U形漏泄同軸電纜的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王麗娟，楊拉明，楊　飛，曹　潘，曹亞倫

(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)

U形漏泄同軸電纜的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王麗娟1，楊拉明2，楊飛1，曹潘2，曹亞倫1

(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)

摘要為達(dá)到某移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)漏泄同軸電纜主要電氣指標(biāo)的要求，設(shè)計(jì)一種U形漏泄同軸電纜，以滿足工程應(yīng)用。闡述了漏泄同軸電纜耦合損耗和傳輸衰減兩個(gè)重要電氣指標(biāo)，以U形漏泄同軸電纜實(shí)例，利用三維電磁仿真軟件HFSS仿真分析900 MHz工作頻率下節(jié)距及槽孔尺寸的變化對(duì)耦合損耗、傳輸衰減的影響，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合良好。結(jié)果表明U形漏泄同軸電纜節(jié)距越小，漏泄同軸電纜耦合損耗越小。

關(guān)鍵詞漏泄同軸電纜；HFSS；節(jié)距；耦合損耗

隨著現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)地鐵、地下商場(chǎng)、地下停車場(chǎng)等封閉空間內(nèi)的信號(hào)傳輸和接收質(zhì)量要求也越來(lái)越高。由于封閉空間的各個(gè)面對(duì)電磁波的傳播有很強(qiáng)的多徑效應(yīng)及衰減作用，信號(hào)難以傳輸，因此，普通接收天線無(wú)法有效地發(fā)揮作用。為解決上述問(wèn)題，可采用漏泄同軸電纜通信技術(shù)[1]。

漏泄同軸電纜是通過(guò)在射頻同軸電纜外導(dǎo)體上開(kāi)孔或開(kāi)縫得到的，開(kāi)縫的目的就是向外輻射和接收外界電磁波。因此，漏泄同軸電纜具有輻射天線、接收天線和傳輸線三重功能[2]。漏泄同軸電纜通信技術(shù)就是在封閉空間利用漏泄電纜作為一種人工的傳播媒介，使無(wú)線電波在電纜中傳播并通過(guò)外導(dǎo)體上周期性槽孔的結(jié)構(gòu)不斷地泄漏到電纜所在位置的鄰近空間[3]。

文中首先闡述了漏泄同軸電纜兩個(gè)最重要的電氣指標(biāo)，然后以輻射型的U形漏泄同軸

電纜為例，使用HFSS電磁仿真軟件，在900 MHz工作頻率下建立了等效電磁模型，仿真分析槽孔尺寸及節(jié)距的變化對(duì)漏泄同軸電纜的耦合損耗及傳輸衰減的影響，從而得到更好更優(yōu)性能的漏泄同軸電纜，以滿足移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)高質(zhì)量信號(hào)傳輸?shù)囊蟆?/p>

1理論基礎(chǔ)

漏泄同軸電纜的電性能指標(biāo)主要有工作頻率、特性阻抗、耦合損耗和傳輸衰減等，其中耦合損耗、傳輸衰減是漏泄同軸電纜在生產(chǎn)應(yīng)用中考慮的兩個(gè)重要性能指標(biāo)[4-5]。

1.1耦合損耗

耦合損耗是用來(lái)描述漏泄同軸電纜與外界環(huán)境之間相互耦合強(qiáng)度的特性參數(shù)，其反映了電磁波的覆蓋范圍[6-8]。用Lc表示，定義式如式(1)所示[9]

(1)

其中，pr是距離電纜縱向軸2 m遠(yuǎn)處的標(biāo)準(zhǔn)半波偶極子天線的接收功率;pt是漏泄電纜發(fā)射功率，單位均為W。

工程應(yīng)用上定義耦合損耗有50%和95%兩種概率接收值，分別表示50%和95%的局部耦合損耗的測(cè)量值小于此值，一般多用95%的概率接收值來(lái)評(píng)定漏泄同軸電纜耦合損耗指標(biāo)[9]。

1.2傳輸衰減

傳輸衰減是反映電磁能量在電纜內(nèi)部傳輸能量的損耗，其值隨頻率變化而變化，單位dB/km，理論計(jì)算公式如式(2)所示[10]

α=α1+α2+α3

(2)

其中，α是給定頻率的傳輸衰減；α1是導(dǎo)體衰減；α2是介質(zhì)衰減；α3是輻射衰減。

導(dǎo)體衰減是由于電纜內(nèi)外導(dǎo)體自身特性所引起的能量損耗，定義如式(3)所示[10]

(3)

其中，K1是內(nèi)導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)皺紋系數(shù)；K2是外導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)皺紋系數(shù)。一般漏泄同軸電纜的內(nèi)外導(dǎo)體均為光滑的銅管，故K1和K2取值均為1。

介質(zhì)衰減是由于在絕緣介質(zhì)為非理想時(shí)所引起的損耗，工程計(jì)算如式(4)所示[10]

(4)

