铁路无线通信用漏泄同轴电缆设计

摘要 介绍了周期性开槽漏泄同轴电缆的主要电气特性及其相互关系，从理论上分析了影响主要电气特性的因素。采用全波仿真方法，探索了八字形漏泄同轴电缆的槽孔倾斜角度和长度对其电气性能的影响，设计了一种周期性八字形槽的某型漏缆，测试结果与仿真结果吻合，满足铁路通信漏泄同轴电缆标准要求。
关键词 无线通信；漏泄同轴电缆；八字形槽孔；电气特性

    漏泄同轴电缆(Leaky Coaxial Cable，简称漏缆)，是外导体不完全封闭的同轴电缆。沿漏缆内部传输的一部分电磁波能量，可通过外导体上的槽孔或缝隙辐射、耦合到由该外导体和周围环境所构成的天线传输系统中，或按照与上述相反的方向进行耦合。漏缆由于它的特殊结构使它具有信号覆盖均匀，低耦合损耗、电磁污染小，低衰减常数、传输距离远，敷设简单、容易改变通信线路等优点。随着通信技术的发展，漏缆在电磁波难以传播的闭域或半闭域空间，如隧道、矿井、建筑内部等，以及需要信号连续均匀覆盖的地铁、高速公路沿线等，均有着广泛的应用前景。与此同时，漏泄同轴电缆还可以用来对某些特定区域进行电磁波覆盖，以达到监控和警戒作用。
    漏缆的类型是根据其外导体的结构确定的，主要可分为稀疏编织型漏缆、螺旋绕包型漏缆、轴向开槽型漏缆、周期性开槽型漏缆，前3种类型漏缆由于衰减常数大，已经很少使用。周期性开槽漏缆由于其开槽结构的多样化而具有良好的可调性，通过调节槽孔的形状尺寸，在一定范围内能达到不同标准的要求。文中采用漏缆理论分析的一般结论，分析周期性开槽漏缆的电气特性，采用全波电磁仿真方法优化设计漏泄同轴电缆的槽孔结构尺寸，研制了一种用于铁路无线通信的周期性八字形槽漏缆。

1 漏泄同轴电缆的主要电气特性
    漏泄同轴电缆主要的电气特性包含特性阻抗、使用频带、耦合损耗和衰减常数等。特性阻抗匹配是无线通信系统设计的首要任务，阻抗失配将导致设备或系统的性能降级甚至无法使用。在无线通信发展迅速、频带资源日渐匮乏的今天，使用频带是一个不错的选择。耦合损耗是漏缆所特有的区别其他射频电缆的唯一指标，它是反映漏缆与外界空间中其他设备之间耦合信号能力的性能参数，是保证通信质量的重要指标。衰减常数表示电磁能量在漏缆内传输过程中所损失的那部分能量，与漏缆绝缘层的等效介电常数密切相关。
1．1 特性阻抗
    漏缆的特性阻抗可用高频、低耗同轴线的特性阻抗公式近似计算
   
    式中，Z0为标称特性阻抗；εr为绝缘介质的等效相对介电常数；D和d分别为漏缆的等效外、内径。
1．2 频带
    根据Floquet定理，沿周期性结构的电场分布可以写成空间谐波的迭加
   
    其中，γ=α+iβ代表传播常数；α和β分别是衰减常数和传播常数。Ep(r，φ，z)是z的周期性函数；周期为p；可以展开成无穷傅里叶级数，故

    对于单八字形槽孔的漏缆，其偶次模的高次谐波均被自身抑制，故其单模辐射区为(f1，3f1)。漏缆设计时，通过改变周期P使其使用频带落在单模辐射区内，若要扩大单模辐射区，就要抑制高次谐波的出现。产品设计时大多采用调节槽孔的长度与角度抑制高次谐波，或在漏缆外导体上开一系列新的槽孔，其大小、形状和原槽孔相同，调整新旧槽孔的位置可以达到抑制高次谐波的效果。
1．3 耦合损耗
    耦合损耗的定义式如下
    Lc=10lg(Pt／Pr)       (6)
    式中，Pr为距离漏缆2 m处的标准半波偶极子天线接收到的功率；Pt为漏缆内传输的功率。
    工程应用上还定义了Lc50%和Lc95%，分别表示50％和95％的局部耦合损耗的测量值好于此值，多采用Lc95%来评定漏缆耦合损耗指标的优劣。
1．4 衰减常数
    根据能量守恒原理，从漏缆一端输入的能量到达另外一端时总衰减等于传输过程中导体衰减、介质衰减和通过槽孔辐射到外部空间的辐射衰减之和。因而，漏缆的衰减常数α主要由3个部分构成：导体衰减αc、介质衰减αd和辐射衰减αr，可表示为
   
