漏泄同轴电缆在高速铁路无线通讯系统中的应用

。 ． 商篙鹭劾ｐ中国铁路电气化技术武器交流大会及产品展示会漏泄同轴电缆在高速铁路无线通讯平台中的应用黄晓勇摘要： 阐述了漏泄同轴电缆的特点， 介绍了在高速铁路Ｇ Ｓ Ｍ － Ｒ 无线通讯系统中的辐射型漏泄同轴电缆及工作原理，探讨了漏泄同轴电缆覆盖系统的设计方法、 安装、 系统配置及接续等有关方面的弊端．１漏泄同轴电缆概述随着我国国民经济的飞速发展， 通信网正在不断增加， 系统设计的要求主要是： 尽量地缩小覆盖、 提高通信质量、 增加平台容量。在高铁无线列车调度通讯系统中， 为解决公路多弯处、 大弯处、 隧道群、 长大隧道及郊区地带等弱场强或无场强盲区的场强覆盖率问题， 采用了４ ５０ Ｍ Ｈ ｚ、 ９ ０ ０ Ｍ ｎ ｚ单双工兼容无线列调、 架设漏泄同轴电缆和路基中继器的方式。 铁路无线通讯主要包括列车无线调度通信平台、 Ｇ Ｓ Ｍ —Ｒ 系统和Ｔ Ｅ Ｔ Ｒ Ａ 集群通讯平台， 这些系统主要用来提供高铁片区区间和各个站场的公路专用无线通讯服务， 包括无线调度通话、 无线调度命令存储、 无线平面调车等。 在时速３０ ０ ｋ ｍ ／ｈ 以上的客运专线上， Ｇ Ｓ Ｍ － Ｒ 系统还被用于无线列车控制， Ｔ Ｅ Ｔ Ｒ Ａ 系统主要应用于地铁。

漏泄同轴电缆， 是外导线不完全封闭的同轴电缆。 射频信号在漏泄同轴电缆内部存储的过程中， 一部分通过外导线孔隙耦合到内部空间； 另一方面外部空间的射频信号也可以借助外导线孔隙耦合到电线外部。 因而， 漏泄同轴电缆兼具射频信号存储线及收发天线之双重用途。 其一般应用于通信天线无法发挥功用的特定空间， 特别是移动通信系统分离天线提供足够场强覆盖的特定空间； 或者说， 漏泄同轴电缆可以对现有移动通信系统弱盲场区进行无间隙覆盖。漏泄同轴电缆具有信号覆盖均匀、 低谐振损耗、 容易调试和改变通信线路、 很少污染环境等特点， 因此在许多无线通讯能够推动的场合或外界传播条件比较恶劣的状况下， 漏泄同轴电缆仍可实现自由通信。漏泄同轴电缆是铁道部具有国内独立知识产权的新一代列车控制系统Ｃ Ｔ Ｃ Ｓ ３的基础产品， 是未来铁路信号电缆的更新换代产品。 漏泄同轴电缆将推动高速客运专线的线路全覆盖， 如此大规１６ ２世界轨道交通２ ０ １０ ． ５Ｃ ｈ ｉｎ ａ Ｅ ｌｅ ｃ ｔｒ ｉｆ ｉｅ ｄ Ｒ ａ ｉｌｗ ａ ｙ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌｏ ｇ ｙ ａ ｎ ｄ Ｅ ｑ ｕ ｉｐ ｍ ｅ ｎ ｔＥ ｘ ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｅ Ｃ ｏ ｎ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅａ ｎ ｄ Ｐ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｔＥ ｘ ｈ ｉｂ ｉｔｉｏ ｎ模的应用， 是铁路市场的应用特性所独有的。

