交通無線通信系統(tǒng)中漏泄同軸電纜施工分析

劉詩華、徐長浩

（江西路通科技有限公司，江西南昌 330008)

0 引言

漏泄同軸電纜主要在同軸電纜外導(dǎo)體上開設(shè)不同形狀槽孔，以使電纜內(nèi)部電磁場向外泄漏，漏纜兼具同軸電纜和天線的雙重功能，在交通無線通信系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。而漏泄同軸電纜施工質(zhì)量對于交通信號傳輸及系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行十分重要，必須從漏纜選用、施工準(zhǔn)備、施工過程控制等方面著手保證施工質(zhì)量，為交通無線通信系統(tǒng)正常運(yùn)行提供基礎(chǔ)條件。

1 漏泄同軸電纜選用

1.1 漏泄同軸電纜阻抗選擇

交通無線通信系統(tǒng)中通常選擇50Ω 或75Ω 的標(biāo)準(zhǔn)阻抗，為降低導(dǎo)體損耗，必須根據(jù)式（1）進(jìn)行特性阻抗選擇，為增大功率容量，則應(yīng)根據(jù)式（2）進(jìn)行特性阻抗選擇。

式（1）～（2）中：Zc為電纜特性阻抗（Ω）；εr為絕緣材料等效介電常數(shù)。兼顧導(dǎo)體損耗及功率容量方面的考慮，當(dāng)前交通無線通信系統(tǒng)中GSM-R 系統(tǒng)普遍采用特性阻抗50Ω 的漏泄同軸電纜。

1.2 漏泄同軸電纜輻射模式

根據(jù)場強(qiáng)輻射模式可以將漏泄同軸電纜分成輻射型漏纜和表面波耦合型漏纜兩種類型，漏纜輻射機(jī)理具體見圖1。其中，輻射型漏泄同軸電纜外導(dǎo)體槽孔間距和波長相等，精確的槽孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及特定的窄頻段有助于槽孔位置信號同相疊加。輻射型漏泄同軸電纜徑向場強(qiáng)作用距離大，空間損耗低，耦合損耗及波動小，50%和95%耦合損耗概率的離散性通常在3～5dB 區(qū)間內(nèi)波動，但是頻帶相對較窄，設(shè)計(jì)及施工期間必須充分考慮諧振頻率等的不利影響；此外，電纜敷設(shè)時(shí)場強(qiáng)受到槽孔孔向的較大影響，故應(yīng)針對具體頻段加強(qiáng)場強(qiáng)優(yōu)化處理。

表面波耦合型漏泄同軸電纜外導(dǎo)體槽孔間距比工作波長小，當(dāng)電磁場通過小孔發(fā)生衍射后，必將激發(fā)位于電纜外導(dǎo)體外部的電磁場，使其外表面出現(xiàn)電流和電磁輻射，由此產(chǎn)生的電磁能量擴(kuò)散于電纜四周[1]。與輻射型漏泄同軸電纜不同的是，表面波耦合型漏纜徑向場強(qiáng)作用距離不長，空間損耗及耦合損耗較大，場強(qiáng)小；50%和95%耦合損耗概率的離散性通常在10～12dB 區(qū)間。但是不存在諧振頻率的影響，開槽方向無特殊規(guī)定，施工過程簡單容易。

漏泄同軸電纜泄漏模式包括輻射和耦合兩種，輻射型漏纜泄漏以輻射為主，而表面波耦合型漏纜泄漏模式以耦合為主。結(jié)合工程實(shí)踐，輻射型漏纜在交通無線通信系統(tǒng)中較為常用，輻射型漏纜隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，目前已經(jīng)具備寬頻特性，能滿足各種頻段無線通信系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際。

