宽带漏泄同轴电缆设计(2)

而地铁无线公众通信面向公众服务，工作频段较宽，可从75MHz-2400MHz。在地铁无线通讯系统中，漏缆不仅担负着火车开车调度、消防指挥等业务的无线组网信息存储任务，还承担着与旅客密切相关的公网信号收发任务（如手机通讯）所以，为了适应地铁通信平台中多频段的需求，本文对于地铁无线通信平台的应用设计出两种宽带周期性钻孔的漏泄同轴电缆。1.2漏泄同轴电缆的应用漏泄同轴电缆因为内辐射很小的一个别能量。漏缆具有信号覆盖均匀、衰减较小、耦合系数较高、无盲区、环境污宽带漏泄同轴电缆设计染较少、容易推动和改变通信线路等优点，因而可以广泛应用在闭域或半闭域空间等信号无法到达的地方1.2.1区域监护系统中漏泄同轴电缆随着各领域的广泛发展，公共设备方面的安全难题受到关注，漏泄同轴电缆作为一种周界报警装置的构成部分也随之得到加强和广泛应用。漏缆可以进行一些区域的电磁波覆盖或安全防盗监视保护，如油井矿田、自然资源保护区、军事要塞、博物馆、机场、银行和医院等基础设备。

漏泄电缆组成的监控系统如右图1.1所示，监控平台的工作原理为：两条漏泄同轴电缆作为入侵传感器保持一定的距离垂直放置，进行收发能量的直接耦合，其中一条漏缆用来发送讯号，另一条漏缆负责接收，发射单元形成高频能量信号被发送用的漏泄同轴电缆接收，一部份能量借助泄漏同轴电缆的内构建电磁场。一旦有入侵者处于两根管道产生的感应区内，两根漏缆之间的监控区域内的耦合能量场产生瞬时变动，传感到中，引起接收讯号的变化，从而实桥电缆的安保系统用漏泄同轴电缆和株式会社现代AUTONET的使用辐射型漏泄同轴电缆的轮辋气压监视系统的接收天线等，并且均尚未申请相关专利。终端终端传感器单元发射器警报系统监视区域图1.1漏泄电缆监控系统1.2.2移动通讯系统中漏泄同轴电缆随着无线通讯科技的演进，在大楼、大厦、展览大厅、大会会场等场所无线第一章绪论电不能自由传播，难以谋求移动无线通讯，因此必须通过漏泄同轴电缆系统来推动移动通信网络。

在移动通信网络中，对于像隧道、地铁、公路、煤矿、长廊等必须数据覆盖但能够直接传播到的狭长环境中，利用漏泄射频同轴电缆布线进行通讯也是绝佳的方案。因而在上述区域铺设漏缆后，可以使用移动电话进行自由通信，方便灵活，机动性好[10][11]漏泄同轴电缆具有馈线和和天线的双重功能漏泄同轴电缆规格，到目前已长期应用于欧美及中国等发达国家的无线通讯网路布线系统中，我国从20世纪70年代起起初研制漏缆并将其广泛采用于铁路系统。漏缆本质上就是一个宽带系统，它的速率覆盖范围可从50MHz到2500MHz，覆盖了现在所有制式的联通通讯平台的使用频带，同时包括了2G到3G的所有频率，针对不同环境和使用场合可以选择不同频带宽度的漏[11]，例如轨道交通辐射型漏缆包括城市轨道交通用漏泄同轴电缆适用于在2400MH以下的各种模拟、数字无线通讯的轨道交通环境中多平台公网的覆盖，主要包含900MHz的GSM-R无线列调，800MHz的TETRA数字集群通讯，450MHz的铁路无线列调，350MHz消防通信平台和150MHz矿山通信等。另外，在移动通信领域，随着移动通信事业的迅速发展，尤其是第三代移动通信的演进，使得非语音通讯以及数据存储快速演进，从而使用温度急剧下降，有些宽带漏缆例如SLYFY(N)50-42型微波宽带漏泄同轴电缆可以同时应适于CDMA800、GSM900、GSMl800、WCDMA、TD—SCDMA、CDMA2000、WLAN等系统[12]。