同时铁路通信信号产品的科技同时又有别于普通的移动通信产品。 目前， 铁路Ｃ Ｔ Ｃ Ｓ 系统中基于有线铁路数字信号电缆的固定自动闭塞将会迅速被基于无线Ｇ Ｓ Ｍ － Ｒ 的无线移动自动闭寒所替代。２漏泄同轴电缆的种类漏泄同轴电缆按其能量耦合到内部空间的特性， 可分为耦台型、 辐射型以及组台型三类． 它们的几何结构各有不同。２． １耦台型漏泄同轴电缆耦音型漏泄同轴电缆主要结构特征是对皱纹外导线开槽， 产生一系列规则孔洞（ 见图Ｉ）。该管道特别适合于多频道信号的共同传输， 使用频带宽， 可以从５０ Ｍ － － ２． ４ Ｇ Ｈ ｚ， 是现在移动通信系统（ Ｇ Ｓ Ｍ 、 Ｃ Ｄ Ｍ Ａ 等）及其它宽带信息网的晟佳选择。内导线物理高发泡聚乙烯绝缘单孔或双孔开槽环状焊接铝管聚乙烯或低烟尢卤阻燃护套图１耦台型赫滑同轴电缆的主要结构ｗ …ｌｄｒ－ Ⅱｗ ～１６ ３劾ｐ中国铁路电气化技术武器交流大会及产品展示会在谐振模式泄漏同轴电缆中， 沿管道整个宽度有一条连续的槽， 或者一排小孔， 槽孔的宽度远远大于工作的波速， 电磁场通过凹槽衍射， 激发电机外导线内部电磁场， 因而外导体的外表有电压， 于是存在电磁辐射。

因为， 在这种方式下电磁场通过小孔衍射激发电磁场。 由趋肤效应感应的移相电荷只沿屏蔽导线外表面运动， 耦合型泄漏同轴电缆是其外导体上的表面波效应。耦合型漏泄同轴电缆适用于宽频谱传输， 泄漏的能量无方向性。 与串扰模式对应的电压平行于管道轴线， 电磁能量以同心圆的方式紧密分布在管道周边， 并随径向距离的减少而快速增加，所以这种方式也被称为“表面电磁波” （ 见图２）。图２泄漏电磁能量无方向性的耦合型同轴电缆２． ２辐射型漏泄同轴电缆厶口辐射型漏泄同轴电缆主要构架特征为预先冲有特定小孔的铜带包覆而成（ 见图３）。 该管道主要为单频或频段信号存储设计， 通过造成同相叠加。辐射型泄漏同轴电缆与工作速率密切相关， 泄漏的电磁能量具有方向性， 因此沿线场强分布受环境条件制约小， 而且场的径向衰减特征良好， 即场强随着径向距离的减小而迅速上升（ 一般拄＊ Ｈ 离的一次方规律衰减）， 从而在离管道较远处也能获得足够的泄漏场。

即对特定方向， 耦台损耗较小。 此４ 泄漏电磁能量带有方向性的辐射型泄漏同轴自缆…ｗ Ｄ ｄ ｄ ｒ“ｗ …１６５ｒＩ一． 一—戚落鹭劾ｐ中国铁路电气化技术装备交流大会及产品展示会２． ３组合型漏泄同轴电缆组合型漏泄同轴电缆与耦合型漏泄同轴电缆、 耦合型漏泄同轴电缆的区别见表１。表１耦合型、 辐射型、 组合型漏泄同轴电缆的区别柄现夭生确日尘等由匀ｏ ！基组台玺频： ＃ 特性使用速率宽， 且在带宽内任何使用频度范围窄（ ｆ ｏ ～可推动特定带宽内多个使用频段单一频率均能超过最佳， 难以２ｆｏ ）， 易推动窄带内系平台功耗的改进， 但并不保证宽实现某一特定带宽的改进统性能的优化频段内任一频点的最优外导体形式氩弧焊轧纹外导体削峰产生纵包铜线上冲有单一纵包铜带上冲有不同组周期间隔的密集椭圆形槽孔周期间隔的槽孔的槽孔力学性能弯曲性能好， 抗拉力大（ 可达不易弯曲， 抗拉力小不易弯曲， 抗拉力小（ 小于２０ ０ ０ Ｎ ）３０ ０ ０ Ｎ 以上）（ 小于２０ ０ ０ Ｎ ）安装性能易从护套外表判断槽孔方向，不易从护套外表辨别辐射场集中在以槽孔为中心的一无需外标识线。

