八字形槽漏泄同轴电缆耦合损耗仿真分析

李明儒，黄晓勇，卫 晶，杨 晔

(1.西安电子科技大学电子工程学院，陕西 西安 710071;2.西安西电光电缆有限责任公司产品开发处，陕西 西安 710082)

漏泄同轴电缆是一种利用同轴电缆外导体上的开缝向外辐射电磁波，与外部空间进行无线通信的导波装置。它在同轴电缆的外导体表面，按照一定的规律周期性或非周期性配置一系列的开槽口，每个开槽口都相当于一个电磁波辐射源，辐射出的电磁波能被周围的天线接收［1］。相反，漏泄同轴电缆也可以接收其周围空间的电磁波信号，然后传送到固定接收机，从而可以实现与外部空间的全方位双工无隙通信。漏泄同轴电缆具有信号覆盖均匀、低耦合损耗、容易安装等优点［2－3］，被应用于地铁、隧道、地下商场、矿井等闭域空间，具有广泛的应用前景。

1 理论分析

漏泄同轴电缆的电气性能指标主要有:即使用频带、耦合损耗以及传输损耗。漏缆的设计主要围绕使用频带、耦合损耗和传输损耗等参数进行。使用频带与电缆外导体上槽孔的排列方式有密切的关系，与槽孔的大小和形状关系不大。耦合损耗则依赖于槽孔的排列方式、大小及形状［4］。因此，确定漏泄同轴电缆的槽孔排列方式是辐射型漏泄同轴电缆设计中必须首先解决的问题，然后再根据耦合损耗设计槽孔大小和形状。

1.1 使用频带

根据空间谐波的辐射理论，当在漏泄同轴电缆的外导体上开槽口时，会产生很多空间谐波。大多数谐波以表面波的形式存在，只有当谐波模数m≤－1时，才能产生辐射波，产生辐射波的频率范围由式(1)给出

图1为外导体开有周期性单八字形槽孔漏缆的空间谐波模式图，从图中可以看出，当f＜f1时，电磁波仅以表面波的形式存在;当f＞f1时，－1次模的波开始辐射。随着频率的增加，－3，－5越来越多的高次模开始出现。此时，多个模式的波同时存在，即多模辐射。因为表面波的场强容易受电缆周围环境的限制，而且抗干扰能力差，空间传输距离也很短，所以通常采用辐射波来传递信号。多模辐射区各种模式相互干扰，场强波动较大，不适宜传递信号。单模辐射区可以产生均匀、稳定的电磁场来传递信号，是漏缆的有效使用频带［5］。单模辐射的区域是在f1和3f1之间，带宽是2f1，可以通过开设新槽孔或者改变槽孔分布的方法扩展漏缆的使用频带。

图1 单八字形槽漏缆的空间谐波模式图

1.2 耦合损耗

耦合损耗是表征辐射型漏泄同轴电缆与外界环境之间电磁波能量耦合强度的特性参数，也是区别辐射型漏泄同轴电缆与其他射频同轴电缆的惟一指标。通常在距离漏缆2 m处放置一个半波偶极子天线，偶极子天线的接收功率可由天线的有效面积与其接收到的电磁波的坡印廷矢量的乘积得到。标准半波偶极子天线的有效面积为0.13［6］，则天线的接收功率为

漏缆的传输功率为

漏缆的耦合损耗计算式为

将式(2)，式(3)代入式(4)得

式(2)中，η0=120π为自由空间的波阻抗;VO为漏缆内外导体间的电压;ZO为电缆的特性阻抗;H为偶极子天线接收到的磁场分量。

由于耦合损耗在大多数情况下都是沿漏缆变化的，所以通常又以概率的方法定义整根漏缆的耦合损耗。半波偶极子天线在沿漏缆轴向平行移动的过程中会得到一系列的测试点值，如果有50%的测试点值小于某一值，则该值称为50%耦合损耗，记为Lc50，如果有95%的测试点值小于某一值，则该值称为95%耦合损耗，记为 Lc95。文中按照标准［7］将天线与漏缆之间的距离设定为2 m，取95%耦合损耗的数值进行比较。

1.3 传输损耗

漏泄同轴电缆的传输损耗主要用来衡量能量在传输过程中的衰减程度，主要由3个因素决定:导体损耗、介质损耗和辐射损耗。

其中，αc为导体引起的衰减;αd为绝缘介质引起的衰减;αr为辐射引起的衰减。

2 仿真与分析

文中以特性阻抗为75 Ω，传输频率为450 MHz的漏泄同轴电缆为例进行仿真分析，其内导体采用标称直径为8.0 mm的光滑铜管，介质采用发泡度为76%的泡沫聚乙烯，绝缘外径为32 mm，外导体为周期性开八字形槽孔的铜管，八字形槽孔结构如图2所示，槽孔节距P为435 mm，槽孔长度L为80 mm，槽孔宽度W为5 mm，槽孔角度α为16°。