漏泄同轴电缆的发展为可多方位移动通信的演进提供了必要的基础，移动通信的演进也为漏缆系统的成熟和规范提供了良好的机遇。1.2.3闭域空间中漏泄同轴电缆众所周知，空间电磁波在竖井和隧道等封闭空间中传播时，受隧道长度大小、弯曲度等原因的妨碍，对电磁波有隔断作用，不便于直射波传播，此的均匀信号场强，使得沿漏缆附近的空间能够完成稳定的通讯，达到了提高信号覆盖的用途，文献中进一步对隧道中运用漏缆进行通讯的区域和没有漏缆的区域进行了对比[15]，可以看出与普通单极子天线相非常，漏缆更合适用于隧道等封闭以及半封闭空间的电磁波场强覆盖。漏泄通信平台在发达国家已是一个趋向成熟的产品，它将作为隧道、矿山和井下等闭域空间中通信演进的方向，因此漏泄同轴电缆的演进具有非常广阔的前景。宽带漏泄同轴电缆设计1.3漏泄同轴电缆的发展1.3.1漏泄同轴电缆在美国的发展1948年法国人最先提出来漏泄同轴电缆的应用，1956年中国首先将漏泄同轴电缆通讯系统应用于公路隧道的移动通讯，日本、德国等发达国家先后在50和60年始研制漏泄同轴电缆，并不断把新产品利用到实际中去。

自20世纪六、七十年代，美国、日本、德国等国家开始了漏泄同轴电缆的全面研发和研制工作，并逐步生产出军民两大系列产品，这些产品被广泛应适于闭域或半闭域空间联通无线通讯，并带给了很大的经济收益和社会效率。到20世纪七八十年代，漏泄同轴电缆通信早已在各国的地下金矿开采中受到广泛应用。20世纪90年代以来全球各发达国家对漏泄通信的应用和研究不断有新的突破，其应用范围从铁路和道路路基、矿业生产稳步扩展到军事、地下建筑、地铁等[16]中国在六十年代成功研制了具有传统的八字形开槽口的漏泄同轴电缆，该漏缆是在外导线上每间隔一定周期开一定大小和视角的八字形槽，使管道能在工作频段内辐射出均匀的周向极化的电磁波，这种八字槽漏缆已经长期应用于中国的地下设备和郊区公路，并且目前漏缆的研发一直借此开槽方式为主。到1994年为止，日本各大电气公司都研发了可以使用于900MHz的超宽带漏泄同轴电缆，其中较具传统的是三菱电线工业株式会社研发的150-900MHz的漏泄同轴电缆。到现在，一个周期开多对八字槽的宽带漏缆研制方法尚未被广泛采用。德国也曾研发出了多种开槽孔不同的漏缆，以AEGKABEL公司为代表研制出的漏泄同轴电缆使用频带为80MHz-960MHz，属于宽带漏缆的一种，其外导体表面的开槽结构是借助数学计算在一个周期内不同位置处开许多狭长槽口受到，进而在80MHz、150MHz、450MHz、900MHz工作频带内均匀辐射较强的信号，并且耦合损耗较小。

它运用竹节式构架作为绝缘介质的结构，因而介电系数能够降至1.2~1.3，从而使漏缆的串扰系数降低，所以具备耦合损耗小、衰减损耗小和辐射电场分布均匀等优点。现在所研发的泡沫聚乙烯绝缘结构在介电系数上又重新减弱，大大提升了漏缆在衰减方面的劣势。同样中国ANDREW公司的超宽带漏泄同轴电缆使用速率依次为150MHz、450MHz、900MHz和1700MHz，它是借助把皱纹管波动较小，它也同时具备低衰减的特点[17]。目前，美国RFS公司研发出各类超宽带（75MHz-2400MHz）的漏缆产品，并且终于受到广泛的利用。第一章概述1.3.2漏泄同轴电缆在中国的演进我国的信息行业部第二十三研究所从七十年始早已研制出了一系列不同尺寸和规格的漏泄同轴电缆，这些漏泄同轴电缆的工作速率大个别仅限于150MHz和450MHz，并且广泛采用于地铁和隧道等区域[18]。为了适应近几年来第三代通信平台的演进和我国联通通讯平台的迫切需求，对漏泄同轴电缆工作速率的要求也更进一步，希望其使用频带能向更高频率拓宽。

随着联通通信建设的演进，漏泄同轴电缆的行业需求也逐渐不断扩充，因而中国漏泄电缆企业逐年减少，目前国内基本的研发方向都是朝向这些超宽带的漏泄同轴电缆。其中，中天科技实业已经研发出多种光纤的漏泄同轴电缆，例如地铁用网线漏泄同轴电缆、非均匀厚度的混合槽辐射型漏泄同轴电缆等，这些产品都早已投入制造和实际利用中，除此此外，还有北京河南高铁、珠海汉胜、西电集团等，都制造并研发出了一系列的新产品，进一步加强了3G市场的发展。1.4论文内容安排与架构本文的主要内容及结构如下：第一章为本文的总论部分，首先对漏泄同轴电缆的背景和应用作了详细介绍，接着基于漏缆的双重用途详细表明了它的应用领域和功用，最后分别对漏缆在的发展状况做了具体表明。第二章主要介绍了漏泄同轴电缆的构架、分类和主要的电气特征参数等，并且采用八字形开槽的漏缆实例对漏缆的相关参数进行了具体的剖析说明，以便深入的理解。第三章对漏泄同轴电缆的辐射理论进行了具体的阐明，首先探讨了漏缆的辐射原理，其次借助电磁场的相关理论对漏缆的辐射方式、辐射方向和单模辐射条件等作出了具体计算，接下去基于本文设计的关键，讲述了漏缆辐射频带的拓展方式，最后对漏缆的槽孔带通特点作出了详细表明。