    式中，tanδ为介质等效损耗角正切值；K1、K2表示内外导体不同于理想圆柱体时所引起的电阻增大系数。
    漏缆的辐射衰减α，是指同轴电缆开缝后，由于辐射的存在使得衰减常数增加的部分，其主要取决于电缆的缝隙结构尺寸，同时还受频率和周边环境的影响。

2 某型八字形槽漏缆结构
    此型号漏缆使用频率为450 MHz，它的特性阻抗为75Ω，绝缘外径为32 mm，外导体内径也是32 mm，通过阻抗计算式(1)可知内导体外径为7．8 mm。内导体为光滑铜管，外导体是轧纹铜带纵包而成的，绝缘层为物理发泡绝缘介质，等效介电常数为1．268，介质损耗角正切值0．000 068。

    根据式(8)，式(9)计算得出导体衰减和介质衰减分别为αc=16．22 dB／km、=3．14 dB／km。以漏缆的使用频率450 MHz为中心频率，则(f1，3f1)是其单模辐射区，由式(5)可以计算得到其节距209 mm<p<627 mm，文中选取一个中间值，节距定为p=428 mm。图2为八字形槽孔示意图。

3 仿真分析与测试结果
    由于漏缆仿真对计算机的配置要求较高，且随着长度的增加所用时间迅速加长。因此，不可能对实际试验设计所用的50 m或100 m长的漏缆进行全波仿真分析。仿真分析中，对于垂直开槽的漏缆，若以一个节距长度为一个周期，当周期增加到11个时，中间周期的辐射场基本保持稳定。按同样的方法，对八字形槽的影响范围进行仿真，分析结果表明当周期增加到9或11个时，耦合损耗基本保持稳定，故采用11个周期长度(4．8 m)的模型进行仿真。图3为漏缆仿真示意图。

    在给定内外径、节距和绝缘介质的前提下，在电缆外导体上开八字形槽孔，然后对漏缆进行全波电磁仿真。增大槽孔角度会增大漏泄出来的能量和表面波，增大槽孔长度也会增大表面波但不一定会增大漏泄能量，增大表面波会使导体和介质衰减增大，而增大漏泄能量则使辐射衰减增大。通过改变槽孔的长度和角度可以得到使衰减常数和耦合损耗满足标准的八字形槽孔结构参数，表1给出一种满足铁路通信漏泄同轴电缆标准的八字形漏缆槽孔尺寸，称为a型漏缆。

    图4给出从400～500 MHz频率范围内漏缆的衰减曲线，其中实线为仿真结果，虚线为由式(8)，式(9)计算得到的曲线。可以看出，450 MHz时衰减常数为21．78 dB／km，优于标准的23．1 dB／km。漏缆的导体衰减和介质衰减仿真值稍大于通过式(8)，式(9)计算得到的计算值，有一部分的原因是仿真时阻抗不完全匹配引起的，可见式(8)，式(9)可以用来近似计算漏缆的导体衰减和介质衰减。

    图5为漏缆耦合损耗仿真结果，从图中可以看出漏缆的95％耦合损耗为82．4 dB，优于标准的87dB。
    对长度为50 m的a型漏缆进行测试，表2为漏缆的测试结果，图6为漏缆耦合损耗测试数据曲线，可以看出其主要电气特性均满足标准要求。

    若八字形槽孔的其他尺寸不变，仅将倾斜角改为15°，或者将倾斜角改为25°、长度改为105 mm可以得到耦合损耗更小且仍满足标准的两种漏缆，分别称为b、c型漏缆。图7，图8分别给出这两种漏缆的衰减常数和耦合损耗仿真结果，表3和表4给出这两种漏缆测试结果、仿真结果以及标准值，可以看出这两种漏缆满足标准要求。

4 结束语
    介绍了周期性开槽漏泄同轴电缆的主要电气特性：特性阻抗、使用频带、耦合损耗和衰减常数，并根据这些电气特性的相互关系，通过全波仿真方法，设计了一种周期性八字形槽的某型漏缆。通过改变槽孔倾斜角度和长度，也可以设计出满足铁路通信漏泄同轴电缆标准的其他两种八字形槽漏缆。