近場環(huán)境下漏泄同軸電纜輻射特性研究*

羅 康 孟 進 葛松虎 劉宏波

（海軍工程大學(xué)艦船綜合電力國防科技重點實驗室 武漢 430033）

1 引言

漏泄同軸電纜（Leaky Coaxial Cable），簡稱漏纜，沿著同軸電纜的外部導(dǎo)體周期性或非周期性配置開槽口，將無線電信號傳輸、發(fā)射和接收等多種功能融為一體［1～2］。漏纜具有信號覆蓋均勻、衰減較小、耦合系數(shù)較高、無盲區(qū)、電磁環(huán)境污染較少、容易實現(xiàn)等特點，廣泛應(yīng)用于閉域、半閉域空間等信號難以到達的地方，主要應(yīng)用場景有區(qū)域監(jiān)護系統(tǒng)和移動通信系統(tǒng)。近年來，漏纜的研究逐漸向高頻段拓展。如數(shù)值理論研究［3］，Terence Quinlan 研究了60GHz漏纜［4］；Masayuki Nakamura研究了應(yīng)用距 離 長 達300m 的2.4GHz 頻 帶 的 漏 纜［5］，以 及2.4GHz 和5GHz 雙頻帶的細直徑漏纜［6］；Yafei Hou等利用不同漏纜各自的輻射特性和改用漏纜兩端作為信號輸入的方式將漏纜應(yīng)用于MIMO（2.4GHz和5GHz）無線通信系統(tǒng)［7］；Kenji Inomata 對漏纜探測區(qū)域傳來的信號進行模式分析從而實現(xiàn)是否有人侵入的探測［18］。

國內(nèi)方面，二十三研究所從20 世紀70 年代開始已經(jīng)研制，工作頻率大部分僅限于150MHz、450MHz。國內(nèi)漏泄電纜企業(yè)逐年增加，但成熟漏纜產(chǎn)品的有效工作頻率基本不超過3GHz。中天科技集團研制了多種寬帶、不同用途的漏纜，大量應(yīng)用在地鐵隧道、地下建筑、列車控制等領(lǐng)域。另外，還有大唐電信、河南焦作電纜廠、珠海漢勝、西電集團等。國內(nèi)論文方面，王均宏用時域有限差分法，從理論上分析了漏纜在自由空間的輻射分布［9］；舒琳研究了隧道等閉域空間中漏纜電場分布［10］；上海大學(xué)Yiming Wu 研究了MIMO（1.8GHz）技術(shù)在漏纜中應(yīng)用［11］。

然而，準近場環(huán)境下的漏纜特性研究還未見公開報道，主要原因是存在強互耦、多徑串擾等問題。近場環(huán)境下，接收天線（漏纜）會把接收到的一部分能量散射到發(fā)射天線（漏纜）處，發(fā)射天線（漏纜）再把此散射能量的一部分二次輻射到接收天線（漏纜）處，從而產(chǎn)生互耦現(xiàn)象［12］。本文重點研究準近場環(huán)境下漏纜多徑效應(yīng)、耦合度動態(tài)范圍和時延功率譜等，為漏纜在近場環(huán)境下無線信號覆蓋提供仿真和實驗依據(jù)，特別是為通信系統(tǒng)自控增益控制范圍提供設(shè)計參考。

2 自由空間仿真分析

采用CST軟件，針對漏纜在自由空間和模擬環(huán)境中，選擇天線沿漏纜運動時的四種（天線在初始位置附近且沿水平方向運動、天線在初始位置附近且沿垂直方向運動、天線在水平方向運動過程中、天線在垂直方向運動過程中）典型工況，分析收發(fā)天線、漏纜在復(fù)雜安裝環(huán)境下的性能。在測試中，采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試漏纜和天線系統(tǒng)的S11、S21和S22等。漏纜采用衛(wèi)晶等分析的八字形漏纜［13］（中心頻率調(diào)整為5.3GHz）。

圖1（a）為自由空間仿真模型，漏纜長度為2m，漏纜兩端分別設(shè)為端口2 和端口3，在距離漏纜一定距離處平行放置收發(fā)天線，并設(shè)置為端口1。在該初始條件下考察自由空間耦合特性。

圖1（b）為天線在漏纜前端時端口之間的信號傳輸特性。可以看出，在5.1GHz～5.5GHz 的工作頻率范圍內(nèi)：天線端口反射系數(shù)S11小于-10dB，說明天線阻抗匹配性能良好，能夠保證信號發(fā)射效率；傳輸損耗S23≈0，說明漏纜傳輸衰減很??；漏纜端口反射系數(shù)S22≈S33且小于-30dB，說明漏纜端口反射較小，保證了漏纜的發(fā)射和接收效率。

圖1 自由空間仿真結(jié)果，tx：垂直方向，ty：水平方向（單位：mm）

圖1（c）仿真分析天線在初始位置附近沿水平方向運動時（0～30mm）的典型工況，天線與漏纜間耦合度S12在-48dB～-41dB 的范圍內(nèi)隨頻率的增大線性增大，在不同位置耦合特性類似，說明該工況下漏纜傳輸多徑效應(yīng)不明顯。

