泄漏同軸電纜輻射場(chǎng)的仿真分析

王 娜,官伯然

(杭州電子科技大學(xué)天線(xiàn)與微波技術(shù)研究所,浙江杭州310018)

泄漏同軸電纜輻射場(chǎng)的仿真分析

王 娜,官伯然

(杭州電子科技大學(xué)天線(xiàn)與微波技術(shù)研究所,浙江杭州310018)

關(guān)于泄漏電纜輻射場(chǎng)的理論方法求解復(fù)雜,其輻射場(chǎng)解的理想開(kāi)放邊界與實(shí)際使用環(huán)境存在一定差距。該文用ANSOFT公司的HFSS三維電磁仿真軟件建立了基于耦合型和輻射型兩種類(lèi)型不同幾何結(jié)構(gòu)的泄漏電纜仿真模型,對(duì)它們的輻射場(chǎng)特性進(jìn)行仿真分析,該文結(jié)果為泄漏電纜實(shí)際應(yīng)用中的場(chǎng)預(yù)測(cè)和施工設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

泄漏電纜;輻射場(chǎng);單模輻射;仿真分析

0 引 言

泄漏同軸電纜,簡(jiǎn)稱(chēng)漏纜(Leaky CoaXial cable,LCX),是遵循特定的電磁場(chǎng)理論,沿著同軸電纜的外部導(dǎo)體周期性配置開(kāi)槽口而形成的。在無(wú)線(xiàn)通信中兼具信息傳輸線(xiàn)和收發(fā)天線(xiàn)的雙重功能,尤其在分立天線(xiàn)無(wú)法提供足夠場(chǎng)強(qiáng)的區(qū)域,如山區(qū)、丘陵、地鐵、隧道、建筑物等固定體對(duì)移動(dòng)體之間的無(wú)線(xiàn)通信,主要靠漏泄同軸電纜實(shí)現(xiàn)[1]。傳統(tǒng)的理論數(shù)值和解析計(jì)算顯然已經(jīng)難以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需要,這時(shí)更需要借助一些合適的電磁仿真軟件快速地為實(shí)際應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)作用。Ansoft HFSS,是Ansoft公司推出的三維電磁仿真軟件,是世界上第一個(gè)商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)仿真軟件,業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)和分析的電子設(shè)計(jì)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[2]。該文用HFSS對(duì)兩種漏纜模型的輻射場(chǎng)特性進(jìn)行仿真分析。

1 泄漏電纜分類(lèi)及輻射模式

漏纜按能量耦合到外部空間機(jī)理的不同可以分為耦合型和輻射型兩種類(lèi)型,它們的幾何結(jié)構(gòu)各有不同。耦合型泄漏電纜外導(dǎo)體上開(kāi)有一條連續(xù)的槽或者一排小孔,其間距d遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)。輻射型泄漏電纜外導(dǎo)體上開(kāi)有垂直或傾斜的周期性矩形縫隙,耦合間距d與波長(zhǎng)(或半波長(zhǎng))相當(dāng)。兩種類(lèi)型泄漏電纜的電磁波傳播方向如圖1所示。

本文根據(jù)兩種類(lèi)型泄漏電纜不同幾何結(jié)構(gòu)建立了兩種仿真模型,如圖2、3所示。

為了保證輻射型泄漏電纜工作在單模輻射模式下,先介紹下泄漏電纜的單模輻射理論。

2 泄漏電纜單模輻射理論

根據(jù)空間諧波的輻射理論,具有周期性槽孔結(jié)構(gòu)的泄漏同軸電纜外表面產(chǎn)生無(wú)窮多的空間諧波,以滿(mǎn)足邊界條件。這其中的大多數(shù)空間諧波只能以表面波的形式存在,只有諧波階數(shù)m≤-1時(shí)才可能產(chǎn)生輻射波[3]。此時(shí)的頻率范圍是-mf1＜f＜-mf2,其中：

圖1 泄漏電纜兩種輻射模式

圖2 仿真用泄漏電纜模型1

圖3 仿真用泄漏電纜模型2

式中,c為真空中的光速,εr為絕緣介質(zhì)等效相對(duì)介電常數(shù),p為開(kāi)槽口的周期長(zhǎng)度。

一般情況下,在頻率范圍[f1,f2]內(nèi)只存在-1次諧波的輻射,上下限比為2：1。即單模輻射的區(qū)域是在f1和f2之間,帶寬是。在特定頻率下,單模輻射周期范圍為[4]：

3 泄漏同軸電纜輻射場(chǎng)的仿真分析

本文仿真模型中心頻率為1.8GHz,電纜內(nèi)介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)εr為1.25,周期在78.7-157.4mm之間時(shí)滿(mǎn)足單模輻射條件。耦合型漏纜結(jié)構(gòu)尺寸分別如圖2、3所示。可以看出,耦合型漏纜孔間距遠(yuǎn)小于單模輻射周期,而輻射型潛心纜開(kāi)槽間距位于單模輻射周期內(nèi)。耦合型和輻射型漏纜仿真模分別如圖4、5所示。

圖4 耦合型仿真模型

圖5 輻射型仿真模型

由于仿真工具約束,建模中難以實(shí)現(xiàn)合適的激勵(lì)與周期邊界組合,為減小傳輸線(xiàn)兩端非周期邊界對(duì)場(chǎng)分布的影響,仿真中在允許的計(jì)算能力下逐步增加傳輸線(xiàn)長(zhǎng)度并觀(guān)查傳輸線(xiàn)中點(diǎn)橫載面內(nèi)的場(chǎng)分布變化,最終達(dá)到可接受的收斂精度。

