基于HFSS 泄漏电缆辐射特性仿真分析

潘 雪，张 昕，杨晓东，任春阳

(哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院，哈尔滨 150001)

近年来泄漏同轴电缆广泛应用于地铁、隧道、矿井、高速铁路、公路沿线、室内空间［1］等无线电信号无法传播或传播效果很差的闭域空间内，以解决无线通信中的盲区问题.随着泄漏电缆的广泛应用，需深入研究泄漏电缆的基础理论.泄漏同轴电缆是人为的在同轴电缆的外导体开一系列槽孔，具有传输线和连续型天线两种功能.沿着同轴电缆轴向上每一个槽孔都是一个电磁波辐射源，由沿着轴向的所有槽孔辐射的电磁场进行叠加形成电缆周围的辐射场.理论分析泄漏同轴电缆辐射场十分复杂，目前应用最多的解析法推导也十分繁琐.随着计算机的迅猛发展，用电磁仿真软件求解复杂电磁场问题已成为一种必然趋势.文献［2］仿真了耦合型和辐射性两种结构的泄漏电缆，并对辐射特性进行了比较.文献［3］介绍了稀疏编织外导体泄漏同轴电缆的计算机仿真.文献［4］用遗传算法搜索泄漏电缆结构参数，设计并仿真垂直开槽泄漏同轴电缆.本文详细分析了辐射型泄漏电缆的基本原理，利用电磁仿真软件HFSS 对不同结构的辐射型泄漏电缆建模并进行仿真分析，可以直观得到其辐射特性，大大减少了时间，为工程应用设计提供了很大方便.

1 泄漏电缆辐射场理论分析

1.1 辐射模式

泄漏同轴电缆仅处在单模辐射状态，其他模处于非辐射状态时的频率范围为泄漏同轴电缆的使用频带.根据空间谐波的辐射理论，具有周期性槽孔结构的泄漏同轴电缆外表面产生无穷多的空间谐波，以满足边界条件.这其中的大多数空间谐波只能以表面波的形式存在，当m≥0 时空间谐波不能向外辐射，只有谐波阶数m≤－1 时才可能产生辐射波［5］.此时的频率范围是:

其中:c为真空中的光速，εr为绝缘介质相对介电常数.空间谐波的模式图如图1所示.

图1 泄漏同轴电缆的空间谐波模式图

由图1 可以看到:当f ＜f1时，各模式只能以表面波的形式存在于电缆附近.当f ＞f1时，开始进入－1 次模式辐射区，此时有－1 次空间谐波向外辐射，直到2f1时－2 次模式也开始辐射，也就是说当f ＞2f1时高次模开始出现，单模辐射频带在f1和2f1之间.

1.2 辐射方向角

－1 次模式的辐射方向如图2所示，它可由传播常数间的关系cosθm=βzm/k0得到［6］，其中:θm为辐射方向与z 正半轴所成的角度.

令m=－1，有

1.3 频带扩展

为了拓展单模辐射的带宽，必须抑制－1 次空间谐波辐射带宽内的部分或全部高次谐波.抑制高次谐波的具体办法主要有以下3种［7］:

1)在电缆外导体上开一系列新的槽孔.其大小、形状和原槽孔一样.调整新旧槽孔之间的位置即可以抑制掉相应的高次谐波.

2)原槽孔的排列方式和长度不变，调整槽孔的倾斜角度，以达到抑制高次谐波的目的.

3)原槽孔的排列方式和倾斜角不变，调整槽孔的长度，在理论上同样可以达到抑制高次谐波的目的.

2 泄漏电缆仿真分析

泄漏电缆结构的周期性决定了其电磁场分布的周期性，所以仿真几个周期长度的泄漏电缆就可以模拟整个电缆的电磁场分布.

