雙漏纜電磁耦合傳感器設(shè)計(jì)

官　喬， 路宏敏， 譚康伯， 藍(lán)燕銳， 孫　棟

(1. 西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710071;2. 中天科技集團(tuán) 中天射頻電纜有限公司，江蘇 南通 226010)

漏泄同軸電纜(Leaky Coaxial Cable，LCX)，簡稱為漏纜，是一種以同軸線結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，外導(dǎo)體雕刻不同形狀縫隙的同軸電纜[1-2]．LCX工作時，一方面沿其內(nèi)外導(dǎo)體軸向空間傳輸電磁波信號，其作用和普通同軸電纜一樣; 另一方面也通過外導(dǎo)體上的縫隙向外輻射電磁波，其作用和普通天線一樣[3-4]．LCX因其具有傳輸線和天線的雙重作用，廣泛應(yīng)用于地鐵、礦井和地下停車場等無線通信基站電磁波信號無法覆蓋的區(qū)域[5-6]，解決了常規(guī)天線輻射的電磁波信號覆蓋的盲區(qū)問題．LCX新近也應(yīng)用于人體姿勢識別，以提供醫(yī)療關(guān)懷輔助功能[7]．LCX和多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技術(shù)相結(jié)合，為無線信道容量的提升開辟了新途徑[8-9]．

為了解決恐怖威脅等不安全因素導(dǎo)致重要設(shè)施、區(qū)域和國界的安防警戒問題，迫切需要應(yīng)用新技術(shù)和新方法設(shè)計(jì)入侵探測的系統(tǒng)．基于LCX的周界入侵探測系統(tǒng)，具有安全隱蔽、隨形安裝、全天候工作、全空間警戒等特點(diǎn)，受到了美國、日本、加拿大、以色列等國家相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者的重視[10-13]，國內(nèi)相關(guān)研究所也進(jìn)行了基礎(chǔ)性探索．然而各國公共安全標(biāo)準(zhǔn)存在的差異性，導(dǎo)致現(xiàn)有基于LCX的周界入侵探測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)呈現(xiàn)出不同的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法．同時，科技發(fā)展提供了采用新技術(shù)方法的可能性．筆者基于雙根LCX構(gòu)建電磁耦合傳感器(Double Leaky Coaxial Cables Senor， DLCXS)，以陣列天線理論分析其工作原理，并運(yùn)用HFSS仿真分析其端口傳輸特性，提出了一種新型電磁傳感器．依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)選取HLRHTCYZ-50-42L型號的單根LCX進(jìn)行電氣性能仿真分析和優(yōu)化，給出了八字槽縫隙物理尺寸制約LCX耦合損耗和傳輸損耗的變化規(guī)律; 并進(jìn)行了單根LCX電氣性能實(shí)測．實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好．

1　理論分析

圖1　漏泄同軸電纜結(jié)構(gòu)示意

漏泄同軸電纜結(jié)構(gòu)如圖1所示，由內(nèi)向外依次是內(nèi)導(dǎo)體、發(fā)泡絕緣介質(zhì)層、雕刻有縫隙的外導(dǎo)體，節(jié)距P表示一組縫隙的周期長度，z表示電磁波傳輸?shù)淖鴺?biāo)方向，φ為漏纜橫截面的圓周坐標(biāo)方向，α為縫隙傾角，w為縫隙寬度，l為縫隙長度．通常也會在外導(dǎo)體外側(cè)加一層護(hù)套來保護(hù)內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)以防腐蝕、變形，可埋設(shè)于土壤、墻體、瀝青和水泥路面等嚴(yán)酷環(huán)境．

1.1　單根八字槽縫隙漏纜的場分析

對于漏泄同軸電纜而言，主要的電氣參數(shù)包括耦合損耗、工作頻帶和傳輸損耗等．耦合損耗Lc= -10 log(Pr/Pt)，其中，Pr表示距離漏纜 2 m 處的偶極子天線的接收功率，Pt表示漏纜內(nèi)傳輸?shù)碾姶挪üβ剩├|的耦合損耗沿軸向起伏變化，通常以概率的方法來表示整根漏纜的耦合損耗，用符號Lc(95%)來表征局部耦合，它表示95%的局部耦合損耗的測量值均小于此值．