辐射场沿管道槽孔方向， 最好加内， 方向性强轴向分布较均匀， 方向性弱志线。 辐射场集中在以槽孔为中心的一定角度范围内， 方向性强２． ４ 漏泄同轴电缆的钻孔方式中国在上世纪６０ 年代研制成功了具有传统的八字形开槽口的泄漏同轴电缆， 并大量应用于日本的地下设备和山区铁路， 以解决很多区域的通信难题。 我国中国制造工厂主要以八字槽为主，工作频率主要在１５０Ｍ ～９ ００Ｍ Ｈ ｚ。美国Ａ Ｎ Ｄ Ｒ Ｅ Ｗ 公司将要也研发出工作频率分别为１５０Ｍ 、 ４ ５０ Ｍ 、９ ０ ０ Ｍ 、１７ ０ ０ Ｍ Ｈ ｚ的槽孔为圆弧孔、 或Ｕ 型槽的漏泄同轴电缆， 德国Ｒ Ｆ Ｓ 公司研发制造了纵槽形式的多种泄漏同轴电缆， 英国研制的开口皱纹式和稀疏编织式漏泄同轴电缆通常用于绝缘厚度小于１５ｍ ｍ 的有厚实要求的矿井通信。１６ ６世界轨道交通２ ０ １０ ． ５Ｃ ｈ ｉｎ ａ Ｅ ｌｅ ｃ ｔｒ ｉｆ ｉｅ ｄＲ ａ ｉｌｗ ａ ｙＴ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌｏ ｇ ｙａ ｎ ｄＥ ｑ ｕ ｉｐ ｍ ｅ ｎ ｔ Ｅ ｘ ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｅＣ ｏ ｎ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅａ ｎ ｄ Ｐ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｔ Ｅ ｘ ｈ ｉｂ ｉｔｉｏ ｎ３高速铁路用漏泄同轴电缆的类型及工作原理高速铁路用漏泄同轴电缆采用辐射型漏泄同轴电缆， 槽孔形式主要为八字槽， 执行标准为Ｔ Ｂ ／Ｔ３２０ １－ － ２０ ０ ８ 《铁路通信漏泄同轴电缆》 ， 用于９ ０ ０ Ｍ Ｈ ｚ频率下专用于Ｇ Ｓ Ｍ － Ｒ 数字移动通信系统。

主要敷设见图５。八木天线职埙耐５线Ｌ 母Ｉ惫线避雷器直放站（ Ｇ ＝ ８ ５衄）一—一ｌ １０ｄＢ 黼Ｈ 干苗刊漏缆６ｄ Ｂ 衰减器图５９ ０ ０ Ｍ Ｈ ｚ 频率下专用于Ｇ Ｓ Ｍ —Ｒ 数字移动通信系统的辐射型漏泄同轴电缆的敷设八字形槽孔切断了漏缆外导体上的壁面电流使之形成激励， 像电偶极子产生辐射， 如图６所示， 图中电力线Ｅ 可以分解变成Ｅ ： 和Ｅ 毋两个分量。 在这类电缆的使用场合中， 接收天线往往采取平行极化方式， 它在一个周期内只有一个八字形槽，图６ 高速铁路用漏泄同轴电缆的工作原理漏泄电缆附近电磁场的电场强度Ｅ 可表示成：Ｅ （ ｒ， 吒， ｚ， ｆ）＝ ， （ ｚ）Ｒ （ ７７。 ， ， ． ， Ｏ ｍ ）ｅ一值Ｐ 肌式中Ｂ一导线中的电波传播常数， ∥ ＝ 等厄；￡， ——电缆内绝缘介质的等效介电常数５电压ｗ ｗ ｗ ． ｗ ｏ ｒ ｌｄ ｒ ａ ｉｌｗ ａ ｙ ． ｃ ｎ１ ６ ７—描： ≯劾ｐ中国铁路电气化技术武器交流会议及产品展示会名——为自由空间的波长；巳——第ｍ 次空间谐波的辐射角；刀。