图2 八字形槽孔结构示意图

采用HFSS11，依据上述参数建立仿真模型。通过对仿真结果进行分析得出该漏缆的95%耦合损耗为74.1 dB，传输损耗为2.16 dB/100 m。

以上述尺寸加工一段长度为52 m的样品，实测时左右各留出5 m的裕量，半波偶极子天线的有效行程为42 m，450 MHz时耦合损耗实测结果如图3所示。经概率统计后得出95%耦合损耗实测值为73.9 dB，传输损耗实测值为1.98 dB/100 m，与仿真结果吻合。

图3 漏缆的耦合损耗实测图

辐射型漏缆外导体上的八字形槽孔角度、长度和槽孔节距对耦合损耗有直接的影响［8］，下面讨论当只改变其中一项时耦合损耗的变化。

当槽孔角度 α 分别取 7°、9°、11°、13°、17°、19°时，相应的95%耦合损耗如表1所示，可以看出，随着槽孔角度增大，耦合损耗相应变小。这是因为随着槽孔角度的增大，在圆周方向被截断的电流增多，向外部空间辐射的电磁能量增加，耦合损耗相应变小。对表1中数据进行曲线拟合，槽孔角度α与95%耦合损耗之间的关系可以近似用一条直线描述:Lc95=84.62－0.73α。

表1 漏缆耦合损耗随八字形槽孔角度的变化

当槽孔长度L分别取70 mm、77.5 mm、79.5 mm、85.5 mm、87.5 mm、95 mm时，相应的95%耦合损耗如表2所示，可以看出，随着槽孔长度增大，耦合损耗相应减小。这是因为随着槽孔长度的增大，被槽孔截断的电流增多，向外部空间辐射的电磁能量增多，耦合损耗相应变小。槽孔长度L与95%耦合损耗之间的关系可以近似用一条二次曲线描述:Lc95=42.22+1.02L－0.0078 L2。

表2 漏缆耦合损耗随八字形槽孔长度的变化

采用如下两种槽孔节距调节方法，分析其对耦合损耗的影响。

由式(1)给出的辐射频率计算公式可得，单模辐射的槽孔节距314 mm≤P≤942 mm。

方法1 槽孔节距改变时，八字形槽孔在一个周期内始终均匀分布。当槽孔节距分别取318 mm，368 mm，408 mm，418 mm，458 mm，468 mm 时，相应的95%耦合损耗如表3所示，可以看出，槽孔节距增加时耦合损耗会变小。槽孔节距P与95%耦合损耗之间的关系可以近似用一条二次曲线描述:Lc95=228.89－0.65 P+0.000665 P2。

表3 方法一调节漏缆槽孔节距时耦合损耗的变化

方法2 图2中，槽孔节距改变时，P1的大小不变，仅改变P2的大小。当槽孔节距P分别取363 mm，388 mm，413 mm，463 mm，488 mm，513 mm 时，相应的95%耦合损耗如表4所示，可以看出，槽孔节距增加时耦合损耗会变小。槽孔节距P与95%耦合损耗之间的关系可以近似用一条二次曲线描述:Lc95=181.55－0.44 P+0.000435 P2。

表4 方法二调节漏缆槽孔节距时耦合损耗的变化

利用上述两种方法改变槽孔节距时，受到不同槽孔辐射场的相位叠加影响，槽孔节距增大时耦合损耗变小，但当槽孔节距增大到一定值后，由于单位长度辐射的电磁能量减少，耦合损耗会变大。

3 算例

漏泄同轴电缆在实际生产过程中，外导体上周期性的八字形槽孔是靠模具在铜带上冲孔得到的。所以模具一旦成型，槽孔的角度和长度将无法改变，上面提到的调节槽孔节距的方法2可以通过改变传动装置速度实现，所以仍能对传输损耗和耦合损耗进行调节，适合对已投入生产的漏泄同轴电缆的性能进行微调。

文中以某型号漏泄同轴电缆为例，说明通过改变槽孔节距实现对漏缆耦合损耗和传输损耗调节的过程。

某系列漏缆的结构参数如下:内导体(螺旋皱纹铜管)外径17 mm(波峰)、14 mm(波谷);管壁标称厚度0.35 mm;绝缘综合发泡度:76%;绝缘标称外径42 mm;外导体(铜带)厚度0.1 mm。外导体上八字形槽孔尺寸如表5所示。

表5 某型号漏缆八字形槽孔尺寸

漏缆工作于900 MHz时95%耦合损耗仿真值为62.6 dB，传输损耗为2.7 dB/100 m。采用槽孔节距调节的方法2，槽孔节距为235 mm时95%耦合损耗为60.7 dB，传输损耗为2.6 dB/100 m，漏缆的电气性能得到了改善，证明这种槽孔节距调节方法对于工程应用具有参考价值。

4 结束语

漏泄同轴电缆耦合损耗与外导体上开槽的形状和大小以及槽孔节距有密切关系。通过仿真分析，得出了八字形槽孔角度、长度和槽孔节距改变时耦合损耗的变化规律，并拟合出关系曲线。实际生产中，八字形槽孔是靠模具冲孔得到的，此时槽孔角度和长度将不能调节，本文提出的保持单八字形槽孔对几何结构参数不变，仅改变相邻八字形槽孔对之间距离的槽孔节距调节方法，经验证可以改善漏缆的电气性能。

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