U形漏泄同轴电缆的设计与实现

王丽娟，杨拉明，杨　飞，曹　潘，曹亚伦

(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)

U形漏泄同轴电缆的设计与实现

王丽娟1，杨拉明2，杨飞1，曹潘2，曹亚伦1

(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)

摘要为达到某移动通信系统对漏泄同轴电缆主要电气指标的要求，设计一种U形漏泄同轴电缆，以满足工程应用。阐述了漏泄同轴电缆耦合损耗和传输衰减两个重要电气指标，以U形漏泄同轴电缆实例，利用三维电磁仿真软件HFSS仿真分析900 MHz工作频率下节距及槽孔尺寸的变化对耦合损耗、传输衰减的影响，仿真结果与实测结果吻合良好。结果表明U形漏泄同轴电缆节距越小，漏泄同轴电缆耦合损耗越小。

关键词漏泄同轴电缆；HFSS；节距；耦合损耗

随着现代移动通信技术的发展，人们对地铁、地下商场、地下停车场等封闭空间内的信号传输和接收质量要求也越来越高。由于封闭空间的各个面对电磁波的传播有很强的多径效应及衰减作用，信号难以传输，因此，普通接收天线无法有效地发挥作用。为解决上述问题，可采用漏泄同轴电缆通信技术[1]。

漏泄同轴电缆是通过在射频同轴电缆外导体上开孔或开缝得到的，开缝的目的就是向外辐射和接收外界电磁波。因此，漏泄同轴电缆具有辐射天线、接收天线和传输线三重功能[2]。漏泄同轴电缆通信技术就是在封闭空间利用漏泄电缆作为一种人工的传播媒介，使无线电波在电缆中传播并通过外导体上周期性槽孔的结构不断地泄漏到电缆所在位置的邻近空间[3]。

文中首先阐述了漏泄同轴电缆两个最重要的电气指标，然后以辐射型的U形漏泄同轴

电缆为例，使用HFSS电磁仿真软件，在900 MHz工作频率下建立了等效电磁模型，仿真分析槽孔尺寸及节距的变化对漏泄同轴电缆的耦合损耗及传输衰减的影响，从而得到更好更优性能的漏泄同轴电缆，以满足移动通信系统对高质量信号传输的要求。

1理论基础

漏泄同轴电缆的电性能指标主要有工作频率、特性阻抗、耦合损耗和传输衰减等，其中耦合损耗、传输衰减是漏泄同轴电缆在生产应用中考虑的两个重要性能指标[4-5]。

1.1耦合损耗

耦合损耗是用来描述漏泄同轴电缆与外界环境之间相互耦合强度的特性参数，其反映了电磁波的覆盖范围[6-8]。用Lc表示，定义式如式(1)所示[9]

(1)

其中，pr是距离电缆纵向轴2 m远处的标准半波偶极子天线的接收功率;pt是漏泄电缆发射功率，单位均为W。

工程应用上定义耦合损耗有50%和95%两种概率接收值，分别表示50%和95%的局部耦合损耗的测量值小于此值，一般多用95%的概率接收值来评定漏泄同轴电缆耦合损耗指标[9]。

1.2传输衰减

传输衰减是反映电磁能量在电缆内部传输能量的损耗，其值随频率变化而变化，单位dB/km，理论计算公式如式(2)所示[10]

α=α1+α2+α3

(2)

其中，α是给定频率的传输衰减；α1是导体衰减；α2是介质衰减；α3是辐射衰减。

导体衰减是由于电缆内外导体自身特性所引起的能量损耗，定义如式(3)所示[10]

(3)

其中，K1是内导体的结构皱纹系数；K2是外导体的结构皱纹系数。一般漏泄同轴电缆的内外导体均为光滑的铜管，故K1和K2取值均为1。

介质衰减是由于在绝缘介质为非理想时所引起的损耗，工程计算如式(4)所示[10]

(4)

