孫美玲，孫文杰

（1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司 無(wú)錫供電分公司，江蘇無(wú)錫，214000；2.電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安交通大學(xué)，陜西西安，710049 ）

0 引言

隨著無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)的日益發(fā)展，移動(dòng)通信范圍不斷擴(kuò)大并且向著全天候、無(wú)盲區(qū)、高可靠的方向發(fā)展，各種新型通信業(yè)務(wù)日益增多，特別是5G 戰(zhàn)略的逐步實(shí)現(xiàn)，泄漏同軸電纜在構(gòu)建移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中顯現(xiàn)了極為重要的作用。泄漏同軸電纜是1948 年英國(guó)人最先提出的概念[1]；1956 年美國(guó)人率先將泄漏同軸電纜應(yīng)用于鐵路隧道的通信中；隨后英國(guó)、日本等國(guó)都相繼開(kāi)展了對(duì)泄漏同軸電纜的研究工作，我國(guó)研制的礦井泄漏通信系統(tǒng)于1989 年10 月首次通過(guò)了國(guó)家的鑒定。當(dāng)前泄漏電纜廣泛應(yīng)用在礦井、隧道、地下商場(chǎng)等閉域半閉域空間通信中。

泄漏同軸電纜作為傳輸線和天線的集合體，已經(jīng)滲透到生活中的各個(gè)方面。張俊華等人對(duì)泄漏電纜在室內(nèi)安裝敷設(shè)過(guò)程注意的事項(xiàng)進(jìn)行了詳細(xì)的研究[2]；馮琳琳等人提出了泄漏電纜在智能高速公路上的應(yīng)用，為未來(lái)智能高速公路的發(fā)展與應(yīng)用提供了理論依據(jù)[3]；西方國(guó)家早在三十多年前使用泄漏電纜進(jìn)行周界報(bào)警，高松巍等人對(duì)泄漏電纜應(yīng)用于周界防越報(bào)警的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證[4]，利用泄漏電纜的特殊性將其作為一種傳感區(qū)域的周界變化，應(yīng)用于頻域覆蓋和區(qū)域監(jiān)控是近年來(lái)泄漏電纜應(yīng)用的創(chuàng)新；于慧潔等人利用泄漏電纜的埋地安裝，同時(shí)利用FPGA 實(shí)現(xiàn)了泄漏同軸電纜中信號(hào)的發(fā)送及處理進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)入侵行為的精確定位[5]。

自從泄露同軸電纜的概念被提出后，人們開(kāi)始對(duì)其場(chǎng)分布進(jìn)行了大量的理論研究。J. R. Wait 等人對(duì)編織型泄漏同軸電纜[6]、螺旋屏蔽型泄漏同軸電纜[7]等的場(chǎng)分布進(jìn)行了大量計(jì)算工作，由于傳輸衰減十分大，這幾種泄漏同軸電纜在實(shí)際應(yīng)用中十分少；E. Hassan 等人對(duì)軸向開(kāi)槽的泄漏同軸電纜的場(chǎng)分布進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明相比于編織型漏纜而言其加工工藝簡(jiǎn)單但衰減損耗并未減少[8,9]；Richmond等人計(jì)算了泄漏同軸電纜不同開(kāi)槽周期下的傳播常數(shù)、傳輸阻抗等電氣性能[10]；S. T. Kim 等人計(jì)算研究了不同傾斜角度不同開(kāi)槽周期槽孔的泄漏同軸電纜的傳輸特性。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)泄漏同軸電纜的研究也更多放在同周期分布、不同形狀槽孔對(duì)其電氣性能的影響及其漏纜的應(yīng)用。由于漏纜在實(shí)際應(yīng)用中受到各種因素的影響，工程上通常以理論計(jì)算為基礎(chǔ)，通過(guò)仿真分析驗(yàn)證漏纜的設(shè)計(jì)方案，最終確定漏纜的結(jié)構(gòu)尺寸。對(duì)泄漏同軸電纜的仿真分析主要是通過(guò)三維電磁仿真軟件HFSS 實(shí)現(xiàn)的。

本文在泄漏電纜的理論研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，通過(guò)仿真軟件HFSS 對(duì)八字型系列槽孔泄漏電纜的輻射特性進(jìn)行仿真。

1 泄漏同軸電纜的理論基礎(chǔ)

泄漏同軸電纜主要有內(nèi)導(dǎo)體、介質(zhì)、外導(dǎo)體以及護(hù)套組成，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1 所示。漏纜的分類(lèi)方法[11,12]有很多種，根據(jù)外導(dǎo)體的開(kāi)槽方式可以分為垂直開(kāi)槽式、八字開(kāi)槽式以及橢圓孔形式等；根據(jù)信號(hào)的耦合機(jī)制又可以分為輻射型電纜和耦合型電纜。泄漏電纜看似結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但是理論分析并不容易，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)泄漏電纜的理論分析大都是基于漏纜的電氣性能參數(shù)進(jìn)行的，以分析其使用頻帶[13～15]、耦合衰減[16]以及傳輸衰減[17～19]為主。