為有效減小計(jì)算時(shí)間,在分析的基礎(chǔ)上,采用空心介質(zhì)圓柱替代同軸線(xiàn)結(jié)構(gòu)并將內(nèi)外柱面設(shè)為理想導(dǎo)體,在家心介質(zhì)圓柱兩頂面分別設(shè)置激勵(lì)端和吸收負(fù)載端,根據(jù)圖2、3數(shù)據(jù)分別對(duì)外柱面導(dǎo)體開(kāi)孔或開(kāi)槽,在介質(zhì)柱外徑向根據(jù)仿真工具要求設(shè)置輻射邊界,仿真數(shù)據(jù)在傳輸線(xiàn)軸中點(diǎn)橫載面內(nèi)提取。

4 仿真結(jié)果分析

對(duì)泄漏電纜模型1和模型2的仿真結(jié)果如圖6所示。圖6中可以看出兩種電纜都是在開(kāi)孔正面方向電場(chǎng)輻射強(qiáng)度大于背面電場(chǎng)強(qiáng)度,因而為獲得最佳通信效果須將漏纜的開(kāi)孔向朝向移動(dòng)設(shè)備。耦合型漏纜電磁場(chǎng)主要分布在電纜四周,通過(guò)小孔泄漏出的電磁能量無(wú)方向性較弱,并且沿徑向迅速衰減。輻射型漏纜的泄漏電磁能量分布隨方位角度化較大,可近似為以柱面波形式沿徑向傳播,輻射型漏纜相對(duì)于耦合型漏纜沿徑向衰減要慢。

圖6 兩種模型漏纜的E面方向圖(f=1 800M)

可以看出,耦合型泄漏纜的輻射特性適合于近徑向距離寬頻帶傳輸,而輻射型漏纜輻射特性則適合于較遠(yuǎn)徑向距離傳輸。因此可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況選擇不同類(lèi)型的漏纜,如專(zhuān)網(wǎng)隧道覆蓋可選擇輻射型,而公網(wǎng)室內(nèi)分布系統(tǒng)可選擇耦合型。

為了驗(yàn)證本文仿真場(chǎng)分布和輻射方向圖的正確性,采用與文獻(xiàn)6中相同的參數(shù)并利用本文模型進(jìn)行仿真,其E面方向圖對(duì)比如圖7所示。

圖7 仿真模型E面方向圖與文獻(xiàn)6中的圖形對(duì)比(f=900M)

圖7(b)為文獻(xiàn)6中用FDTD方法仿真得到的漏纜E面輻射方向圖,與本文仿真所得到的輻射方向圖比較可以看出,兩者場(chǎng)方向圖表示的特性基本一致。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文建立了耦合型和輻射型兩種結(jié)構(gòu)漏纜的AnsoftHFSS仿真模型,分別對(duì)它們的場(chǎng)特性進(jìn)行了仿真分析并與現(xiàn)有文獻(xiàn)了對(duì)照。本文還對(duì)漏纜在不同環(huán)境中的場(chǎng)分布特性進(jìn)行了仿真,并驗(yàn)證了通過(guò)增加周期性開(kāi)槽個(gè)數(shù)實(shí)現(xiàn)諧振點(diǎn)抑制和頻帶擴(kuò)展的方法,限于篇幅未予展開(kāi)討論。本文工作驗(yàn)證了漏纜仿真分析的有效性和可信性,仿真模型的靈活性有助于對(duì)各種實(shí)際環(huán)境下的漏纜應(yīng)用效果進(jìn)行預(yù)先評(píng)估,并用于施工設(shè)計(jì)指導(dǎo)。與此同時(shí),利用模型對(duì)漏纜仿真分析能為進(jìn)一步深入研究漏纜特性和研制新型漏纜結(jié)構(gòu)提供有效途徑。

[1]趙宇寧,楊曉冬,程?hào)|偉.閉域空間中泄漏同軸電纜耦合損耗的研究[J].應(yīng)用科技,2007,34(12)：1-3.

[2]謝擁軍,王鵬,李磊,等.AnsoftHFSS基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2007：51-60.

[3]Wang H J,MeiK K.Theory and analysis of the leaky coaxial cab leswith periodic slots[J].IEEE Trans Antennas Propag,2001,49(12)：1 723 1 732.

[4]Linlin Feng,Xiaodong Yang.Research on the Radiation Field of Leaky Coaxial Cable Using FDTD[C].Dalian：W ireless Communications,Networking andMobile Computing,2008：1-4.

[5]虞春,董志艷.稀疏編織外導(dǎo)體漏泄同軸電纜的計(jì)算機(jī)仿真[J].電線(xiàn)電纜,2007,5(5)：26-29.

[6]Jun Hong Wang.Research on the Radiation Characteristics of the reinforced Leaky Coaxial Cab le by FDTD and Harmonic Expansion Method[J].Wiley Periodicalm icrowave and optical technology letters,2003,36(2)：142-145.

Simulation and Analysis on Radiation Fi ld of L aky Coaxial Cabl WANG Na,GUAN Bo- an

(Institute of Antenna and Microwave Technology,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou Zhejiang310018,China)

Themethodsof research on the radiation field of leaky coaxial cable are almost theoretical operations,which almost assumed its radiation field has the idealopening boundary.Thishas disparitywith theenvironmentactually.The paper uses theHFSSsoftware of the ANSOFT company to simulateand analyze the radiation field of the modelswhich builtbased on the different structureof radiation style and coupling style leaky coaxial cable and analyzes their graphics.The resultsof the paper apply the foundation of field prediction and construction of the leaky coaxial cable in practical application.

TN248

A

1001-9146(2010)03-0025-04

2009-11-17

浙江省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(C21020)

王娜(1983-),女,河南南陽(yáng)人,在讀研究生,微波電路.

K y wo ds:leaky coaxial cable;radiation field;singlemode radiation;simulate