2.1 泄漏电缆建模

建立了5种外导体不同缝隙间距的泄漏电缆模型，5个泄漏电缆模型的参数如下:长度600 mm，内导体半径为9 mm，外导体半径为22.8 mm，介质层的介电常数为1.25.模型1 开槽孔间距p=150 mm，仿真频率为1.8 G，符合单模辐射条件.模型2、3、4、5 开槽孔间距分别为p/2、p/4、p/6、p/8，并根据单模辐射条件设置仿真频率.图3所示为模型1、模型5 的结构图.

2.2 仿真结果分析

仿真得到5种模型泄漏电缆的E 面方向图如图4所示.

从图4 可以看出，5种模型泄漏电缆都是正对泄漏电缆开槽孔面辐射较强，并且辐射是有方向的，在辐射方向电磁能量较集中，频带较窄，符合辐射型泄漏电缆特性.但随着开槽孔间距的不断减小，图4(D)、4(E)辐射方向性已变得不明显;从图4(E)也可以看出正对开槽面泄漏电缆辐射强度减弱.

由图4 仿真图得到的辐射方向角与理论计算相符，例如模型3，由式(2)计算辐射方向角约为118.87，从图4(C)中得到的辐射角与其基本吻合，说明用此种方法建模仿真是可行的.

图3 泄漏电缆仿真模型

图4 五种模型泄漏电缆E 面方向图

图5为5种模型泄漏电缆X－Z 截面电场分布情况.

从以上电场分布云图可以看出，电缆内部电磁波仍然是TEM 波.波形周期与扫描频率以及介质层介电常数有关，与模形长度、槽孔形状和个数无关.图5(A)、(B)、(C)显示模型1、2、3 电缆内部电磁波呈规则的波形传输;图5(D)、(E)表明模型4、5 电缆内部的电磁波波形已经变得不太规则，并且靠近开槽孔一侧电场有明显衰减.

图5 五种模型泄漏电缆X－Z 面电场分布云图

模型4、5 辐射方向性变得不明显，电缆内部的电磁波波形变得不规则说明了随着开孔数目增多，槽孔间距变小，相邻孔缝间产生耦合干扰，孔间距离越小干扰越严重.

3 结语

根据泄漏电缆的单模辐射理论，利用HFSS 软件对五种不同缝隙间距的泄漏电缆建模仿真，得到了五种模型泄漏电缆的E 面方向图和内部电场分布云图.仿真结果表明与理论计算相符，证明了仿真的正确性和用HFSS 软件对泄漏电缆研究的可行性;结果也显示随着泄漏电缆缝隙间距逐渐缩小，相邻槽孔间耦合干扰加剧，致使辐射型泄漏电缆方向性变得不明显，内部电场能量衰减，波形变形.因此在扩展泄漏电缆频带时要考虑到随着槽孔数量的增加，槽孔间电磁耦合效应对单模使用频带扩展的影响程度.

［1］张 昕，杨晓冬.适用于闭域或半闭域空间无线通信用泄漏电缆研究［J］.哈尔滨工程大学学报，2005，26(5):672－674.

［2］王 娜，官伯然.泄漏同轴电缆辐射场的仿真分析［J］.杭州电子科技大学学报，2010，30(3):25－28.

［3］虞 春，董志艳.稀疏编织外导体漏泄同轴电缆的计算机仿真［J］.电线电缆，2007，5(5):26－29.

［4］吴飞英.通信泄漏同轴电缆的研究与设［D］.杭州:杭州电子科技大学，2009.

［5］WANG H J，MEI K K.Theory and analysis of the leaky coaxial cables with periodic slots［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2001，49(12):1732.

［6］KISHIMOTO T.LCX Communication System［M］.IEICE，Japan，1982:17－18.

［7］WANG J H，MEI K K.Design of leaky coaxial cable with periodic slots［J］.Radio Science，2002，37(5):1－10.

［8］王均宏，简水生.漏泄同轴电缆辐射模式分析及高次模抑制［J］.通信学报，2000，21(12):18－22.