其中，δ為等效介質(zhì)的損耗角；式(3)和式(4)中f均是工作頻率。

輻射衰減是由于同軸電纜開(kāi)槽后能量輻射損失使得傳輸衰減增加部分的能量，它主要由工作頻率、縫隙尺寸和周圍的環(huán)境決定[11-12]，不易計(jì)算。

2漏泄同軸電纜的仿真分析

2.1U形槽漏泄同軸電纜的建模

以一種特性阻抗為50 Ω，工作頻率為900 MHz的U形開(kāi)槽輻射型漏泄同軸電纜為例，利用HFSS進(jìn)行建模、仿真和分析。U形槽孔結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1　外導(dǎo)體開(kāi)槽形式圖

如圖1所示，槽孔參數(shù)a和c均為弧長(zhǎng)尺寸，P是槽孔的周期長(zhǎng)度，e是倒圓角半徑。在建立模型的過(guò)程需通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算將豎直長(zhǎng)度a、水平縫寬c的尺寸轉(zhuǎn)換為弦長(zhǎng)尺寸，與實(shí)際電纜的槽孔尺寸相匹配。開(kāi)槽尺寸如表1所示。

表1　槽孔參數(shù)

漏泄同軸電纜的結(jié)構(gòu)尺寸如表2所示。

表2　漏泄同軸電纜的結(jié)構(gòu)尺寸

首先繪制半徑為8.65 mm的實(shí)心圓柱，將材料設(shè)置為copper，電導(dǎo)率為5.8×10-7S/m，則實(shí)心銅圓柱是實(shí)際漏纜內(nèi)導(dǎo)體的電磁等效模型。其次繪制半徑為21.5 mm的圓柱，新建材料，將材料的介電常數(shù)值和介質(zhì)損耗角正切值分別設(shè)置為1.27和1.7×10-5，并與內(nèi)導(dǎo)體進(jìn)行布爾減法運(yùn)算，保留被減物體的屬性，此圓環(huán)體為實(shí)際絕緣介質(zhì)的電磁模型。外導(dǎo)體等效為直徑為43 mm的圓柱面，繪制一條距軸向中心軸為21.5 mm、緊貼絕緣介質(zhì)層表面，且與內(nèi)導(dǎo)體相同長(zhǎng)度的線段，將其繞著電纜縱向軸進(jìn)行sweep操作，角度設(shè)置為360°，得到圓柱面，材料設(shè)為有限電導(dǎo)體，與銅的電導(dǎo)率相同，此無(wú)厚度的圓柱面為實(shí)際漏纜外導(dǎo)體的電磁等效模型。最后在漏泄同軸電纜的外導(dǎo)體上繪制出正U槽孔。根據(jù)尺寸畫(huà)U面，并拉伸成體，注意U形體須和建立的外導(dǎo)體銅帶充分相交才可以，才能與外導(dǎo)體做布爾減法運(yùn)算，因此，在外導(dǎo)體上就出現(xiàn)正U槽，同理可得到倒U。

接下來(lái)設(shè)置激勵(lì)和輻射邊界，纜兩端分別畫(huà)兩個(gè)圓面，定義為波導(dǎo)端口1和2，將離漏纜2 m處遠(yuǎn)的偶極子天線的端口定義為集總端口3，以便計(jì)算S參數(shù)。并繪制距離漏纜和偶極子天線分別均為1/4波長(zhǎng)的空氣盒子，表面設(shè)置為radiation，即為輻射邊界。根據(jù)S參量物理意義，耦合損耗用S13表征，傳輸衰減用S12與漏纜長(zhǎng)度的比值表征。頻率單位設(shè)置為900 MHz?？紤]計(jì)算時(shí)間和軟件的局限性，漏纜仿真長(zhǎng)度設(shè)為2 000 mm，理想輻射邊界設(shè)置為扇形。HFSS仿真模型和局部槽孔模型如圖2所示。

圖2　HFSS仿真模型及局部槽孔圖

2.2仿真與分析

2.2.1U型槽孔尺寸變量的仿真分析

以節(jié)距為220 mm為實(shí)例，利用HFSS分別仿真槽孔豎直臂寬b、水平縫寬c的變化對(duì)傳輸衰減、耦合損耗的影響，如圖3和圖4所示。

圖3　隨豎直臂寬b變化的關(guān)系圖

圖4　隨水平縫寬c變化的關(guān)系圖

從圖3得到傳輸衰減隨著豎直臂寬b的增加而增大，耦合損耗隨著豎直臂寬b的增加先減少后增大。故在設(shè)計(jì)時(shí)可選取適當(dāng)?shù)呢Q直臂寬b使耦合損耗和傳輸衰減不高于標(biāo)準(zhǔn)值。

從圖4得到傳輸衰減在水平縫寬c增加時(shí)單調(diào)減小，耦合損耗在c增加時(shí)單調(diào)增大，且耦合損耗與傳輸衰減的變化均在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，符合工程應(yīng)用實(shí)際要求。故在實(shí)際系統(tǒng)的應(yīng)用中可平衡選擇耦合損耗和傳輸衰減兩個(gè)指標(biāo)的值，以使系統(tǒng)損耗達(dá)到最小。一個(gè)周期內(nèi)相鄰正U和倒U形的槽之間的距離P1和周期之間相鄰槽之間P2的變化得到傳輸衰減、耦合損耗的仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5　S12、S13隨P1變化的關(guān)系圖