1.3 泄漏電纜配置

交通無線通信系統(tǒng)中漏泄同軸電纜通常采用單一耦合損耗及漸變型耦合損耗兩種配置方式。單一耦合損耗配置方式主要根據(jù)區(qū)間實(shí)際長度，基本不設(shè)置區(qū)間射頻信號放大器，進(jìn)行具體規(guī)格漏纜的選擇。這種做法施工過程簡便，且無需區(qū)分漏纜端別，但是因存在分布不均的場強(qiáng)，交通系統(tǒng)內(nèi)信號源端場強(qiáng)和漏纜末端信號場強(qiáng)必然存在較大差距，這一差值的大小與漏纜傳輸損耗引起漏纜內(nèi)射頻信號電平減弱并使泄漏場強(qiáng)沿漏纜軸線減小程度有關(guān)，在理論上，該差值等于漏纜傳輸衰減值。也就是說，單一耦合損耗配置方式下漏纜對射頻信號能量造成的損耗無法避免。漸變型耦合損耗配置方式下漏纜傳輸損耗引起射頻信號電平降低，這種下降完全可以通過耦合損耗加以補(bǔ)償，最終使交通運(yùn)行系統(tǒng)中沿漏纜軸向得到離散性小的均勻場強(qiáng)[2]。這種配置方式下漏泄同軸電纜設(shè)計(jì)及施工過程較為復(fù)雜，在交通無線通信系統(tǒng)中并不常用，當(dāng)前僅在列車無限調(diào)度系統(tǒng)中以分段組合方式應(yīng)用。僅從理論上分析，漸變型耦合損耗漏纜配置方式下的傳輸距離比單一耦合損耗配置方式長約20%，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，漸變型耦合損耗漏纜必將在交通無線通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

2 漏泄同軸電纜敷設(shè)要求

考慮到周期性金屬支架對漏纜電壓駐波比指標(biāo)存在一定程度的不利影響，故交通無線通信系統(tǒng)中漏泄同軸電纜敷設(shè)時(shí)最好選用非金屬阻燃材料支架。為消除耦合損耗的干擾，應(yīng)將漏纜安裝在距離隧道底緣10cm 以上的位置；漏纜外護(hù)套表面的水分、金屬顆粒、油污及鹽分等均會加劇漏纜傳輸衰減，影響耦合損耗及駐波比，為此，還應(yīng)在漏纜安裝后定期清理其外護(hù)套表面的水分及油污漬，保持外護(hù)套干凈清潔。

輻射型漏泄同軸電纜安裝時(shí)，考慮到場強(qiáng)泄漏存在一定的方向性特征，故應(yīng)使其外導(dǎo)體上槽孔方向朝向移動臺，以最大限度撫平輻射場波動。加強(qiáng)控制漏泄同軸電纜夾具安裝速度。城市道路交通行車速度通常在80～100km/h 左右，應(yīng)使用低速尼龍夾具，普通尼龍夾具和防火尼龍夾具分別按照1.0m 和10.0m間距安裝。高速公路及鐵路因速度在100～120km/h以及250～350km/h 范圍，隧道內(nèi)漏泄同軸電纜夾具所受沖擊荷載較大，活塞效應(yīng)十分明顯，尼龍夾具無法滿足運(yùn)行強(qiáng)度要求，故其GSM-R 移動通信系統(tǒng)必須使用專用高強(qiáng)度夾具，在安裝時(shí)仍然按照1.0m 和10.0m 間距分別安裝高速夾具和高速防火夾具。交通無線通信系統(tǒng)中外漏纜通常采用非自承式漏纜，高速公路一般采用7 根直徑2.5mm 的鋼絲作為承力鋼纜，高速鐵路則采用直徑8～12mm 鋼索。

3 漏泄同軸電纜施工

3.1 施工準(zhǔn)備

在漏泄同軸電纜施工前，應(yīng)全面復(fù)核和檢查施工圖及設(shè)計(jì)內(nèi)容是否與技術(shù)規(guī)范和現(xiàn)場實(shí)際相符，同時(shí)展開圖紙技術(shù)交底，以便技術(shù)人員全面掌握施工圖設(shè)計(jì)思路、漏泄同軸電纜結(jié)構(gòu)、技術(shù)參數(shù)及施工重難點(diǎn)所在。在此基礎(chǔ)上，技術(shù)人員編制施工組織設(shè)計(jì)、施工方案、施工進(jìn)度計(jì)劃、材料采購及進(jìn)場計(jì)劃等技術(shù)文件。

3.2 單盤測試

檢查并核對漏泄同軸電纜與射頻電纜型號、盤長，同時(shí)觀察兩種電纜外表是否存在擠壓變形及破損等現(xiàn)象；取得漏泄同軸電纜與射頻電纜出廠合格證、出廠測試報(bào)告等書面資料，并對兩種電纜阻燃、低煙、防紫外線及無鹵等物理性能和電氣特性等進(jìn)行二次復(fù)檢。完成兩種電纜單盤測試后，通過熱縮帽密封電纜端部，避免因電纜受潮、進(jìn)塵后影響傳輸性能。兩種電纜交流、直流特性具體見表1、2。