圖1（d）仿真分析天線沿漏纜水平方向運動過程中（500mm～530mm）的典型工況，S12在-48.5dB～-43dB 的范圍內(nèi)隨頻率的增大線性增大，且不同位置耦合特性類似。圖1（c）與圖1（d）曲線比較接近，說明天線沿漏纜水平方向運動時，其耦合度比較均勻。

圖1（e）仿真分析天線沿漏纜垂直方向運動過程中（500mm～530mm）的典型工況，S12在-102dB～-95dB 的范圍內(nèi)隨頻率的增大線性增大，說明此工況下多徑效應(yīng)不明顯。

綜上，可以看出漏纜在自由空間下傳輸時多徑效應(yīng)并不明顯（耦合度最大動態(tài)范圍不超過7dB），實際測試中的多徑不是由漏纜特性引起的。

3 模擬環(huán)境仿真分析

圖2（a）為簡化的模擬環(huán)境仿真模型，端口設(shè)置、仿真工況與自由空間情況下保持一致。

圖2（b）為漏纜、天線在初始位置時端口性能，在5.1GHz～5.5GHz 的頻段范圍內(nèi)，S11、S23、S22、S33與自由空間仿真情況基本一致，說明模擬環(huán)境對天線、漏纜端口性能影響較小。

圖2（c）仿真分析天線在初始位置附近沿水平方向運動時（0-30mm）的典型工況，低頻段（5.1GHz～5.2GHz，可用于通信上行頻段），S12在-46dB～-75dB 的范圍內(nèi)變化劇烈，動態(tài)范圍為29dB；而在高頻段（5.4GHz～5.5GHz，可用于通信下行頻段），S12在-50dB～-58dB緩慢變化，說明低頻段多徑效應(yīng)更為明顯。與此同時，隨著天線移動，信道衰落頻點逐漸發(fā)生偏移，即任何一個頻點都受多徑效應(yīng)影響，可能處于深度衰落狀態(tài)。

圖2（d）仿真分析天線在初始位置附近沿垂直方向運動時（50mm～80mm）的典型工況，隨著天線沿垂直方向逐漸遠離漏纜，兩者之間的多次反射路徑逐漸增多，從而導(dǎo)致多徑效應(yīng)逐漸明顯。

圖2（e）仿真分析天線沿漏纜水平方向運動過程中（500mm～530mm）典型工況，現(xiàn)象與圖2（c）一致，即天線沿漏纜水平方向運動時，其多徑效應(yīng)現(xiàn)象類似。

圖2（f）仿真分析天線沿漏纜垂直方向運動過程中（500～530mmmm）典型工況，S12在-50dB～-84dB的之間隨頻率周期性緩慢波動，多徑效應(yīng)仍然明顯，動態(tài)范圍為34dB。

圖2 模擬環(huán)境仿真結(jié)果

4 測試分析

漏纜、天線布局如圖3（a）所示，與圖2 模擬環(huán)境仿真結(jié)果相吻合，主要結(jié)論總結(jié)如下。

1）如圖3（b）所示，天線、漏纜端口反射系數(shù)分別在-10dB、-13dB以下，滿足設(shè)計要求。

2）如圖3（c）所示，天線初始位置附近沿水平方向 運 動 運 動 時（0～30mm），低 頻 段（5.1GHz～5.2GHz）耦合度在-42dB～-68dB 范圍內(nèi)波動，動態(tài)范圍為26dB，多徑效應(yīng)明顯。高頻段（5.4GHz～5.5GHz）耦合度在-41dB～-57dB 范圍內(nèi)波動，動態(tài)范圍為16dB，多徑效應(yīng)相對低頻段較弱，和仿真情況基本一致。

3）如圖3（d）所示，天線初始位置附近沿垂直方向運動運動時（50mm～80mm），隨著天線逐漸遠離漏纜，兩者之間的多次反射路徑逐漸增多，多徑效應(yīng)逐漸變得明顯，和仿真情況基本一致。

4）如圖3（e）所示，天線沿漏纜水平方向運動過程中（500mm～530mm）典型工況下，現(xiàn)象與圖3（c）基本一致。

5）如圖3（f）所示，天線沿漏纜垂直方向運動過程中（500mm～530mm）典型工況下，整個工作頻段范圍內(nèi)，耦合度在-52dB～-92dB 范圍內(nèi)劇烈波動，動態(tài)范圍為40dB，多徑效應(yīng)明顯。

因此，整個測試結(jié)果和仿真結(jié)果在各種工況下基本一致，從而驗證了仿真結(jié)果的有效性。

圖3 實際環(huán)境測試結(jié)果

5 時延功率譜

圖4 時延功率譜

如圖4 所示，最先到達的直射分量，隨后到達的是空間散射分量（由于近場環(huán)境較為復(fù)雜，測試漏泄同軸電纜長度約50m）。盡管多徑效應(yīng)較為明顯，但空間散射分量功率相對較低，可實現(xiàn)良好的無線信號覆蓋。

6 結(jié)語

文章采用自由空間和模擬環(huán)境全波仿真對比分析，并通過測試，驗證了近場環(huán)境下多徑效應(yīng)主要是由復(fù)雜傳輸條件導(dǎo)致，而不是由漏纜特性引起的。收發(fā)天線距離漏纜越遠則多徑效應(yīng)越明顯，耦合度動態(tài)范圍最高達到40dB，即通信系統(tǒng)自動增益控制范圍至少應(yīng)覆蓋該指標。