1、用于闭域空间（矿井与隧道等）无线通信系统及泄漏同轴电缆的特性用于闭域空间（矿井与隧道等）无线通信系统及泄漏同轴电缆的特性研究摘 要泄漏同轴电缆以其良好的电波覆盖性能在矿山、地铁、隧道或建筑物等闭域空间内的无线通信中得到了广泛的应用，对其电气特性的研究日益成为研究的热点。本文探讨了矿井无线通信的频率特性和系统模型，提出今后技术发展的方向。以及在研究了井下地质条件和生产环境对通信频率的影响因素基础上,确定了井下无线通信传输的较佳频段,并提供了井下蜂窝通信基站的布置方案。最后就泄漏同轴通信电缆的既能传输电磁波信号,又可发射电磁波信号的独特性能进行了分析;对其特殊性能的应用进行研究.并探讨其应用和发展
2、前景.并且从泄漏同轴电缆(简称漏缆)的结构出发，介绍了漏缆的几何参数和物理参数，然后由结构进行辐射原理的探讨，分析了其辐射模式，并且运用柱面傅里叶变换由外导体上的开槽处的场分布得到漏缆在自由空间的辐射场，进一步分析了存在反射的非自由空间内辐射场的求解，讨论了漏缆的位置对辐射场的影响。然后，提出了泄漏同轴电缆的几个重要的电气特性指标，探讨在设计漏缆的频带、驻波比、祸合损耗、传输衰减等重要指标时的基础理论和相关问题，接着对漏缆的电气特性指标进行了综合设计。最后分别介绍了漏缆在地铁、公路隧道、建筑物等闭域空间中的具体应用，比较了天线辐射和漏缆辐射的覆盖性能差异，提出了利用漏缆实现无线通信关键词 泄漏
3、电缆；无线通信；辐射场; 频带; 耦合损耗;AbstractLeak coaxial cable with good radio coverage performance in mining, the MTR, tunnels or buildings closed space within the domain of wireless communication has been widely used, its electrical characteristics of increasingly become a hot spot. This paper explores the mine
4、 wireless communication frequency and system model, the future direction of technical development. And the study of the underground geological conditions and the production environment on the frequency communications on the basis of factors, identified underground wireless communications transmissio
5、n band better, and provided a cellular communications Underground station layout program. Finally leakage coaxial cable transmission of electromagnetic signals can, electromagnetic signals can launch of the unique properties of the analysis; its special properties of research. and explore its applic
6、ations and development prospects. and leakage from the coaxial cable (cable leakage ) structure, introduced the cable missed the geometric parameters and physical parameters, then the structure of radiation theory, analysis of the radiation pattern and the use of Fourier transform cylindrical outer