表2 射頻電纜交流、直流特性

3.3 架掛施工

3.3.1 打孔

按照《公路通信及電力管道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 3383-01—2020），交通無線通信系統(tǒng)中漏纜吊掛高度應(yīng)控制在比軌道面高3.5～4.5m 的位置，吊夾間距應(yīng)不超出0.8～1.5m 范圍，通過組合式移動梯車進(jìn)行吊夾打孔，并根據(jù)錨栓確定打孔深度及孔徑尺寸；打孔過程中應(yīng)保持錘頭與洞壁壁面垂直，避免隨意擴(kuò)孔，孔位高度通過激光劃線儀劃線確定，確保打孔質(zhì)量。

3.3.2 安裝漏泄同軸電纜卡具

通過組合式移動梯車進(jìn)行漏泄同軸電纜卡具安裝時(shí)，必須將吊夾一次性緊固到位，用手拽拉檢測緊固程度。檢查打孔深度和孔徑尺寸，徹底清理孔底石屑、石渣后將錨栓植入孔內(nèi)，通過扳手旋緊螺栓，固定吊夾。漏泄同軸電纜卡具安裝過程中必須使其開口方向保持一致，并且按照10m 間距同時(shí)安裝防火夾具，保證漏泄同軸電纜承載力與防火性能。

3.3.3 吊掛漏泄同軸電纜

借助軌道放線車展開漏泄同軸電纜，并放置在軌道外側(cè)平臺，通過自制撐桿和軌行梯車將漏纜抬高后放入卡具內(nèi)卡緊。為保證漏泄同軸電纜一次吊裝成功，梯車間距應(yīng)控制在3.0～4.0m，撐桿和臨近梯車間距應(yīng)為5.0～6.0m。漏纜敷設(shè)及吊裝過程中必須從水平方向卡入，避免施加過大壓力，漏纜泄漏槽口應(yīng)朝向軌道，確保網(wǎng)絡(luò)信號有效覆蓋率。

3.4 漏泄同軸電纜接續(xù)

考慮到漏泄同軸電纜生產(chǎn)長度和敷設(shè)長度可能不一致，施工現(xiàn)場還應(yīng)進(jìn)行漏纜接續(xù)處理，具體分為以下幾種情形。一是表面波耦合型漏纜接續(xù)。當(dāng)前城市軌道交通所用表面波耦合型漏纜主要為外導(dǎo)體軋紋銑槽漏纜，這種類型的漏纜不具有周期性節(jié)距和諧振頻率，在接續(xù)施工過程中不受開槽的影響。二是單一開槽輻射型漏纜接續(xù)。根據(jù)漏泄同軸電纜電波輻射原理，可以將位于單一開槽輻射型漏纜外導(dǎo)體的周期性槽孔視為小行波天線，漏纜所輻射的電波可視為行波天線所輻射電波向量的迭加，在接續(xù)施工過程中，一旦破壞槽孔周期性屬性，外部電磁場必然因相位發(fā)生改變而跌落。所以，單一開槽輻射型漏纜一般采取固定連接器的常規(guī)接續(xù)方式，即連接待接續(xù)漏纜內(nèi)外導(dǎo)體，通過控制槽孔節(jié)距的方式，避免場強(qiáng)發(fā)生跌落。三是單一開槽輻射型漏纜調(diào)相電纜接續(xù)。根據(jù)漏泄同軸電纜電波輻射原理，為保證其輻射電磁場相位一致，按照下式確定相鄰電纜槽孔相位差φopt：

式（3）中：m為正整數(shù)，相鄰槽孔平行時(shí)取偶數(shù)，反之則取奇數(shù)；L為相鄰漏纜首個槽孔中心距（mm）；λg為漏纜內(nèi)工頻對應(yīng)波長（mm）；P為漏纜外導(dǎo)體上槽孔節(jié)距（mm）。為確保相鄰漏纜λg槽孔間相位差符合《公路通信及電力管道設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，必須通過調(diào)相電纜予以調(diào)整。調(diào)相電纜長度Lx，波長λs，相鄰電纜首個槽孔至電纜兩個端頭距離為l1和l2，則相鄰電纜槽孔相位差φ為：