圖6　S12、S13隨P2變化的關(guān)系圖

從圖5得到傳輸衰減和耦合損耗分別隨P1的增加而非線性增大，從圖6得到隨P2的增加，傳輸衰減和耦合損耗分別非線性增大。故而在漏泄同軸電纜一個(gè)周期內(nèi)正U和倒U形槽之間的距離越大，耦合損耗和傳輸衰減分別增大，不利于信號(hào)傳輸。且仿真結(jié)果均在標(biāo)準(zhǔn)值的范圍之內(nèi)，因而節(jié)距變化的仿真結(jié)果也具有一定的實(shí)際參考價(jià)值。

2.2.2標(biāo)準(zhǔn)值、仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果比較

利用HFSS在900 MHz時(shí)仿真表1所示的不同周期的U形漏泄同軸電纜，得到傳輸衰減和耦合損耗的仿真結(jié)果，并將標(biāo)準(zhǔn)值、實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行比較分析。傳輸衰減結(jié)果比較如表3所示，耦合損耗結(jié)果比較如表4所示。

表3　900 MHz 傳輸衰減結(jié)果比較

傳輸衰減的理論計(jì)算公式如式(1)～式(3)所示，由表3得出900 MHz時(shí)的傳輸衰減的仿真結(jié)果比實(shí)測(cè)結(jié)果大。這是由于實(shí)際測(cè)量時(shí)，測(cè)試環(huán)境的復(fù)雜性導(dǎo)致的輻射衰減、外導(dǎo)體縱包時(shí)引起的介質(zhì)衰減兩者共同導(dǎo)致的差異，而且傳輸衰減仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的誤差在允許范圍之內(nèi)，且均滿足通信行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)值[9]。對(duì)U形槽而言，傳輸衰減隨節(jié)距增大而減小。

表4　900 MHz耦合損耗結(jié)果比較

由表4得到在900 MHz頻率下，在仿真模型建立過(guò)程中，由于開(kāi)槽尺寸的誤差，輻射邊界的有限性，實(shí)際測(cè)量時(shí)頻譜分析儀自身的誤差，漏泄同軸電纜接頭處的損耗等，這些因素導(dǎo)致耦合損耗仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果會(huì)存在誤差，且誤差在允許范圍之內(nèi)，又同時(shí)達(dá)到通信行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)值[9]。由于實(shí)際測(cè)量時(shí)，樣品制作生產(chǎn)周期長(zhǎng)，制作過(guò)程中無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)變更，故在實(shí)際制作時(shí)只得到了節(jié)距為220 mm和240 mm漏泄同軸電纜樣品的實(shí)測(cè)結(jié)果。

3結(jié)束語(yǔ)

文中主要對(duì)900 MHz時(shí)不同節(jié)距的U形漏泄同軸電纜進(jìn)行仿真，并對(duì)槽孔尺寸進(jìn)行優(yōu)化分析。仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較分析，得出以下結(jié)論：槽孔豎直縫寬和水平縫寬的變化根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的要求而定，周期內(nèi)的相鄰槽之間的距離和周期之間相鄰槽之間變化的優(yōu)化仿真得到節(jié)距越大，耦合損耗隨之增大，而傳輸衰減隨之減小，對(duì)能量的傳輸有一定的衰減作用。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中需要兼顧耦合損耗、傳輸衰減指標(biāo)，耦合損耗決定漏泄同軸電纜輻射到外界的電磁波的能量多少，即空間中電磁波的傳輸距離。由于實(shí)際加工漏泄同軸電纜時(shí)，其利用模具一次成型，因而電磁仿真的優(yōu)化分析在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)有一定的工程價(jià)值。

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Design and Implementation of a U-shaped Leaky Coaxial Cable

WANG Lijuan1，YANG Laming2，YANG Fei1，CAO Pan2， CAO Yalun1

(1. School of Electronic Engineering, Xidian University, Xi’an 710071, China; 2. Product Research Department,Xi’an XD Cable Co. , LTD, Xi’an 710082, China)

AbstractTo reach the main electrical indicators needs of leaky coaxial cables for a mobile communication system, a U-shaped leaky coaxial cable is designed, satisfying the engineering application. The coupling loss and transmission loss are elaborated. At the operating frequency 900 MHz, the U-shaped leaky coaxial cable modeling is simulated in the 3D electromagnetic simulation software HFSS, and the effect of the variation of interval and slot size on coupling loss and transmission attenuation are analyzed. The simulation results are in good agreement with experimental results. It shows that the smaller the sub slot interval is, the smaller coupling loss is.

Keywordsleaky coaxial cable; HFSS;interval; coupling loss.

收稿日期:2015-10-27

作者簡(jiǎn)介:王麗娟(1990-)，女，碩士研究生。研究方向：電磁兼容與漏波天線。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.06.035

中圖分類號(hào)TN811+.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-7820(2016)06-120-04