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征以及互相关系漏泄同轴电缆通信，从理论上探讨了制约主要电气特征的诱因。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宽度对其电气性能的制约，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规定。

关键词 无线通讯；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)，是外导线不完全封闭的同轴电缆。沿漏缆内部存储的一部分电磁波能量，可借助外导线上的槽孔或间隙辐射、耦合到由该外导体和周边环境所组成的天线传输平台中，或根据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备信号覆盖均匀，低谐振损耗、电磁污染小，低损耗系数、传输距离远，敷设简单、容易改变通信线路等特点。随着通信技术的演进，漏缆在电磁波难以传播的闭域或半闭域空间，如竖井、矿井、建筑外部等，以及应该信号连续均匀覆盖的公交、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这些特定区域进行电磁波覆盖，以超过监控和警戒作用。

漏缆的类型是按照其内能达到不同标准的规定。文中采用漏缆理论探讨的通常结论，分析周期性开槽漏缆的电气特性，采用全波电磁仿真方法改进设计漏泄同轴电缆的槽孔结构重量，研制了一种用于铁路无线通讯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征包括特性阻抗、使用频带、耦合损耗和损耗系数等。特性阻抗匹配是无线通信平台设计的首要任务，阻抗失配将造成设施或平台的性能降级或者能够使用。在无线通讯发展很快、频带资源日益短缺的现在，使用频带是一个不错的选取。耦合损耗是漏缆所特有的区分其他射频电缆的唯一指标，它是体现漏缆与外界空间中其它设施之间解耦信号能力的功耗参数，是确保通信品质的重要指标。衰减系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

漏缆的特点阻抗可用低频、低耗同轴线的特点阻抗公式近似计算

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定理漏泄同轴电缆通信，沿周期性结构的磁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分别是衰减系数和传播常数。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诱导，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，若要缩小单模辐射区，就要减缓高次谐波的发生。产品设计时大多采用调节槽孔的宽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、形状和原槽孔同样，调整新旧槽孔的位置可以超过抑制高次谐波的疗效。

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电压；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，多运用Lc95%来评估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损耗等于传输过程中导线衰减、介质损耗和借助槽孔辐射到内部空间的辐射衰减之和。因而，漏缆的串扰常数α主要由3个部分组成：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造成的电阻减小系数。

漏缆的辐射衰减α，是指同轴电缆开缝后，由于辐射的存在并且衰减系数提高的部份，其主要取决于电缆的间隙结构重量，同时还受温度和周围环境的妨碍。

2 某型八字形槽漏缆结构

此机型漏缆使用速率为450 MHz，它的特点阻抗为75Ω，绝缘厚度为32 mm，外导体直径也有32 mm，通过阻抗计算式(1)可知内导体直径为7．8 mm。内导线为光滑铜管，外导线是轧纹铜带纵包而成的，绝缘层为化学发泡绝缘介质，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。以漏缆的使用速率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。

3 仿真预测与检测结果

由于漏缆仿真对计算机的配置要求较高，且随着厚度的减少所用时间很快加长。因此，不也许对实际实验设计所用的50 m或100 m长的漏缆进行全波仿真分析。仿真分析中，对于平行开槽的漏缆，若以一个节距长度为一个周期，当周期缩短到11个时，中间周期的辐射场基本维持稳固。按相同的方式，对八字形槽的制约范围进行仿真，分析结果证实当周期缩短到9或11个时，耦合损耗基本维持稳固，故选用11个周期长度(4．8 m)的建模进行仿真。图3为漏缆仿真。

在给定内直径、节距和绝缘介质的前提下，在电机外导线上开八字形槽孔，然后对漏缆进行全波电磁仿真。增大槽孔角度会减少漏泄出来的能量和表面波，增大槽孔长度也会减少表面波但不必定会减少漏泄能量，增大表面波会使导体和介质损耗减小，而减少漏泄能量则使辐射衰减增大。通过改变槽孔的宽度和视角可以受到使衰减系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长度，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时衰减系数为21．78 dB／km，优于标准的23．1 dB／km。漏缆的导线衰减和介质损耗仿真值稍高于通过式(8)，式(9)计算得到的计算值，有一部分的缘由是仿真时阻抗不完全匹配导致的，可见式(8)，式(9)可以用来近似计算漏缆的导线衰减和介质衰减。

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型漏缆进行检测，表2为漏缆的检测结果，图6为漏缆耦合损耗测试数据曲线，可以断定其主要电气特征均满足标准规定。

若八字形槽孔的其它规格不变，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串扰常数和谐振损耗仿真结果，表3和表4给出这两种漏缆测试结果、仿真结果或者标准值，可以看出这两种漏缆满足标准规定。

4 结束语

介绍了周期性开槽漏泄同轴电缆的主要电气特征：特性阻抗、使用频带、耦合损耗和串扰常数，并按照这种电气特征的互相关系，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。通过改变槽孔倾斜视角和宽度，也可以设计出满足高铁通信漏泄同轴电缆标准的其它两种八字形槽漏缆。

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