第四章按照上面的理论和相关标准，利用AnsoftHFSS软件设计出了一种50-42型一字纵槽开槽形式的光纤辐射型漏泄同轴电缆。通过理论探讨和仿真对比，对漏缆的构架、开槽形式、槽孔大小等进行设计，进而对所设计漏缆的串扰常数和谐振损耗参数进行仿真和实测对比，与相关标准进行非常，最终受到符合规定的宽带漏缆。第五章设计了一种50-42型椭圆形开槽形式的光纤耦合型漏泄同轴电缆。利用与辐射型宽带漏缆同样的方式和设计过程对耦合型漏缆进行设计，将实测结果、仿真结果与标准进行对比，所设计的漏缆符合标准的规定。本章最终将所设计的两种类别的50-42型宽带漏缆进行了对比，从辐射机理角度和电气特征参数方面进光纤漏泄同轴电缆设计行具体比较，得到两种漏缆的相同与不同之处，总结了各自的优缺点。第六章为结束语。第二章漏泄同轴电缆概述第二章漏泄同轴电缆概述漏泄同轴电缆是基于普通射频同轴电缆的基础上得以发展出来的，它与普通射频同轴电缆的主要差别在于它虽然可以像射频同轴电缆那样作为传输线传输信号，而且还具备普通天线收发信号的功耗，因而不仅具备与射频同轴电缆相似的构架和性质外，它也有自己另类的性质。

本章中我们主要介绍漏泄同轴电缆的结构、分类及其主要的电气性能指标。2.1漏泄同轴电缆的结构漏泄同轴电缆与射频同轴电缆在外观上完全一样，同样为同轴设计，一般是由内导线、同心绝缘介质、外导线和护套四部份构成。而在构架上，与普通射频同轴电缆封闭的外导线不同，漏泄同轴电缆的外导线上开有一系列槽孔从而无法推动电磁波的发射和接收功能。实心绝缘漏缆结构如右图2.1所示。护套外导线绝缘介质内导体图2.1漏泄同轴电缆结构漏缆的内导线铜管是主要的导热器件，由于内导线长度大小要比外导体小得多，其位于外导线内部，因此漏缆的总存储衰减主要由内导线的电阻所造成。对于漏缆，通常规定其内导体有很好的化工特征、一定的机械效率或者柔软性，所以内导体一般采用单根材质一致、无缺陷、完整的粗糙铜管或螺旋形皱纹铜管制绝缘介质层是信号赖以存储的介质，不仅规定其结构和材料的选用才能确保漏缆有尽或许低的衰减，而且还要求绝缘层需要才能支撑内外导体处于同轴的相对位置而应有很好的机械效率。绝缘介质的介电系数表示为ε，与漏缆内传输波的波长和漏缆的介质消耗相关，因而是决定漏缆电气特征的关键参数。

目前制造过程中一般选择泡沫聚乙烯作为绝缘介质层，其介电系数可以低达1.20左右，从而进一步降低了漏缆介质损耗。宽带漏泄同轴电缆设计通常我们常见等效相对介电系数来替代介电常数值，其换算方法为[19](2-1)其中，P为泡沫绝缘的发泡度。外导体和内导体一样，也是起电信号引导作用的构架元件。而外导线长度比内导体大得多，因此对于外导体材料的涂覆率规定不如内导体那么高，例如通常可选用铝来替代铜作外导体，而这些替代方法对电缆的总衰减影响很小。漏缆的外导体的构架方式一般有粗糙管状外导体、皱纹管外导体和编织形外导体等。护套的作用是保护管道，为导体和阻燃层提供必要的保护，使漏缆能够安全承受诸多使用环境的制约。护套材料的选用也具备多样性，通常有聚氯乙烯、聚烯烃、聚氨酯和其他金属以及塑料护套材料，通常按照使用环境的不同来进行护套材料的选用。2.2漏泄同轴电缆的分类普通射频同轴电缆的作用是将电磁能量经过同轴线内部从管道的一端跑到另一端，在传输过程中期望信号仍然维持在管道外部，沿导线的挠曲没有能量辐射，即管道纵向的屏蔽效能最大，从而导致存储过程中能量的耗损。但是，漏泄同轴电缆兼具传输线和收发天线的双重作用，它的设计目的恰恰是特意在外导体上开槽孔，使得电磁能量可以部分地从管道内穿透到电缆外，同时，电缆外的电磁能量也将感应到电缆内。