其中，δ为等效介质的损耗角；式(3)和式(4)中f均是工作频率。

辐射衰减是由于同轴电缆开槽后能量辐射损失使得传输衰减增加部分的能量，它主要由工作频率、缝隙尺寸和周围的环境决定[11-12]，不易计算。

2漏泄同轴电缆的仿真分析

2.1U形槽漏泄同轴电缆的建模

以一种特性阻抗为50 Ω，工作频率为900 MHz的U形开槽辐射型漏泄同轴电缆为例，利用HFSS进行建模、仿真和分析。U形槽孔结构示意如图1所示。

图1　外导体开槽形式图

如图1所示，槽孔参数a和c均为弧长尺寸，P是槽孔的周期长度，e是倒圆角半径。在建立模型的过程需通过数学计算将竖直长度a、水平缝宽c的尺寸转换为弦长尺寸，与实际电缆的槽孔尺寸相匹配。开槽尺寸如表1所示。

表1　槽孔参数

漏泄同轴电缆的结构尺寸如表2所示。

表2　漏泄同轴电缆的结构尺寸

首先绘制半径为8.65 mm的实心圆柱，将材料设置为copper，电导率为5.8×10-7S/m，则实心铜圆柱是实际漏缆内导体的电磁等效模型。其次绘制半径为21.5 mm的圆柱，新建材料，将材料的介电常数值和介质损耗角正切值分别设置为1.27和1.7×10-5，并与内导体进行布尔减法运算，保留被减物体的属性，此圆环体为实际绝缘介质的电磁模型。外导体等效为直径为43 mm的圆柱面，绘制一条距轴向中心轴为21.5 mm、紧贴绝缘介质层表面，且与内导体相同长度的线段，将其绕着电缆纵向轴进行sweep操作，角度设置为360°，得到圆柱面，材料设为有限电导体，与铜的电导率相同，此无厚度的圆柱面为实际漏缆外导体的电磁等效模型。最后在漏泄同轴电缆的外导体上绘制出正U槽孔。根据尺寸画U面，并拉伸成体，注意U形体须和建立的外导体铜带充分相交才可以，才能与外导体做布尔减法运算，因此，在外导体上就出现正U槽，同理可得到倒U。

接下来设置激励和辐射边界，缆两端分别画两个圆面，定义为波导端口1和2，将离漏缆2 m处远的偶极子天线的端口定义为集总端口3，以便计算S参数。并绘制距离漏缆和偶极子天线分别均为1/4波长的空气盒子，表面设置为radiation，即为辐射边界。根据S参量物理意义，耦合损耗用S13表征，传输衰减用S12与漏缆长度的比值表征。频率单位设置为900 MHz。考虑计算时间和软件的局限性，漏缆仿真长度设为2 000 mm，理想辐射边界设置为扇形。HFSS仿真模型和局部槽孔模型如图2所示。

图2　HFSS仿真模型及局部槽孔图

2.2仿真与分析

2.2.1U型槽孔尺寸变量的仿真分析

以节距为220 mm为实例，利用HFSS分别仿真槽孔竖直臂宽b、水平缝宽c的变化对传输衰减、耦合损耗的影响，如图3和图4所示。

图3　随竖直臂宽b变化的关系图

图4　随水平缝宽c变化的关系图

从图3得到传输衰减随着竖直臂宽b的增加而增大，耦合损耗随着竖直臂宽b的增加先减少后增大。故在设计时可选取适当的竖直臂宽b使耦合损耗和传输衰减不高于标准值。

从图4得到传输衰减在水平缝宽c增加时单调减小，耦合损耗在c增加时单调增大，且耦合损耗与传输衰减的变化均在标准范围之内，符合工程应用实际要求。故在实际系统的应用中可平衡选择耦合损耗和传输衰减两个指标的值，以使系统损耗达到最小。一个周期内相邻正U和倒U形的槽之间的距离P1和周期之间相邻槽之间P2的变化得到传输衰减、耦合损耗的仿真结果如图5和图6所示。