7、conductor from the slot on the distribution cable to be leak free space in the radiation field, further analysis of the non-existence of reflection free space within the radiation field solution discussion of the location of cable leakage of radiation field. Then, a leak of several important coaxial
8、 cable to the electrical characteristics of indicators, designed to explore the frequency leakage cable, VSWR, coupling loss, attenuation, and other important indicators of the basic theory and related issues, Then the electrical cable leakage characteristic indicators of the overall design. Finally
9、 introduced in the MTR missed cable, highway tunnels, buildings and closed space domain specific applications, Comparison of the antenna radiation and radiation leakage cable coverage performance differences, the use of leak cable wireless communication options.Key words: leaky coaxial cable, wirele
10、ss communication radiated field, frequency band, coupling loss,第一章 绪论1.1 矿井及隧道无线通信系统探讨40 年来, 国内外作了多次井下无线通信试验, 研制了部分矿井无线通信的设备。90 年代以后,随着通信技术的发展,矿井无线通信逐渐进入实用阶段。由于矿井情况复杂,理论研究相当困难,因此矿井中的无线通信主要以实验为基础缓慢发展。试验表明, 在中短波频段, 矿井隧道对电波衰减最大, 通信距离最近。这可以认为是隧道尺寸与波长比拟产生谐振吸收或电波在有限空间内多次反射能量消耗的结果。在超短波,通信距离随着频率升高而增加,电波传播衰减
11、逐渐减小。这种单调的反比变化是由于隧道对更高频率的电波渐呈波导作用引起的,因而传播条件逐渐改善,通信距离加大。在微波频段,随着频率升高衰减变得很小,因此隧道可认为是微波通信的波导型通道。这是由于隧道直径远远大于波长,微波信号在隧道中获得了相对较大的自由传播空间形成的。上述实验表明,隧道断面尺寸决定了截止频率。断面大,截止频率低,通信效果就好;断面小,截止频率高,则必须选择更高的信号频率才能实现井下无线通信。1.2 矿井隧道无线通信方式矿井隧道通信的特点是封闭于地下的局部环境中, 与地面通信无相互干扰, 因此可以根据需要进行开发, 但应符合通信的发展,进行统 一规划以减少重复投资。1.2.1 低
12、频导引通信低频导引通信工作在几百 kHz 的低频段, 利用同轴电缆引导信号传输。为使电波向电缆外的巷道内辐射, 每隔几百米在电缆上装一个辐射器, 以实现井下的无线移动通信。系统结构如图 1 所示。图 1 低频导引通信系统由于频率低、电缆的传输损耗小(2 dB/ km4 dB/ km) ,因而通信距离大。低频导引通信可直接覆盖 10 km 左右来满足井下通信的要求, 如果加接中继器, 通信距离可继续扩大, 因此低频导引通信系统简单实用,造价最低。低频导引通信的主要弊端是存在井下的各种低频电磁干扰, 因此话音质量差, 数据误码率高, 可靠性低。但是由于价格低廉,仍是一些公司(如南非的 GST) 致