圖1 泄漏同軸電纜產(chǎn)品

（1）耦合衰減特性

泄漏同軸電纜相比于一般同軸電纜的不同之處在于外導(dǎo)體上開(kāi)了不同形狀和大小的槽孔，而漏纜的輻射特性主要就是由這些槽孔決定的。王均宏[16]以圓柱坐標(biāo)系中的第二類(lèi)并矢格林函數(shù)求解了電纜附近的場(chǎng)分布并計(jì)算出了泄漏電纜的耦合衰減為：

式中，rP為標(biāo)準(zhǔn)半波偶極子在距電纜2m 處接收到的功率；tP為電纜中傳輸?shù)墓β剩籰hH為漏纜外導(dǎo)體上各縫隙在空間產(chǎn)生的總場(chǎng)疊加得到的場(chǎng)分布；0V為場(chǎng)點(diǎn)處電纜內(nèi)外導(dǎo)體之間的電壓；0Z為電纜的特性阻抗。

（2）傳輸衰減特性

傳輸衰減是描述泄漏電纜性能的重要指標(biāo)，也是限制泄漏電纜傳輸距離的重要參數(shù)，任曉勇等人[17]和王娜等人[18]在計(jì)算傳輸衰減特性的時(shí)候并沒(méi)有考慮從電纜外部的模式衰減。相比而言郭進(jìn)喜等人[19]建立了泄漏電纜傳輸衰減的數(shù)學(xué)模型，將漏纜的衰減分為內(nèi)部模式衰減和外部模式衰減，內(nèi)部模式衰減包括導(dǎo)體衰減和介質(zhì)衰減，外部衰減是指信號(hào)輻射引起的耦合衰減。在考慮弱耦合的情況下，其衰減的數(shù)學(xué)模型為:

式中，1γ為漏纜的傳輸常數(shù)；1α和 1β為耦合情況下漏纜的衰減常數(shù)和相位；2γ為漏纜外部場(chǎng)的傳輸常數(shù)，2α和2β為漏纜外部的衰減常數(shù)和相位；inZ和Y分別為漏纜的阻抗和導(dǎo)納；c為的耦合系數(shù)。

（3）使用頻帶

根據(jù)空間諧波的輻射理論知道漏纜希望頻帶寬帶限制在-1 次模輻射的區(qū)域即單模輻射區(qū)域可以產(chǎn)生均勻、穩(wěn)定的電磁場(chǎng)來(lái)傳遞信號(hào)[14,15]。周焱等人[13]分析了開(kāi)設(shè)八字槽擴(kuò)展頻段的帶寬。對(duì)頻帶特性的分析通常是分析每個(gè)模式的波，對(duì)于不同開(kāi)槽形式的同軸電纜代入式（3）中分析帶寬。

式中，0a為某一常數(shù)，mZ為第m個(gè)開(kāi)槽口與開(kāi)槽組中點(diǎn)之間距離，m為第m個(gè)槽，p為開(kāi)槽周期。通過(guò)計(jì)算得到在一個(gè)周期內(nèi)開(kāi)不同對(duì)數(shù)的八字槽可以擴(kuò)展不同倍數(shù)的頻帶。

通過(guò)上述的三個(gè)電氣性能參數(shù)的分析，可以知道使用頻帶與槽孔的排列方式有著密切的聯(lián)系，但是與槽孔的大小及形狀的聯(lián)系不大；耦合衰減參數(shù)與槽孔的大小、形狀及排列方式都有著比較大的關(guān)系；傳輸衰減參數(shù)與槽孔的關(guān)系聯(lián)系不大，主要是由漏纜的導(dǎo)體和介質(zhì)決定的[20]。為研究槽孔對(duì)漏纜的影響，因此后文主要通過(guò)仿真軟件對(duì)耦合衰減進(jìn)行仿真研究。

2 基于HFSS 泄漏電纜的仿真研究

當(dāng)前對(duì)泄漏同軸電纜的仿真研究主要是借助于Ansoft 公司的HFSS 軟件，該軟件采用有限元分析的方法進(jìn)行電磁場(chǎng)的設(shè)計(jì)和分析。其設(shè)計(jì)的主要流程如圖2 所示[21]。

圖2 仿真模型圖

泄漏同軸電纜相比于一般同軸電纜的不同點(diǎn)就在于外導(dǎo)體上開(kāi)設(shè)了不同形狀的槽孔，槽孔的形狀及大小與泄漏電纜的電氣性能有著緊密的關(guān)系，每種槽孔都具有其各自的特點(diǎn)[22]，李明儒等人通過(guò)HFSS 軟件對(duì)八字型槽孔泄漏同軸電纜的耦合損耗進(jìn)行了仿真研究[23]，本文在此基礎(chǔ)上對(duì)八字型、雙八字型以及三八字型槽孔泄漏電纜進(jìn)行仿真，圖3給出了槽孔的形狀示意圖。

