，漏泄同軸電纜還可以用來對某些特定區域進行電磁波覆蓋，以達到監控和警戒作用。

漏纜的類型是根據其外導體的結構確定的，主要可分為稀疏編織型漏纜、螺旋繞包型漏纜、軸向開槽型漏纜、周期性開槽型漏纜，前3種類型漏纜由于衰減常數大，已經很少使用［2－3］。周期性開槽漏纜由于其開槽結構的多樣化而具有良好的可調性，通過調節槽孔的形狀尺寸，在一定范圍內能達到不同標準的要求。文中采用漏纜理論分析的一般結論，分析周期性開槽漏纜的電氣特性，采用全波電磁仿真方法優化設計漏泄同軸電纜的槽孔結構尺寸，研制了一種用于鐵路無線通信的周期性八字形槽漏纜。

1 漏泄同軸電纜的主要電氣特性

漏泄同軸電纜主要的電氣特性包含特性阻抗、使用頻帶、耦合損耗和衰減常數等。特性阻抗匹配是無線通信系統設計的首要任務，阻抗失配將導致設備或系統的性能降級甚至無法使用。在無線通信發展迅速、頻帶資源日漸匱乏的今天，使用頻帶是一個不錯的選擇。耦合損耗是漏纜所特有的區別其他射頻電纜的唯一指標，它是反映漏纜與外界空間中其他設備之間耦合信號能力的性能參數，是保證通信質量的重要指標。衰減常數表示電磁能量在漏纜內傳輸過程中所損失的那部分能量，與漏纜絕緣層的等效介電常數密切相關。

1.1 特性阻抗

漏纜的特性阻抗可用高頻、低耗同軸線的特性阻抗公式近似計算［4－5］

式中，Z0為標稱特性阻抗;εr為絕緣介質的等效相對介電常數;D和d分別為漏纜的等效外、內徑。

1.2 頻帶

根據Floquet定理，沿周期性結構的電場分布可以寫成空間諧波的迭加［5］

其中，γ=α+jβ代表傳播常數;α和β分別是衰減常數和傳播常數。Ep(r，φ，z)是z的周期性函數;周期為p;可以展開成無窮傅里葉級數，故

式中，βm=β+是m次空間諧波的縱向傳播常數。設ηm為m次空間諧波的徑向傳播常數，則兩者滿足

式中，k0=2πf/C是自由空間的波數;f為頻率;C是自由空間電磁波傳播速度。只有當ηm＞0，才會產生徑向輻射，令β=β0=k0，代入上式得產生輻射的條件

圖1 諧波輻射頻帶

對于單八字形槽孔的漏纜，其偶次模的高次諧波均被自身抑制［2］，故其單模輻射區為(f1，3f1)。漏纜設計時，通過改變周期p使其使用頻帶落在單模輻射區內，若要擴大單模輻射區，就要抑制高次諧波的出現。產品設計時大多采用調節槽孔的長度與角度抑制高次諧波，或在漏纜外導體上開一系列新的槽孔，其大小、形狀和原槽孔相同，調整新舊槽孔的位置可以達到抑制高次諧波的效果。

1.3 耦合損耗

耦合損耗的定義式如下［1］

式中，Pr為距離漏纜2 m處的標準半波偶極子天線接收到的功率;Pt為漏纜內傳輸的功率。

工程應用上還定義了Lc50%和Lc95%，分別表示50%和95%的局部耦合損耗的測量值好于此值，多采用Lc95%來評定漏纜耦合損耗指標的優劣。

1.4 衰減常數

根據能量守恒原理，從漏纜一端輸入的能量到達另外一端時總衰減等于傳輸過程中導體衰減、介質衰減和通過槽孔輻射到外部空間的輻射衰減之和。因而，漏纜的衰減常數α主要由3個部分構成:導體衰減αc、介質衰減 αd和輻射衰減 αr，可表示為