一旦根据漏泄同轴电缆的钻孔方法不同，可以将其主要分为八字形、椭圆形、型、一字纵槽型等几大种类的漏缆。若按照漏泄同轴电缆通过槽孔将能量耦合到其内部空间的辐射特性的不同可以将其分为两种类别：耦合型漏缆和辐射[20]，这两种漏缆的开槽形式和构架各不同样，接下去将对他们各自的特征进行介绍。2.2.1耦合型漏泄同轴电缆耦合型漏泄同轴电缆的形成电磁辐射，所辐射的电磁能量以同心圆的形式扩散在漏缆的周围，所以耦合型漏缆又被称为表面波型漏缆。图2.2给出了谐振型漏泄同轴电缆的表层波辐射方式。漏泄的电磁能量无方第二章漏泄同轴电缆概述向性，并随漏缆径向距离的减少而逐渐增加。外导体轧纹、纹上铣孔的管道是最典型的串扰型漏泄同轴电缆，图2.3给出了两种常见的谐振型漏缆外导线开槽方式。

由于谐振型漏泄同轴电缆大多是以表层波的方式存储电磁能量，所以周边环境对其场强分布影响较大，表面波抗干扰能力较好，传输距离也比较有限[21]图2.2耦合型漏缆表面波辐射方式图2.3耦合型漏缆2.2.2辐射型漏泄同轴电缆典型的辐射型泄漏同轴电缆的外导线上开有一系列周期性差异的槽孔，这些打孔孔的周期性间距与存储波的波长或者二分之一波长比较。辐射型漏缆根据其外导体上一个周期内开槽方式和数量的不同又可分为单模辐射型和千兆辐射型漏缆，它们与漏缆所传输信号的频度也紧密相关。与耦合型漏缆的小孔衍射方法不同，辐射型漏缆在其钻孔口处直接辐射电磁波，且开槽口的周期性结构使同相信号形成叠加，因而辐射的电磁波带有较强的方向性和辐射距离长的缺点，但其频带相对较窄。图2.4给出了辐射型漏泄同轴电缆辐射模式。辐射型漏缆特定规律的钻孔口构架使信号在这种开槽口处形成同相叠加，所辐射的电磁波能量相对集中于辐射方向上，辐射距离较远，因而不会随漏缆径向距离的减少而逐渐增加[22]图2.5为两种常见的辐射型漏泄同轴电缆的外导线开槽方式。10宽带漏泄同轴电缆设计图2.4辐射型漏缆辐射波模式图2.5辐射型漏缆通常情况下，漏泄同轴电缆根据是表层波模式而是辐射波模式的漏泄机理进行划分，分为耦合型漏缆和辐射型漏缆两种，而现在宽带漏缆成为现代通讯的重点需求对象以及受到了广泛的应用，而个别宽带漏缆同时存在耦合和辐射两种工作方式，因而目前所谓的耦合型漏缆和辐射型漏缆均是指耦合漏泄占主导地位或辐射漏泄为主导。

基于以下预测中辐射型漏缆和耦合型漏缆各自的特征，我们可以按照应用场合选用不同种类的漏泄同轴电缆，如辐射型漏泄同轴电缆可以用于隧道等狭长空间的信号覆盖，而谐振型漏泄同轴电缆更适用于室内的小分布系统。2.3漏泄同轴电缆的电气特性参数对漏泄同轴电缆的电气特征参数的研究主要包含下列四种：特性阻抗、使用频带、耦合损耗和耗损系数。特性阻抗的探究重点是匹配难题，阻抗是否匹配是平台功耗优劣的重要制约因素，因而对特征阻抗的研究是通信系统设计的首要任务。随着第三代无线通信网路的演进漏泄同轴电缆规格，通信平台工作带宽越来越多元化，且进一步向高频方向演进，从而对漏缆使用频带的要求也随之增加。由于漏缆的外导线结构区别于普通射频电缆，这也因而漏缆具有辐射电磁波的特有功能，而耦合损耗是评估漏缆这项用途的唯一指标，它还能体现漏缆与外界设备之间的串扰能力。传输损耗系数与漏缆的阻燃相对等效介电系数密切相关，并且与漏缆的开槽形状和方法也是关，它是体现电磁波能量从漏缆一端传输到另一端时消耗大小的物理

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