圖3 槽孔形狀示意圖

郭進(jìn)喜等人總結(jié)比較了兩種泄漏同軸電纜輻射特性的仿真模型[24]，本文采用模型一的方法以型號(hào)為SLDY-50-42 的泄漏同軸電纜為原型對(duì)泄漏電纜的電氣性能進(jìn)行分析。仿真模型的示意圖如圖4 所示，仿真模型的基本參數(shù)設(shè)置為中心頻率450MHz；漏纜的內(nèi)外導(dǎo)體選用銅且內(nèi)導(dǎo)體半徑為8.65mm；介質(zhì)選用發(fā)泡聚乙烯其相對(duì)介電常數(shù)為1.26 且半徑為21.50mm；漏纜長(zhǎng)為4m；槽孔的周期p= 430mm；默認(rèn)八字型槽孔中p1=p2=p/2 = 215mm 雙八字型和三八字型槽孔中 /8d p= ；槽孔長(zhǎng) 80mma= ；槽孔寬 7mmb= ；槽孔傾斜角 =15α°；仿真耦合損耗時(shí)采用與漏纜中心距離2 米的半波偶極子天線進(jìn)行測(cè)量，設(shè)偶極子天線距泄漏電纜中心的垂直距離為z；輻射邊界采用扇形的模型與漏纜和偶極子天線的距離大于四分之一波長(zhǎng)。

圖4 仿真模型圖

3 仿真結(jié)果分析

圖5 給出了泄漏同軸電纜時(shí)的場(chǎng)分布圖，可以看出在槽孔處的磁場(chǎng)分布明顯大于非開(kāi)槽處。周向不對(duì)稱(chēng)槽孔的泄漏同軸電纜可以激勵(lì)場(chǎng)的周向和軸向分量，在本尺寸結(jié)構(gòu)的泄露同軸電纜中周向的磁場(chǎng)分量要大于軸向的磁場(chǎng)分量，這種差異在很大程度上取決于槽孔的周期分布和槽孔的結(jié)構(gòu)尺寸。

圖5 泄漏電纜的電場(chǎng)分布圖

仿真計(jì)算得到的耦合衰減變化曲線如圖6 所示。

圖6 耦合衰減仿真結(jié)果圖

通過(guò)仿真結(jié)果可以看出耦合衰減在65dB～75dB 之間，符合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)泄漏同軸電纜耦合衰減的要求，并且發(fā)現(xiàn)在偶極子天線的移動(dòng)過(guò)程中，耦合衰減處于波動(dòng)的狀態(tài)，測(cè)得的數(shù)值具有統(tǒng)計(jì)學(xué)概念，因此工程上取 95%cA或 50%cA作為耦合衰減的參考值。

對(duì)雙八字型槽孔的泄漏電纜改變槽孔參數(shù)d，得到的耦合衰減見(jiàn)表1。

表1 不同d值時(shí)泄漏電纜的耦合衰減

在一定范圍內(nèi)減小槽孔參數(shù)d 值，泄漏電纜的耦合損耗將會(huì)減?。划?dāng)減小至0 時(shí)雙八字型泄漏電纜變成了單八字型，因而對(duì)于單八字泄漏電纜增加其槽孔的寬度后，電纜向外輻射的能量更多，耦合衰減將會(huì)變小。

對(duì)默認(rèn)參數(shù)的單八字型、雙八字型以及三八字型槽孔的泄漏電纜進(jìn)行掃頻仿真，頻率范圍在0.4GHz～1.0GHz，得到的耦合損耗如圖7 所示。

圖7 不同頻率下三種槽孔漏纜的耦合衰減圖

通過(guò)得到的結(jié)果明顯可以看出雙八字型以及三八字型槽孔在高頻下的耦合衰減更小，因此泄漏電纜若要應(yīng)用在寬頻條件下應(yīng)采用雙八字型或者三八字型槽孔。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了當(dāng)前泄漏同軸電纜的理論研究與應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀，通過(guò)仿真軟件HFSS 得到了八字型、雙八字型以及三八字型槽孔泄漏同軸電纜的耦合衰減值。對(duì)八字形槽孔而言，在一定范圍內(nèi)減小槽孔參數(shù)d 值，漏纜的耦合衰減值將會(huì)減小；相比于單八字槽孔，雙八字和三八字槽孔的漏纜更加適用于寬頻條件下。本文為實(shí)際工程中的產(chǎn)品設(shè)計(jì)奠定了一定的仿真基礎(chǔ)，對(duì)八字型系列槽孔的設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。