——电缆中的锥面传播常数；ｚ——沿导线轴向的距离；， ． ——漏缆附近某一点到电线的径向距离５ｆ ——时间。由傅里叶定理可知， 在一个无限长的周期性结构中， 各周期相应点上的场只差一个复数常系数。 因此， ｇ （ ｚ）必为Ｚ 的周期性函数。 同时八字的“左半” 和“右半” 的Ｅ 。 的空间方向相反，所以傅里叶级数展开为：北）＝ ∑， 。 （ １＿ ＿ ｅＪ。 ｍ 石）Ｐ １下２（ ２）式中ｍ ——第ｍ 次空间谐波， 为整数；尸——槽孔排列周期。将（ ２）代入（ １）， 可以得到：，Ｅ （ ｒ， 既， ｚ， ｆ）＝ ∑Ｊ。 （ １－ ｅｊｍ ｌｃ）尺（ ７７， ， ， ． ， 以）Ｐ 一眠。 ｅ朋（ ３）电缆中轴向传播常数夙＝ ∥ ＋ 鱼芋。 显然， 当聊为偶数时， 上式中对应的项为零， 因此，八字形槽孔漏泄同轴电缆不存在偶数次高次谐波。从后面的式（ ３）中可以看出， 各种方式的空间谐波加出来产生了场。

因此， 也可以分别研究每个路径的空间谐波。 根据孔洞天线阵的机理， 当开槽口以某一固定周期配置时， 其场强的分布为一个正弦波， 口。 的表达式为：。 。 ： 口。 ｓｉｎ（ 堕）（ ４ ）ｐ式中Ｐ ——开槽的周期ｚ。 ——第刀个开槽口与开槽组中点之间的距离刀——第刀个槽‰——某一常数。因此， 每个路径的空间谐波的场强就可以借助下式来表示：１６ ８世界轨道交通２ ０ １０ ． ５Ｃ ｈ ｉｎ ａＥ ｌｅ ｃ ｔｒ ｉｆ ｉｅ ｄＲ ａ ｉｌｗ ａ ｙＴ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌｏ ｇ ｙａ ｎ ｄＥ ｑ ｕ ｉｐ ｍ ｅ ｎ ｔＥ ｘ ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｅＣ ｏ ｎ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅａ ｎ ｄ Ｐ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｔ Ｅ ｘ ｈ ｉｂ ｉｔｉｏ ｎ／。 ： ∑Ｎ 口０“ｎ（ 堡）ｅ－ ｊ芋知Ｌ２净． ｓｉｎ（ 等ｐ“式中ｍ ——为空间谐波的模数｜Ⅳ＝ １，（ ５）Ⅳ——为一个周期内的开槽口的总量。

对于任意高次空间谐波， 其辐射的场强可以依据式（ ５）计算。大多数空间谐波均只能以表面波的方式存在， 仅有少数能够构建辐射波。 产生辐射波的条件是：一嘶＜ ｆ ＜ 一ｍ Ｌ式中ｚ２而Ｃｐ（ｑｅ’， ＋ １）（ ６ ）几一瓦７； 两’Ｃ ＝ ３× １０ ８ 米／秒．从公式（ ６）显而易见， 并且只有当ｍ ≤一ｌ时才有可能造成辐射波。图７ 为空间谐波模式图。 当工作速率ｆ ＜ ｆ ｌ时， 空间谐波以表面波的方式存在于管道周边，当ｆ ＞ Ｚ 时， 进入一１次空间谐波的辐射区。 此时有一１次空间谐波向外辐射。 随着温度的提升，一３、 一５、 一７ …， 产生辐射的高次模也越来越多。 高次模的辐射可以于扰一１次空间谐波的辐射场，从而使漏泄同轴电缆辐射的电磁波波动较大。０ｆ２ ｆ３ ｆ４： ｆｆ２ ｆ３ ｆ４ ｆｊｆ 一ｌｌ１ｌ２２２２，●＿ ＿１次模辐射区表斋｜＿一２次模辐射区Ｉ“波ｌ ｜＿ 一３次模辐射区射区Ｉ园Ｉ’Ｉｌ图７ 空中谐波模型ｆｗ ｗ ｗ ． ｗ ｏ ｒ ｌｄ ｒ ａ ｉｌｗ ａ ｙ ． ｃ ｎ１６ ９—赫名蟹劾ｐ中国铁路电气化技术武器交流大会及产品展示会４ 漏泄同轴电缆覆盖平台的设计方法在考虑漏泄电缆信号存储平台设计时， 应考量信号所需覆盖个别的构架尺寸、 区域面积、 用户要求的频道数量和信号覆盖程度等， 同时还应考量基站、 放大器等设施的可能性等。

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