13、力研究和发展的一种井下通信系统。1.2.2 短波漏泄通信短波漏泄通信使用漏泄同轴电缆引导信号。在短波, 漏泄电缆比普通同轴电缆的传输损耗略大(约 20 dB/ km40 dB/km) ; 当频率更高时, 漏泄能量随频率升高急剧加大, 漏泄电缆的传输损耗比普通电缆大得多,因此为了远距离传输,漏泄通信的频率选在 20 MHz150 MHz 的短波和超短波低端, 为了弥补能量损失,每隔几百米加图 2 泄漏通信系统一个中继双向放大器,以实现井下的远距离无线通信。系统结构如图 2 所示。短波在隧道中 传播条件最差,衰减最大,因此短波信号在矿井中产生和受到的干扰也最小, 是井下无线通信中最有利于抗干扰的频
14、段。同时这个频段的地面通信设备和技术非常成熟，所以短波漏泄通信成为许多国家发展矿井无线通信的共同选择,如德国、英国、美国等。1.2.3 微波通信由于矿井隧道对微波频段在一定程度上相当于通道, 因此在许多情况下采用微波直接通信更为简便有利, 我们采用 900MHz 频率在汾河公路隧道和平鲁煤矿中的试验也证明了这一点。微波通信适用于几百米几千米的直巷道通信,如铁路、公路隧道和矿山主巷道等。通信距离同时取决于隧道的断面尺寸、频率和通信天线的型式等多种因素。微波频段没有工业设备的电磁干扰, 对于抗环境电磁干扰极为有利。同时电缆对微波信号的传输损耗很大, 因此不能采用微波导引方式。这说明微波是一个有利于
15、通信的频段, 但其通信距离被严格限制。微波通信还未在矿井通信中投入实用。鉴于它的特点, 发展微波短波组合的通信方式可望使矿井(包括工作面在内) 的无线通信更加完善。1.3 矿井隧道无线通信的技术发展随着通信技术的高速发展, 许多地面通信中的技术正进入矿井与隧道。(1) 采用多 层电路板和大规模集成电路技术, 使电路简单化、性能稳定、可靠性提高,设备的体积和重量也得以减小。(2) 采用 DTMF 编解码技术实现寻呼功能。(3) 采用多信令形式提高系统的灵活性和抗干扰能力。(4) 通过 交换机与地面通信网互联。(5) 采用 导频技术抑制噪声。(6) 采用音 频压缩和扩展技术改善通话质量。(7) 研
16、制各种高效天线,减小尺寸,提高通信效率。(8) 研制多系 统合路技术, 使各种井下专用通信系统共网建设。(9) 加速井下数字通信系统的发展,改善井下通信质量。1.4 结束语矿井隧道对无线电波呈高通特性, 矿井隧道无线通信作为通信行业的一个新领域已进入实用阶段, 理论研究和技术开发上有极大的发展潜力,随着数字通信技术的发展,矿井隧道无线通信将进入一个新的发展阶段。随着通讯技术的发展, 无线移动通信呈现以下发展趋势: (1) 向更高频率方向发展, 应用频率范围从 50 150MHz 频段转变到 450 1800MHz 频段, 通讯容量更大; (2) 向高品质线路方向发展: 数字传输 , 高码速传输
17、 (3) 朝人口密度相对集中的市区和限定区域发展: 如隧道、半埋高速公路、地下停 车场、矿井等; (4) 特殊的场合通信的特殊要求: 如军事管制区、 监狱、金库的防盗报警系统的通信. 电磁波在这些区域传播时产生多效应并被吸收, 在此区域用天线来传播信号通常非常困难, 而泄漏电缆恰巧可以解决这一问题. 无论传播信号的环境本身的质量如何, 泄漏电缆均能确保通信的可靠性.泄漏电缆是一种屏蔽不完善的特种通讯电缆, 它既具有传输线的特性又具有无线电发射天线的性质. 即一方面它可以导引电信号沿电缆轴向传输, 另一方面又向电缆径向周围辐射电磁波信号. 泄漏的电磁波信号可以被电缆沿线与电缆有一定距离的接收设备
18、接收; 或进行相反的过程, 即移动发射机发射信号, 电波馈进泄漏电缆传输到固定接收机. 泄漏同轴电缆是利用辐射场的传输线, 能量沿电缆传输过程中一部分能量以辐射波的形式沿线均匀地发射出去, 这些辐射波的发射方向是垂直于传输方向的. 大部分能量仍沿电缆内传输. 根据泄漏电缆这种既能传输信号, 又能辐射信号的独特性质, 所以它可解决无线电无法传输信息区域的信息传输问题.第二章 矿井无线通信系统的频率选择2.1 影响频率的因素与地面相比,井下地质和生产环境对通信频率影响较大的因素有:(1) 衰减与频率的关系。矿井巷道对电波的自由传播可视为带阻型。在甚低频段、低频、中 频的低端,随频率增大;衰减增大,
19、在中频高端、高频频段,衰减达到最大,30 MHz 电波的衰减最大,最不利于传输; 进入甚高频后,衰减随频率上升而减小。(2) 衰减与曲率的关系。衰减随着巷道曲率增大而增大,如 900 MHz ,对于同样巷道壁、截面大小一样的巷道,平直时,传输距离可达 600 m 左右;当巷道弯曲 90时,传输距离只有 300 m。又如 频率为 415 MHz 时,直线传输距离可以达 380 m ,而遇到拐角时只能达到 127 m ,可见有拐角的传输距离一定小于直线的传输距离。对于平直而不受阻挡的巷道而言,频率越高传输衰减越小,但当频率升高时,电波的拐弯能力变差,拐角处的损耗增大,传输距离减小。(3) 衰减与粗