對于周期性縫隙結(jié)構(gòu)，根據(jù)Floquet定理，電場分布的表達(dá)式為

E(r，φ，z)=Ep(r，φ，z) exp(-jkzz),

(1)

其中，kz=β-jα，α和β分別是衰減常數(shù)和傳播常數(shù)，EP(r，φ，z)是關(guān)于z的周期函數(shù)．EP(r，φ，z)的傅里葉級數(shù)及周期縫隙電場分布的表達(dá)式依次為

其中，βm=2mπ/P+β．假設(shè)漏泄同軸電纜是無限長的，八字槽縫隙的電場如圖2(a)所示．

圖2　八字槽漏泄同軸電纜縫隙電場及電流分析

(4)

1.2　電磁耦合傳感器DLCXS場分析

漏泄同軸電纜傳輸橫電磁(Transverse ElectroMagnetic，TEM)模的同時，也會通過縫隙向外輻射電磁波．基于上述單根八字槽漏纜的場特性分析，配置于空間的DLCXS可以建立三維電磁場區(qū)域，如圖3所示．無人靜態(tài)環(huán)境下，一根漏纜外導(dǎo)體上的縫隙產(chǎn)生的電磁場沿著固定的路徑傳輸；另一根漏纜接收其產(chǎn)生的電磁場，圍繞發(fā)射漏纜與接收漏纜構(gòu)建的三維空間會形成沿軸向起伏微小的電磁場分布．當(dāng)有目標(biāo)入侵時，環(huán)境媒質(zhì)發(fā)生不連續(xù)，電磁波傳輸路徑及衰減幅度會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致入侵目標(biāo)處的電磁場分布有顯著起伏．因此，通過軸向電磁場分布的狀態(tài)變化可獲得入侵目標(biāo)的相關(guān)信息，從而能夠構(gòu)建一種電磁耦合傳感器．

圖3　基于漏纜的電磁耦合傳感器DLCXS

同理，接收漏纜第n組的八字槽縫隙也可以看成為兩個磁偶極子，發(fā)射漏纜第m組八字槽縫隙的電磁波傳播到接收漏纜第n組八字槽縫隙處，分別經(jīng)過RmLnL、RmRnL、RmLnR和RmRnR的傳播距離，其中RmLnL、RmRnL、RmLnR、RmRnR分別依次表示發(fā)射漏纜第m組的兩個八字槽縫隙與接收漏纜第n組八字槽縫隙之間的空間距離．僅考慮發(fā)射漏纜第m組八字槽縫隙時，接收漏纜第n組八字槽縫隙電場分別為

令發(fā)射漏纜與接收漏纜平行布置時的空間間距為L，則RmLnL= {L2+ [p(n-m)]2}1/2．由疊加原理知，發(fā)射漏纜的N組八字槽縫隙，在接收漏纜第n組八字槽縫隙處產(chǎn)生的電場為

(9)

這樣就可以獲得接收漏纜上N組八字槽縫隙處的電場，各縫隙處的電磁波將耦合進(jìn)入接收漏纜，并在接收漏纜內(nèi)分別向端口3和端口4傳播，這兩個端口的電磁場將是接收漏纜內(nèi)N組縫隙耦合電磁場的和．

2　仿真與實(shí)驗(yàn)

仿真與實(shí)驗(yàn)研究中，采用了單八字槽縫隙的漏泄同軸電纜．漏纜特性阻抗標(biāo)稱值為 50 Ω，外導(dǎo)體內(nèi)直徑為 42 mm，內(nèi)導(dǎo)體直徑為 17.3 mm，絕緣介質(zhì)εr= 1.27，損耗角正切 tang= 1.7× 10-5．