導體衰減αc表示式為

介質衰減αd可用式(9)表示

式中，tanδ為介質等效損耗角正切值;K1、K2表示內外導體不同于理想圓柱體時所引起的電阻增大系數［6］。

漏纜的輻射衰減αr是指同軸電纜開縫后，由于輻射的存在使得衰減常數增加的部分，其主要取決于電纜的縫隙結構尺寸，同時還受頻率和周邊環境的影響。

2 某型八字形槽漏纜結構

此型號漏纜使用頻率為450 MHz，它的特性阻抗為75Ω，絕緣外徑為32 mm，外導體內徑也是32 mm，通過阻抗計算式(1)可知內導體外徑為7.8 mm。內導體為光滑銅管，外導體是軋紋銅帶縱包而成的，絕緣層為物理發泡絕緣介質，等效介電常數為1.268，介質損耗角正切值0.000068。

根據式(8)，式(9)計算得出導體衰減和介質衰減分別為αc=16.22 dB/km、=3.14 dB/km。以漏纜的使用頻率450 MHz為中心頻率，則(f1，3f1)是其單模輻射區，由式(5)可以計算得到其節距209 mm＜p＜627 mm，文中選取一個中間值，節距定為p=428 mm。圖2為八字形槽孔示意圖。

圖2 八字形槽孔示意圖

3 仿真分析與測試結果

由于漏纜仿真對計算機的配置要求較高，且隨著長度的增加所用時間迅速加長。因此，不可能對實際試驗設計所用的50 m或100 m長的漏纜進行全波仿真分析。仿真分析中，對于垂直開槽的漏纜，若以一個節距長度為一個周期，當周期增加到11個時，中間周期的輻射場基本保持穩定［7］。按同樣的方法，對八字形槽的影響范圍進行仿真，分析結果表明當周期增加到9或11個時，耦合損耗基本保持穩定，故采用11個周期長度(4.8 m)的模型進行仿真。圖3為漏纜仿真示意圖。

圖3 漏纜仿真示意圖

在給定內外徑、節距和絕緣介質的前提下，在電纜外導體上開八字形槽孔，然后對漏纜進行全波電磁仿真。增大槽孔角度會增大漏泄出來的能量和表面波，增大槽孔長度也會增大表面波但不一定會增大漏泄能量，增大表面波會使導體和介質衰減增大，而增大漏泄能量則使輻射衰減增大［8］。通過改變槽孔的長度和角度可以得到使衰減常數和耦合損耗滿足標準的八字形槽孔結構參數，表1給出一種滿足鐵路通信漏泄同軸電纜標準的八字形漏纜槽孔尺寸，稱為a型漏纜。

表1a 型八字形槽尺寸

圖4給出從400～500 MHz頻率范圍內漏纜的衰減曲線，其中實線為仿真結果，虛線為由式(8)，式(9)計算得到的曲線。可以看出，450 MHz時衰減常數為21.78 dB/km，優于標準［1］的 23.1 dB/km。漏纜的導體衰減和介質衰減仿真值稍大于通過式(8)，式(9)計算得到的計算值，有一部分的原因是仿真時阻抗不完全匹配引起的，可見式(8)，式(9)可以用來近似計算漏纜的導體衰減和介質衰減。

圖4a 型漏纜的衰減常數曲線

圖5為漏纜耦合損耗仿真結果，從圖中可以看出漏纜的95%耦合損耗為82.4 dB，優于標準的87 dB。

圖5a 型漏纜耦合損耗仿真結果

對長度為50 m的a型漏纜進行測試，表2為漏纜的測試結果，圖6為漏纜耦合損耗測試數據曲線，可以看出其主要電氣特性均滿足標準要求。

表2a 型漏纜測試結果

圖6a 型漏纜耦合損耗測試結果

若八字形槽孔的其他尺寸不變，僅將傾斜角改為15°，或者將傾斜角改為25°、長度改為105 mm可以得到耦合損耗更小且仍滿足標準的兩種漏纜，分別稱為b、c型漏纜。圖7，圖8分別給出這兩種漏纜的衰減常數和耦合損耗仿真結果，表3和表4給出這兩種漏纜測試結果、仿真結果以及標準值，可以看出這兩種漏纜滿足標準要求。

表3b 型漏纜測試結果

表4c 型漏纜測試結果

4 結束語

介紹了周期性開槽漏泄同軸電纜的主要電氣特性:特性阻抗、使用頻帶、耦合損耗和衰減常數，并根據這些電氣特性的相互關系，通過全波仿真方法，設計了一種周期性八字形槽的某型漏纜。通過改變槽孔傾斜角度和長度，也可以設計出滿足鐵路通信漏泄同軸電纜標準的其他兩種八字形槽漏纜。

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