20、糙度、 倾斜率的关系。当电波在巷道中传播时,由于巷道壁的粗糙与倾斜,将引起电波损耗。根据有关文献的理论分析和实验可知,当频率较低时,粗糙所引起的损耗较大;当频率较高时,倾斜所引起的损耗较大。(4) 导体对无线传输的影响。由于纵向导体的导波作用,当巷道内存在动力电缆、通信电缆、信号电缆、电机车架空线、铁轨、绞车钢丝绳、水管等纵向导体时,矿井无线传输的衰减将减小,并且纵向导体与巷道的绝缘性能越好,越位于巷道中央传输衰减越小 3 。在中频、低频段纵向导体的导波作用较大,中频段传输距离可达2 500 m ,随着频率的增高,纵向导体的作用越来越小。在特高频及其以上频段,纵向导体的作用可以忽略不计。(5)
21、 衰减与巷道断面的关系。根据理论分析和实验可知,巷道断面大比断面小对通信更有利。(6) 井下设备对无线传输的影响。井下设备较多、较复杂而且形状不一致,无论是理论分析还是试验验证都较困难。目前较一致的结论是:机车对无线传输的不利影响较大;木制风门对无线传输的不利影响较小,钢木混合风门对无线传输的不利影响较大,而钢制风门可以阻断无线传输;临时性风墙对无线传输的不利影响小,永久性风墙对无线传输的不利影响大,并且随着频率的增高损耗增大;感应线对低频较为敏感,当频率低于 10 MHz 时,感应传输距离比自由传播大很多; 当频率大于 100 MHz 时,两者相差 已不显著。从上面的分析可知,在矿井内,对无
22、线传输有利的条件是高传输频率,对无线传输影响较小的是大的巷道截面积、巷道内的纵向导体,对无线传输不利的条件是巷道的拐弯、分支、金属或混凝土制的风门、风墙、通 过的电机车等。通过对矿井无线传输特点的分析可以看出,特低频段、甚低频段、甚高频段、特高频段衰减较小。如果选择特低频段和甚低频段,则要求发射机功率大,天线长度长,会给煤矿工人的工作和行走带来极大的不便,很难满足煤矿的实际需要。在甚高频段和特高频段,频率越高,衰减越小。应尽量选择甚高频和特高频频段。从前人对井下工作环境影响电磁波传输的研究成果中可以看出,1 000 MHz 为矿井无线传输的较低价格,选 ISM 频段(868 915 MHz)
23、较合理,这样也利于与地面移动通信系统兼容和利用现有的技术成果。另一个使用 ISM 频段的原因是考虑到移动设备的体积,使用该频段天线尺寸和设备体积远小于用高、中、低频的天线尺寸和设备体积。2.2 井下蜂窝通信网基站布置和复用频率组的确定井下的工作区域是由巷道相连组成,如尽可能在拐弯和分叉的中心处设立基站,这样蜂窝小区的布置是条状的,如图 1 所示。图 1 将基站设在分叉和拐弯的中心图 2 表示条状服 务 区,A 、B、C、K 为基站 , r0 为基站覆盖区半径; a 为重叠区 宽度。可以看出 ,当移动台处在覆盖区边缘 X 点时,遭受邻区干扰影响最为严重。X 点的移动台载波/ 同频干扰比 C/ I
24、 可计算如下:二频组:A 和 C 基站使用相同频率三频组:A 和 D 基站使用相同频率n 频组:A 和第( n + 1) 个基站同图 2 条状服务区基站的频率组成3 结束语根据 CCITT 标准对小区制规定,要求小区制系统的载波/ 同频干扰比 C/ I 18 (dB) ,小区的半径 R = 400 m ,重叠区宽度 a = 70 m。由式(1) 和式(2) 计算二频组和三频组的 C/ I 分别为 26. 0 ( dB) 和 16. 9 (dB) 。为了符合 CCITT 的标准应采用三频组。第三章 特种通信电缆泄漏电缆的介绍:3.1 理论分析泄漏电缆是通过外导体屏蔽的不完善性来实现信号泄漏作用的
25、. 和普通通信电缆在结构上的区别在于其外导体的结构不是封闭结构, 而是人为开有一些槽孔. 其典型结构有 八字槽式泄漏; 螺旋泄漏电缆; 纵向开槽泄漏电缆; 打孔式泄漏电缆; 松编织泄漏电缆等.利用圆柱坐标系分析泄漏电缆周围的电磁场, 电缆按如图 1 所示放置在圆柱坐标系中.首先从适用于自由空间的亥姆霍兹方程分析:图 1 圆柱坐标系下泄漏电缆电磁场分析式中: H 为磁场强度; t 为时间; C 为光速 , C= 3108ms 方程的通解的形式为式中: r 为到电缆轴线的距离; z 为沿电缆轴 向的距离; X 为电磁波的角频率; t 为时间; B 为沿 Z 轴方向的相位常数 ;M ( r) 为描述