假設(shè)以上兩個方式所確定的相鄰電纜槽孔相位差相等，則可得到漏纜調(diào)相電纜接續(xù)施工過程中調(diào)相電纜最佳長度為2.0m。四是漸變型輻射漏纜調(diào)相電纜接續(xù)。對于超長距離隧道等交通工程，為補(bǔ)償傳輸損耗所引發(fā)的車輛接收電平的損耗，提升其接收電平，增強(qiáng)通信信號穩(wěn)定性，必然涉及不同開槽方式漏泄同軸電纜連接。根據(jù)以上對單一開槽輻射型漏纜調(diào)相電纜接續(xù)長度的分析，采用相同方式便可推算出漸變型輻射漏纜調(diào)相電纜接續(xù)長度,見圖2。

圖2 輻射型漏纜輻射示意圖

3.5 漏泄同軸電纜接頭施工

拉直漏纜后將電纜接頭處雜物徹底清理干凈，再通過鋼鋸將漏泄同軸電纜鋸開，使鋸口呈圓形。在長度為45cm 的外護(hù)皮上用環(huán)刀劃出一圈印痕，并通過美工刀去皮，用圓形銼刀將圓形鋸口打磨平整光滑，清理鋸口表面及孔內(nèi)殘?jiān)笤儆妹拦さ秾⒙┬雇S電纜外護(hù)皮上凸起的纜皮長度約20cm 的部分割除。

通過活動扳手安裝內(nèi)導(dǎo)體連接接頭、螺絲、緊固圈及螺母，完成連接器安裝后將避雷器接地線一頭朝下連接，其接地線采用壓接方式，引至鐵塔頂端天線的饋纜則應(yīng)增設(shè)接地卡，并將接地件緊固包裹在饋纜外銅皮上。連接好漏泄同軸電纜和饋纜后還應(yīng)通過測試儀檢測接頭駐波比，待檢測結(jié)果達(dá)到合格水平后進(jìn)行跳線安裝并連通。在室外施做滴水彎并預(yù)留出0.3m 左右的長度后將漏泄同軸電纜和饋纜引入機(jī)房，在室內(nèi)沿設(shè)計(jì)要求敷設(shè)并固定，且漏纜和饋纜均不得與其他線纜交叉重疊。敷設(shè)好漏纜和饋纜后將纜身定向筋全部去除，并從距離接頭50mm 處開始纏繞防水膠帶，在接頭器件上包裹防水膠泥，并在防水膠泥外側(cè)再層疊包裹一層防水寬膠帶，增強(qiáng)漏纜防水效果。

3.6 漏泄同軸電纜強(qiáng)電磁干擾防護(hù)

我國交通無線通信系統(tǒng)大多采用工頻單相交流電以及接觸網(wǎng)一鋼軌回流的供電回路，供電回路四周必然產(chǎn)生電磁場，對周圍信號線路及通信造成電磁影響。為有效解決這種場強(qiáng)覆蓋及電磁干擾問題，可在高速公路及高速鐵路隧道內(nèi)架設(shè)漏泄同軸電纜，并安裝中繼器。沿隧道內(nèi)壁與接觸網(wǎng)平行的方式敷設(shè)漏纜，并將漏纜和接觸網(wǎng)輸電線間的垂直距離控制在0.8～1.5m。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，接觸網(wǎng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)通信導(dǎo)線內(nèi)所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢必須在60V 以內(nèi)，避免對通信系統(tǒng)正常運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。而對于車輛制動或發(fā)生故障時(shí)所釋放的感生電動勢超出允許值，并對交通通信系統(tǒng)產(chǎn)生危害的情形，必須在漏泄同軸電纜端部連接器上增設(shè)1 個直流阻斷器，同時(shí)按照500m 間隔在漏泄同軸電纜上增設(shè)直流阻斷器。

4 結(jié)語

綜上所述，漏泄同軸電纜是狹長空間場強(qiáng)覆蓋的重要技術(shù)，其應(yīng)用范圍和使用場合隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展而逐漸拓展，通過選擇漏纜型式及組網(wǎng)方式，不斷研發(fā)高品質(zhì)漏纜及配套性附件，以充分發(fā)揮漏泄同軸電纜兼具傳輸線和天線的雙重工程優(yōu)勢。與此同時(shí)，漏泄同軸電纜的施工質(zhì)量也直接影響到交通無線通信系統(tǒng)的順利運(yùn)行，施工方必須嚴(yán)格遵循相關(guān)規(guī)范及設(shè)計(jì)方案，加強(qiáng)施工工藝過程控制、跟蹤調(diào)查及質(zhì)量測試，達(dá)到各項(xiàng)施工技術(shù)要求。