2.1　縫隙物理尺寸對LCX傳輸損耗及耦合損耗的影響

八字槽縫隙的物理尺寸包括縫隙長度l、寬度w和傾角α．由于縫隙寬度w對漏纜外導(dǎo)體面電流截斷的影響并不明顯，所以仿真僅考慮縫隙長度和傾角對漏纜電氣特性的影響．

選取縫隙寬度w=4 mm，節(jié)距P=1 000 mm．人體目標(biāo)對 30～ 300 MHz 頻段內(nèi)的雷達(dá)信號具有最佳響應(yīng)，可避免小動物之類的因素產(chǎn)生虛假警報，取頻點(diǎn)f= 40 MHz[16]．

圖4表示不同傾角α、縫隙長度l的八字槽縫隙漏纜的傳輸損耗特性．

仿真結(jié)果表明，傾角α不變時，傳輸損耗隨著縫隙長度l的增大而增加;縫隙長度l不變時，傳輸損耗隨著傾角α的增大而增加．電磁波通過LCX外導(dǎo)體上的縫隙向外耦合，縫隙長度l增大將會導(dǎo)致縫隙上位移電流分布的范圍變大，位移電流是建立LCX外部電磁場的源，因此漏纜輻射增加，從而導(dǎo)致傳輸損耗增大．傾角α越大，被截斷的位移電流輻射效果越強(qiáng)，這樣會引起輻射增加，傳輸損耗增大．

圖4 不同傾角α、縫隙長度l的傳輸損耗圖5 不同縫隙長度、傾斜角度的耦合損耗

為了分析LCX接收電磁波的能力，進(jìn)行了漏纜的耦合損耗仿真分析．仿真通過一個諧振頻率為 40 MHz 的標(biāo)準(zhǔn)偶極子天線，來評測電磁波耦合效果．圖5是不同傾角α、縫隙長度l耦合損耗的仿真結(jié)果．

圖5中選取縫隙傾角α在10°～70°間變化，縫隙長l的調(diào)節(jié)范圍為 30～ 90 mm．由圖可以看出，傾角α不變的情況下，隨著縫隙長l的增加，耦合損耗逐漸減小．這表明縫隙長度l越大，漏纜輻射的電磁波能量越多，偶極子天線接收到的電磁波能量也越多; 由圖5也可以看出，縫隙長度l不變的情況下，傾角α越大，耦合損耗越小，縫隙長度l引起耦合損耗的變化越顯著．

2.2　LCX耦合損耗的仿真與實(shí)測結(jié)果

委托項(xiàng)目合作單位研制了幾根型號為 HLRHTCYZ-50-42L 的漏泄同軸電纜，長度為 53 m．漏纜外導(dǎo)體內(nèi)直徑D= 42 mm，內(nèi)導(dǎo)體直徑d= 17.3 mm，絕緣介質(zhì)相對介電常數(shù)εr= 1.27，損耗角正切 tang= 1.7× 10-5．漏纜為單八字槽周期縫隙，縫隙長度l= 120 mm，縫隙寬度w= 4 mm，傾角α= 45°，節(jié)距P= 1 000 mm．利用標(biāo)準(zhǔn)漏纜性能測試平臺，對研制漏泄同軸電纜進(jìn)行了性能測試．漏纜特性阻抗的實(shí)測結(jié)果為 50 Ω，仿真值為 48.2 Ω，滿足 50±2 Ω 的國家標(biāo)準(zhǔn); 實(shí)測傳輸損耗為 0.44 dB/ 100 m，仿真?zhèn)鬏敁p耗為 0.499 dB/ 100 m．

漏纜電氣性能的重要指標(biāo)之一為耦合損耗．依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)偶極子天線與LCX水平、垂直和周向構(gòu)成3種取向方式，分別進(jìn)行耦合損耗的實(shí)測．實(shí)測中考慮到漏纜兩端電場分布的不均勻性，僅選取漏纜中間 33 m 的長度進(jìn)行取樣測試，背景噪音小于 -95 dBm．

