鐵路無(wú)線通信用漏泄同軸電纜設(shè)計(jì)

王 震，江 蘭，章明明，劉洪喜，劉棟材

(1.西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西 西安 710071;2.西安西電光電纜有限責(zé)任公司產(chǎn)品開(kāi)發(fā)處，陜西 西安 710082;3.中航工業(yè)西安航空制動(dòng)科技有限公司研發(fā)中心，陜西 西安 710065)

漏泄同軸電纜(Leaky Coaxial Cable，簡(jiǎn)稱漏纜)，是外導(dǎo)體不完全封閉的同軸電纜。沿漏纜內(nèi)部傳輸?shù)囊徊糠蛛姶挪芰?，可通過(guò)外導(dǎo)體上的槽孔或縫隙輻射、耦合到由該外導(dǎo)體和周圍環(huán)境所構(gòu)成的天線傳輸系統(tǒng)中，或按照與上述相反的方向進(jìn)行耦合［1］。漏纜由于它的特殊結(jié)構(gòu)使它具有信號(hào)覆蓋均勻，低耦合損耗、電磁污染小，低衰減常數(shù)、傳輸距離遠(yuǎn)，敷設(shè)簡(jiǎn)單、容易改變通信線路等優(yōu)點(diǎn)。隨著通信技術(shù)的發(fā)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(nèi)部等，以及需要信號(hào)連續(xù)均勻覆蓋的地鐵、高速公路沿線等，均有著廣泛的應(yīng)用前景。與此同時(shí)，漏泄同軸電纜還可以用來(lái)對(duì)某些特定區(qū)域進(jìn)行電磁波覆蓋，以達(dá)到監(jiān)控和警戒作用。

漏纜的類型是根據(jù)其外導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)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(kāi)槽型漏纜、周期性開(kāi)槽型漏纜，前3種類型漏纜由于衰減常數(shù)大，已經(jīng)很少使用［2－3］。周期性開(kāi)槽漏纜由于其開(kāi)槽結(jié)構(gòu)的多樣化而具有良好的可調(diào)性，通過(guò)調(diào)節(jié)槽孔的形狀尺寸，在一定范圍內(nèi)能達(dá)到不同標(biāo)準(zhǔn)的要求。文中采用漏纜理論分析的一般結(jié)論，分析周期性開(kāi)槽漏纜的電氣特性，采用全波電磁仿真方法優(yōu)化設(shè)計(jì)漏泄同軸電纜的槽孔結(jié)構(gòu)尺寸，研制了一種用于鐵路無(wú)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(shù)等。特性阻抗匹配是無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要任務(wù)，阻抗失配將導(dǎo)致設(shè)備或系統(tǒng)的性能降級(jí)甚至無(wú)法使用。在無(wú)線通信發(fā)展迅速、頻帶資源日漸匱乏的今天，使用頻帶是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。耦合損耗是漏纜所特有的區(qū)別其他射頻電纜的唯一指標(biāo)，它是反映漏纜與外界空間中其他設(shè)備之間耦合信號(hào)能力的性能參數(shù)，是保證通信質(zhì)量的重要指標(biāo)。衰減常數(shù)表示電磁能量在漏纜內(nèi)傳輸過(guò)程中所損失的那部分能量，與漏纜絕緣層的等效介電常數(shù)密切相關(guān)。

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(jì)算［4－5］

式中，Z0為標(biāo)稱特性阻抗;εr為絕緣介質(zhì)的等效相對(duì)介電常數(shù);D和d分別為漏纜的等效外、內(nèi)徑。

1.2 頻帶

根據(jù)Floquet定理，沿周期性結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)分布可以寫(xiě)成空間諧波的迭加［5］

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

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

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

圖1 諧波輻射頻帶

對(duì)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(qū)為(f1，3f1)。漏纜設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)改變周期p使其使用頻帶落在單模輻射區(qū)內(nèi)，若要擴(kuò)大單模輻射區(qū)，就要抑制高次諧波的出現(xiàn)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)大多采用調(diào)節(jié)槽孔的長(zhǎng)度與角度抑制高次諧波，或在漏纜外導(dǎo)體上開(kāi)一系列新的槽孔，其大小、形狀和原槽孔相同，調(diào)整新舊槽孔的位置可以達(dá)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(biāo)準(zhǔn)半波偶極子天線接收到的功率;Pt為漏纜內(nèi)傳輸?shù)墓β省?/p>

工程應(yīng)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(cè)量值好于此值，多采用Lc95%來(lái)評(píng)定漏纜耦合損耗指標(biāo)的優(yōu)劣。

1.4 衰減常數(shù)

根據(jù)能量守恒原理，從漏纜一端輸入的能量到達(dá)另外一端時(shí)總衰減等于傳輸過(guò)程中導(dǎo)體衰減、介質(zhì)衰減和通過(guò)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(shù)α主要由3個(gè)部分構(gòu)成:導(dǎo)體衰減αc、介質(zhì)衰減 αd和輻射衰減 αr，可表示為