图5　S12、S13随P1变化的关系图

图6　S12、S13随P2变化的关系图

从图5得到传输衰减和耦合损耗分别随P1的增加而非线性增大，从图6得到随P2的增加，传输衰减和耦合损耗分别非线性增大。故而在漏泄同轴电缆一个周期内正U和倒U形槽之间的距离越大，耦合损耗和传输衰减分别增大，不利于信号传输。且仿真结果均在标准值的范围之内，因而节距变化的仿真结果也具有一定的实际参考价值。

2.2.2标准值、仿真与实测结果比较

利用HFSS在900 MHz时仿真表1所示的不同周期的U形漏泄同轴电缆，得到传输衰减和耦合损耗的仿真结果，并将标准值、实测结果与仿真结果进行比较分析。传输衰减结果比较如表3所示，耦合损耗结果比较如表4所示。

表3　900 MHz 传输衰减结果比较

传输衰减的理论计算公式如式(1)～式(3)所示，由表3得出900 MHz时的传输衰减的仿真结果比实测结果大。这是由于实际测量时，测试环境的复杂性导致的辐射衰减、外导体纵包时引起的介质衰减两者共同导致的差异，而且传输衰减仿真结果与实测结果的误差在允许范围之内，且均满足通信行业的标准值[9]。对U形槽而言，传输衰减随节距增大而减小。

表4　900 MHz耦合损耗结果比较

由表4得到在900 MHz频率下，在仿真模型建立过程中，由于开槽尺寸的误差，辐射边界的有限性，实际测量时频谱分析仪自身的误差，漏泄同轴电缆接头处的损耗等，这些因素导致耦合损耗仿真结果与实测结果会存在误差，且误差在允许范围之内，又同时达到通信行业的标准值[9]。由于实际测量时，样品制作生产周期长，制作过程中无法进行实时变更，故在实际制作时只得到了节距为220 mm和240 mm漏泄同轴电缆样品的实测结果。

3结束语

文中主要对900 MHz时不同节距的U形漏泄同轴电缆进行仿真，并对槽孔尺寸进行优化分析。仿真结果与实测结果比较分析，得出以下结论：槽孔竖直缝宽和水平缝宽的变化根据实际系统的要求而定，周期内的相邻槽之间的距离和周期之间相邻槽之间变化的优化仿真得到节距越大，耦合损耗随之增大，而传输衰减随之减小，对能量的传输有一定的衰减作用。

在产品设计过程中需要兼顾耦合损耗、传输衰减指标，耦合损耗决定漏泄同轴电缆辐射到外界的电磁波的能量多少，即空间中电磁波的传输距离。由于实际加工漏泄同轴电缆时，其利用模具一次成型，因而电磁仿真的优化分析在实际生产时有一定的工程价值。

参考文献

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Design and Implementation of a U-shaped Leaky Coaxial Cable

WANG Lijuan1，YANG Laming2，YANG Fei1，CAO Pan2， CAO Yalun1

(1. School of Electronic Engineering, Xidian University, Xi’an 710071, China; 2. Product Research Department,Xi’an XD Cable Co. , LTD, Xi’an 710082, China)

AbstractTo reach the main electrical indicators needs of leaky coaxial cables for a mobile communication system, a U-shaped leaky coaxial cable is designed, satisfying the engineering application. The coupling loss and transmission loss are elaborated. At the operating frequency 900 MHz, the U-shaped leaky coaxial cable modeling is simulated in the 3D electromagnetic simulation software HFSS, and the effect of the variation of interval and slot size on coupling loss and transmission attenuation are analyzed. The simulation results are in good agreement with experimental results. It shows that the smaller the sub slot interval is, the smaller coupling loss is.

Keywordsleaky coaxial cable; HFSS;interval; coupling loss.

收稿日期:2015-10-27

作者简介:王丽娟(1990-)，女，硕士研究生。研究方向：电磁兼容与漏波天线。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.06.035

中图分类号TN811+.3

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)06-120-04