一種新型縫隙同軸電纜的仿真設(shè)計

陳佳星 肖高標

摘? 要：文章介紹一種工作在2.4GHz頻率的新型縫隙同軸電纜，其特點是頻帶較寬，輻射場分布較均勻，可以應(yīng)用在某些特定場合，例如相控陣失效單元監(jiān)測和射頻標簽（RFID）讀取。縫隙結(jié)構(gòu)是蝴蝶結(jié)型，容易優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，該縫隙同軸電纜在2.4GHz處的頻帶寬度約500MHz。

關(guān)鍵詞：縫隙同軸電纜;近場輻射;HFSS仿真

中圖分類號：TM248+.3 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）06-0107-02

縫隙同軸電纜廣泛使用在高鐵、隧道、室內(nèi)通信等環(huán)境下無線通信系統(tǒng)中[1]。其特點是電磁波沿著電纜傳播的同時，可以漏泄部分電磁波出來，具有收發(fā)天線的功能。縫隙同軸電纜外導(dǎo)體上不同縫隙結(jié)構(gòu)的輻射特性差別很大，因此，近年來出現(xiàn)了多種新型縫隙結(jié)構(gòu)。

文獻[2]提出一種UHF波段同軸縫隙天線，主要應(yīng)用于近場RFID系統(tǒng)。通過在外導(dǎo)體上開周期性的三角形和波浪形縫隙，使得這種結(jié)構(gòu)的近場耦合大大提高，可以在一定范圍內(nèi)有效地識別無源RFID標簽?？p隙同軸結(jié)構(gòu)應(yīng)用于相控陣失效單元監(jiān)測由文獻[3]提出，在相控陣附近放置縫隙同軸電纜作為接收天線，代替遠場監(jiān)測的方案。本文在上述兩種應(yīng)用場景下提出了一種新型縫隙同軸結(jié)構(gòu)，通過幾種簡單縫隙結(jié)構(gòu)的組合，使得該縫隙同軸電纜的設(shè)計靈活性大大提高。與此同時，該縫隙結(jié)構(gòu)還具有工作頻帶較寬，輻射較均勻的特點。

1 縫隙電纜結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的縫隙結(jié)構(gòu)為蝴蝶結(jié)型，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。同軸線一端短路，一端為波端口，縫隙開在外導(dǎo)體。為了模擬天線與輻射源的近場耦合特性，在離天線一定距離處（近場范圍內(nèi)）添加了一個電小尺寸領(lǐng)帶結(jié)天線。

縫隙同軸電纜外導(dǎo)體上的縫隙結(jié)構(gòu)有許多種，比如垂直縫隙、八字形縫隙，還有三角縫隙。而這些單一性縫隙結(jié)構(gòu)的缺點就是可調(diào)節(jié)參數(shù)少，靈活性較差。因此我們通過組合幾種簡單縫隙結(jié)構(gòu)的方式設(shè)計新型縫隙結(jié)構(gòu)，增加優(yōu)化設(shè)計的靈活性。

蝴蝶結(jié)型縫隙的結(jié)構(gòu)如圖2所示，該縫隙結(jié)構(gòu)可以看作是八字形與垂直縫隙的組合。蝴蝶結(jié)型縫隙結(jié)構(gòu)主要由以下幾個參數(shù)決定?？p隙的寬度w1，縫隙間距w2，垂直縫隙的高度為2wz，縫隙關(guān)于xoy面對稱，縫隙的形狀還與兩個夾角有關(guān)，分別是α和β角。在本文中，縫隙同軸電纜的內(nèi)導(dǎo)體半徑和外導(dǎo)體內(nèi)半徑分別是a=4.9mm和b=12.5mm，外導(dǎo)體的厚度為1mm，電纜中絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)εr=1.4。中心工作頻率設(shè)為2.4GHz，工作波長為125mm?？p隙結(jié)構(gòu)尺寸見表1。

表1 縫隙同軸電纜中縫隙參數(shù)值

2 縫隙同軸結(jié)構(gòu)仿真與優(yōu)化

本文采用商用仿真軟件HFSS，依據(jù)上述參數(shù)建立仿真模型，工作頻率設(shè)為2.4GHz，同時在距離電纜一定距離處放置一個電小尺寸領(lǐng)帶結(jié)天線作為接收天線。整個模型可以看作一個兩端口網(wǎng)絡(luò)，縫隙同軸電纜的一端作為輸入端，設(shè)置為端口1，另一端設(shè)置為短路。邊緣縫隙距離短路端口為λ/4。領(lǐng)帶結(jié)天線設(shè)置為端口2。dx為領(lǐng)帶結(jié)天線沿著縫隙同軸電纜一端（端口1）到另一端（短路端）縫隙同軸電纜的回波損耗（匹配特性）、耦合損耗可以由|S11|、|S21|來分別表示。

本文采用商用仿真軟件HFSS，依據(jù)上述參數(shù)建立仿真模型。同時在距離電纜一定距離處放置一個電小尺寸領(lǐng)帶結(jié)天線作為接收天線。整個模型可以看作一個兩端口網(wǎng)絡(luò)，縫隙同軸電纜的一端作為輸入端，設(shè)置為端口1，另一端設(shè)置為短路。邊緣縫隙距離短路端口為λ/4。領(lǐng)帶結(jié)天線設(shè)置為端口2。dx為領(lǐng)帶結(jié)天線沿著縫隙同軸電纜一端（端口1）到另一端（短路端）縫隙同軸電纜的反射系數(shù)可以由

|S11|表示，與領(lǐng)帶結(jié)天線之間的電磁耦合強度可以由|S21|表示。

優(yōu)化前后的縫隙結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，優(yōu)化后的S參數(shù)如圖3所示。由圖3（a）可知，優(yōu)化后的縫隙電纜在2.4GHz左右具有約為500MHz的-10dB帶寬。在圖3（b）中，優(yōu)化后耦合強度有所增加。雖然單個縫隙輻射有較強的方向性，其監(jiān)測范圍較窄，但多個縫隙的輻射場疊加覆蓋，可以有效地使輻射場沿電纜方向擴展，使同軸電纜的監(jiān)測范圍大幅度增加，而且輻射場強比較均勻，可用于相控陣單元監(jiān)測，以及較寬范圍內(nèi)分布的射頻標簽的讀取識別。

3 結(jié)束語

本文提出了一種工作在2.4GHz處新型縫隙同軸結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化縫隙參數(shù)，得到了一種匹配特性良好并且輻射較均勻的縫隙同軸結(jié)構(gòu)，可以有效地擴展縫隙同軸電纜的電磁耦合范圍。

參考文獻：

[1]Xiao-Dong Yang， Yan-Fei Jia， Hai-Yu Chi. Research on the resonance points of leaky coaxial cable for mobile communication[C]. International Conference on Wireless Communications Networking and Mobile Computing， 2007：1008-1011.

[2]J. Jiang， L. Wang and G. Wang. Leaky coaxial cable for near-field UHF RFID applications[C]. 2017 Sixth Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation （APCAP）.Xi'an， 2017：1-3.

[3]L. Infante， S. Danilo Quintili and C. Romanucci. A real-time diagnostic tool for phased array antenna systems[C]. 2013 IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology. Waltham， MA， 2013：725-730.

[4]王均宏，簡水生.漏泄同軸電纜輻射模式分析及高次模抑制[J].通信學(xué)報，2000（12）：17-22.