導(dǎo)體衰減αc表示式為

介質(zhì)衰減αd可用式(9)表示

式中，tanδ為介質(zhì)等效損耗角正切值;K1、K2表示內(nèi)外導(dǎo)體不同于理想圓柱體時(shí)所引起的電阻增大系數(shù)［6］。

漏纜的輻射衰減αr是指同軸電纜開(kāi)縫后，由于輻射的存在使得衰減常數(shù)增加的部分，其主要取決于電纜的縫隙結(jié)構(gòu)尺寸，同時(shí)還受頻率和周邊環(huán)境的影響。

2 某型八字形槽漏纜結(jié)構(gòu)

此型號(hào)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(dǎo)體內(nèi)徑也是32 mm，通過(guò)阻抗計(jì)算式(1)可知內(nèi)導(dǎo)體外徑為7.8 mm。內(nèi)導(dǎo)體為光滑銅管，外導(dǎo)體是軋紋銅帶縱包而成的，絕緣層為物理發(fā)泡絕緣介質(zhì)，等效介電常數(shù)為1.268，介質(zhì)損耗角正切值0.000068。

根據(jù)式(8)，式(9)計(jì)算得出導(dǎo)體衰減和介質(zhì)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(qū)，由式(5)可以計(jì)算得到其節(jié)距209 mm＜p＜627 mm，文中選取一個(gè)中間值，節(jié)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(cè)試結(jié)果

由于漏纜仿真對(duì)計(jì)算機(jī)的配置要求較高，且隨著長(zhǎng)度的增加所用時(shí)間迅速加長(zhǎng)。因此，不可能對(duì)實(shí)際試驗(yàn)設(shè)計(jì)所用的50 m或100 m長(zhǎng)的漏纜進(jìn)行全波仿真分析。仿真分析中，對(duì)于垂直開(kāi)槽的漏纜，若以一個(gè)節(jié)距長(zhǎng)度為一個(gè)周期，當(dāng)周期增加到11個(gè)時(shí)，中間周期的輻射場(chǎng)基本保持穩(wěn)定［7］。按同樣的方法，對(duì)八字形槽的影響范圍進(jìn)行仿真，分析結(jié)果表明當(dāng)周期增加到9或11個(gè)時(shí)，耦合損耗基本保持穩(wěn)定，故采用11個(gè)周期長(zhǎng)度(4.8 m)的模型進(jìn)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(nèi)外徑、節(jié)距和絕緣介質(zhì)的前提下，在電纜外導(dǎo)體上開(kāi)八字形槽孔，然后對(duì)漏纜進(jìn)行全波電磁仿真。增大槽孔角度會(huì)增大漏泄出來(lái)的能量和表面波，增大槽孔長(zhǎng)度也會(huì)增大表面波但不一定會(huì)增大漏泄能量，增大表面波會(huì)使導(dǎo)體和介質(zhì)衰減增大，而增大漏泄能量則使輻射衰減增大［8］。通過(guò)改變槽孔的長(zhǎng)度和角度可以得到使衰減常數(shù)和耦合損耗滿足標(biāo)準(zhǔn)的八字形槽孔結(jié)構(gòu)參數(shù)，表1給出一種滿足鐵路通信漏泄同軸電纜標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)漏纜的衰減曲線，其中實(shí)線為仿真結(jié)果，虛線為由式(8)，式(9)計(jì)算得到的曲線?？梢钥闯觯?50 MHz時(shí)衰減常數(shù)為21.78 dB/km，優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)［1］的 23.1 dB/km。漏纜的導(dǎo)體衰減和介質(zhì)衰減仿真值稍大于通過(guò)式(8)，式(9)計(jì)算得到的計(jì)算值，有一部分的原因是仿真時(shí)阻抗不完全匹配引起的，可見(jiàn)式(8)，式(9)可以用來(lái)近似計(jì)算漏纜的導(dǎo)體衰減和介質(zhì)衰減。

圖4a 型漏纜的衰減常數(shù)曲線

圖5為漏纜耦合損耗仿真結(jié)果，從圖中可以看出漏纜的95%耦合損耗為82.4 dB，優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)的87 dB。

圖5a 型漏纜耦合損耗仿真結(jié)果

對(duì)長(zhǎng)度為50 m的a型漏纜進(jìn)行測(cè)試，表2為漏纜的測(cè)試結(jié)果，圖6為漏纜耦合損耗測(cè)試數(shù)據(jù)曲線，可以看出其主要電氣特性均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2a 型漏纜測(cè)試結(jié)果

圖6a 型漏纜耦合損耗測(cè)試結(jié)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(zhǎng)度改為105 mm可以得到耦合損耗更小且仍滿足標(biāo)準(zhǔn)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(shù)和耦合損耗仿真結(jié)果，表3和表4給出這兩種漏纜測(cè)試結(jié)果、仿真結(jié)果以及標(biāo)準(zhǔn)值，可以看出這兩種漏纜滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3b 型漏纜測(cè)試結(jié)果

表4c 型漏纜測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

介紹了周期性開(kāi)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(shù)，并根據(jù)這些電氣特性的相互關(guān)系，通過(guò)全波仿真方法，設(shè)計(jì)了一種周期性八字形槽的某型漏纜。通過(guò)改變槽孔傾斜角度和長(zhǎng)度，也可以設(shè)計(jì)出滿足鐵路通信漏泄同軸電纜標(biāo)準(zhǔn)的其他兩種八字形槽漏纜。

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