26、电磁场的减小量与到电缆距离的关系的量.将方程(2) 代入方程(1) 亥姆霍兹方程转化为 M ( r) 函数的方程 :式中:函数的变化过程主要取决于 的符号:1) 如果为负, 函数 M ( r) 随 r 作指数衰减( 凋落场) , 我们称之为耦合模. 方程(3) 的解表示能量流平行于电缆轴向传输. 电磁场能量集中在紧邻电缆的周围空间并且随相对于电缆的距离的增大而迅速减小. 限制在电缆周围的电磁波大部分沿电缆轴向传播, 少部分随机径向散射.2) 如果表达式 为正 , 函数 M ( r) 为 r 的虚指函数(导波场) , 我们称之为辐射模. 这些模的所有小孔的辐射波的同相位叠加, 与用天线传播时相比
27、, 仅是这里没有调谐的影响.泄漏电缆的能量一部分沿电缆轴向传播, 一部分沿电缆径向以电磁波的形式辐射出去, 其传播能量的示意如图 2 . 其传输能量与辐射能量的分配与泄漏电缆的结构有直接关系. 普通的泄漏电缆有诸如高耦合损耗、受环境影响强烈、传输场有较高的散射损耗等缺点, 但近些年对辐射模泄漏电缆的研究使泄漏的应用性能已非常成功.图 2 泄漏电缆传输能量分配图3.2 应用研究3.2.1 在坑道、隧道、煤矿井下等电磁波难以传播的场所的通信这些场所一般有较多的拐弯处, 内壁比较粗糙, 对电磁波有隔断、反射、吸收作用, 使无线电信号难以传播或信号传播距离很难达到要求, 而这些场所的通信又是至观重要的
28、. 泄漏电缆恰巧是最有效的解决方法. 当泄漏电缆沿坑道、隧道、井下敷设后, 这些地方就充满了泄漏出来的电磁波, 处在这些地方的无线电台或传呼器就可以接收到外部传来的信息. 同时也可以用另一条泄漏电缆向外传送信号, 这样就保证了通信畅通, 对保证井下安全等具有重大意义。在这方面应用的例子很多,如我国北京地铁就敷设了泄漏电缆, 一些煤矿井下也敷设了这种电缆; 在国外比较典型的如英吉利海峡海底隧道中敷设了 250 公里的辐射泄漏电缆,包括从主隧道到小的服务支线, 从隧道终端到通风机操作室. 工作频率可工作在 100MHz 到 900MHz . 任何人在任何地点均可通过 450MHz 频段的手机进行通
29、讯. 亦可转播交通管制情况、视频信号和话音信号.3.2.2 在移动通信的应用袖珍电台无线系统的大发展, 各种新型通信业务的日益增多, 在高楼、大厦、船舶、炼钢厂、或屏蔽很好的核 电场内部, 无线电不能自由传播, 难以实现移动无线通信, 必须采用泄漏同轴电缆来构成移动通信系统. 同样在展览大厅、大会会场敷设泄漏电缆后, 可以使用无塞绳电话进行通信, 方便灵活, 机动性好. 在日本采用较高级的带中继的泄漏电缆通讯系统, 采用多个增音机来实现较长距离的信号接力. 以列车对基地电台移动相对固定的通信为例, 基地电台向列车发送450MHz 的射频信号, 中继器 1 将此信号送入电缆, 与此同时, 中继
30、1 还将产生 15MHz 的中频信号一起送入 电缆, 射频信号可以从电缆内辐射出来, 供列车通信使用, 而中频信号不会从电缆泄漏出来, 而是以低损耗传输到下一个中继器 2 在中继器 2 内的中频信号的一部分变成射频信号, 沿线路辐射, 而剩余的中频信号再传到中继器 3, 如此可实现远距离通信.3.2.3 频域覆盖和区域监护由于泄漏电缆的电磁波信号只分布在相对有限的范围内, 可以减少日益严重的 电磁波污染.利用泄漏电缆可以对一些区域进行电磁波的覆盖或监控保护. 如珍贵自然资源保护区、军事要塞、博物馆等. 我们也可以将泄漏电缆作为 CA TV 电视电缆使用, 这样可以不要连接器、分配器和引线, 就
31、可清晰地接收 CA TV 电视信号, 而且电视可任意移动.采用泄漏电缆作为传感器的导波雷达是防止罪犯的有效手段, 可构成安全可靠的防盗防入侵的报警系统. 它和普通雷达不同在于它的脉冲波不是在自由空间传播, 而是通过泄漏电缆导引, 在电缆沿线周围空间产生电磁场分布. 当电缆沿线出现入侵者, 即会改变电场分布,引起信号反射, 反射信号再经另一根泄漏电缆传到接收机, 经识别判断报警.3.3 结束语泄漏电缆具有传输线和无线电天线的双重性能, 能提供受导引的泄漏电磁波信号. 因其这种优异的电磁特性, 使它有非常重要的使用价值. 从理论分析到工程实例表明: 在许多无线通信无法实现的场合或外界传播条件非常恶