圖6(a)為水平方向耦合損耗實(shí)測值與仿真值; 圖6(b)為垂直方向耦合損耗實(shí)測值與仿真值．可以看出，仿真值和實(shí)測值基本吻合．沿漏纜軸向耦合損耗變化規(guī)律一致，且水平方向的耦合損耗略優(yōu)于垂直方向的耦合損耗．表明偶極子水平放置時，極化匹配較為理想，接收的電磁波能量更多．表1給出了偶極子3種取向方式下，LCX耦合損耗仿真值與實(shí)測值的結(jié)果對比．

圖6　耦合損耗實(shí)測值與仿真值

偶極子天線放置方式Lc仿真結(jié)果/dBLc實(shí)測結(jié)果/dB差值/dB水平58.362.64.3垂直66.964.32.6周向51.063.012.0

受測量條件的限制，偶極子天線進(jìn)行周向取向方式的測量過程中，僅采用了 2 m 長的LCX，原因是為了減輕旋轉(zhuǎn)LCX的工作難度．從表1可以看出，周向取向方式的仿真結(jié)果優(yōu)于實(shí)測結(jié)果，這是因?yàn)榉抡婺Ｐ偷穆├|長度為 53 m，其長度遠(yuǎn)長于實(shí)測漏纜長度，仿真模型的空間電磁場疊加效應(yīng)更強(qiáng)．

2.3　電磁耦合傳感器DLCXS仿真分析

為了驗(yàn)證上述電磁耦合傳感器DLCXS的理論構(gòu)建方法，選取兩根上述型號的LCX．兩根LCX的縫隙正對放置，纜間距 3 m，建立如圖7(a)所示的仿真模型．模型中一根LCX用于發(fā)射信號，另一根LCX用于接收信號，從而構(gòu)建一個DLCXS電磁耦合傳感器．端口1設(shè)置為信號發(fā)射端并接入波端口，端口2～端口4設(shè)置為波端口匹配狀態(tài)．采用高頻結(jié)構(gòu)仿真(High Frequency Structure Simulation，HFSS)分析軟件，進(jìn)行4端口網(wǎng)絡(luò)仿真分析，不同長度、不同纜間距的DLCXS電磁耦合傳感器的端口耦合結(jié)果S13和S14的變化曲線如圖7所示．

圖7　接收端口耦合特性

圖7(a)的電磁場耦合特性表明，當(dāng)DLCXS軸向長度大于 45 m 時，端口3和端口4的耦合參數(shù)趨于穩(wěn)定，端口3的耦合量小于端口4的耦合量，可滿足模型仿真精度所需的最小軸向長度．其端口3或者端口4可以作為信號接收端口，連接接收機(jī)處理和顯示接收信號．從圖7(b)可以看出，纜間距越大，接收發(fā)射LCX耦合強(qiáng)度越弱．可以根據(jù)DLCX實(shí)際敷設(shè)環(huán)境，選擇合適的纜間距，達(dá)到最佳周界入侵探測效果．

3　結(jié) 束 語

為滿足重要設(shè)施、區(qū)域和國界遭受恐怖威脅等因素的安全警戒現(xiàn)實(shí)需求，筆者借助陣列天線原理進(jìn)行理論分析，并運(yùn)用HFSS仿真分析端口傳輸特性，提出了一種新型的基于雙根LCX構(gòu)建的電磁耦合傳感器．依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)選取HLRHTCYZ-50-42L型號的單根LCX，工作頻率為 40 MHz，進(jìn)行電氣性能仿真分析和優(yōu)化．結(jié)果表明: 縫隙l越長，傳輸損耗越大而耦合損耗越小; 傾角α越大，傳輸損耗越大而耦合損耗越?。紭O子天線水平放置方式的耦合損耗實(shí)測值為 62.6 dB，仿真值為 58.3 dB，這兩個結(jié)果均優(yōu)于偶極子天線垂直放置方式的結(jié)果，呈現(xiàn)出耦合能量的最佳接收方式．單根LCX電氣性能實(shí)測和仿真結(jié)果吻合良好．這些研究結(jié)果為周界入侵探測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供了重要參考．

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