32、劣的情况下, 泄漏电缆均可实现自由通信. 第四章 泄漏同轴电缆的电气特性指标4. 1 泄漏同轴电缆的频带为保证辐射场的波动较小，通常希望漏缆工作在单模辐射频带，在漏缆频带不做扩展时，单模辐射频带为 f1 一 2f1,其带宽为为漏缆介质层的介电系数，P 为 漏缆缝隙的周期。 为自由空间电磁波的传播速度，通常 f1 的取值为几百兆赫，而随着漏缆 向宽频带方向发展，几百兆赫的带宽无法满足通信的需求，因此需要将单模辐射频带扩展。下面将分别介绍两种不同开缝方式的漏缆的频带扩展方法。(1)垂直开缝的频带扩展方法对于垂直开缝的电缆，抑制高次模的具体方法是在电缆外部导体上原有的开缝附近增加一系列的开缝，增加的
33、开缝同样具有周期性，周期与原来的开缝相同都为 P。如图 4-1 所示，在每一周期中增加的开缝与原开缝相距为 P，这相当于原坐标系向右平移了 P。 （4-1）设原来的周期函数为 Zo(z)，由叠加原理可知，总的周期性函数 Z(z)为Z1(z)和 Zo(z)两者之和: (4-2)图 4-1 垂直开缝抑制高次模辐射的结构如果一个周期内增加的开缝数为，增加的开缝间距均为 P1，则总的周期函数 Z(z)可写为:（4-3）由上式可以看出，只要，即可将 m 次模式抑制掉，即要求满足下列关系:（4-4）要抑制掉-2 次模式，令 m=-2，则 P1=P|2(+1) P1,可根据进行调节，以满足设计中其他特性指标
34、的要求。假定=l，则 P1=P/4，单模辐射频带扩大为，带宽比原来增加一倍。如果要在此基础上抑制-3 次模式，则需要在原有的所有开缝(包括新增加的开缝) 附近又增加一些开缝，增加开缝与原开缝的间距为 P2，则有（4-5）若 P2=P/6，m=-3,则，-3 次模被抑制，单模辐射频带增大到,带宽为3 大大扩展了单模辐射频带。(2)倾 斜开 缝的频带扩展方法对于倾斜开缝的泄漏同轴电缆来说，接收天线主要接收其辐射的周向极化波，所以这里我们只考虑电场的周向分量 E。其平面示意图如图 4-2 所示:图 4-2 倾斜开缝抑制高次模辐射的结构这里与垂直开缝抑制高次模辐射的结构不同的是，不但要在原开缝附近增加
35、新的开缝，而且要使新的开缝与 z 轴成的倾角与原来相反，则其 z 向周期函数可由式(4-2) 中的十变为-，同时令 P1=P/2 即可得到，它表示如下:（4-6）从上式可以看出当 m=-2-4,-6.时，E 的偶次模式均为 0,如果能将-3次模式抑制掉，则单模辐射频带变为，带宽扩大到 4。抑制-3 次模式的方法为在图 4-2 结构中的开缝附近增加新的开缝，新的开 缝相当于原有开缝整个向右平移 P/6 得到，其 结构图 如下图所示，此时总的周期函数可通过式(4-6)的坐标变换和叠加原理得到图 4-3 倾斜开缝抑制-3 次模式的结构（4-7）m=-3 时， -3 次分量为 0，因此-3 次模式被抑
36、制掉了，单模辐射频带变为，带宽扩大到 4，为原来最初带宽的 4 倍，单模辐射频带被大大扩展了。上面介绍的是单模辐射频带扩展的情况，由于受限于漏缆介质层的介电常数，所以通常得到的单模辐射频带不能满足实际通信的要求，因此如果要进一步扩大频带，例如 80-2600MHz，就需要考虑多模辐射频带，通常只要辐射场满足波动范围不超过一定的范围，仍然可以利用多模辐射频带.（4-8）若小于所需频段的频段比则可以通过改变高次模电波的辐射方向来减小辐射长的波动范围，通常标准系统中允许的场波动小于25dB，只要满足该要求，则对应的多模辐射频段可用。4. 2 泄漏同轴电缆的藕合损耗4.2.1 耦合损耗的理论计算泄漏同
37、轴电缆的设计指标有频带、耦合损耗、辐射角度等，而祸合损耗是漏缆区别于其他射频电缆的唯一指标，它决定了电波的覆盖范围，所以是漏缆设计的关键指标之一。本节将由开缝处的电场分布的柱面傅里叶变换得出天线接收的辐射场以及接收功率，并利用接收功率和电缆传输功率的对数比得出祸合损耗，最后讨论藕合损耗的几个影响因素，为漏缆祸合损耗指标的设计提供理论依据。 在分析时，以垂直开缝的辐射型漏缆为例。首先考虑与轴向垂直的外导体单个隙的情况，如图 4-4 所示。在外导体表面上的单个垂直 缝隙内的场分布可由下式表示（4-9）图 4-4 漏缆外导体开缝坐标上式中 0zw, a, b 分别为同轴电缆的内外导体半径，Vo 为激
38、励电压，k 为自由空间的波数，w 为缝隙宽度，由于 w 很小可以认为 E 沿 z 向是不变的。由 E:的表达式可以求得其柱面傅里叶变换为:（4-10）（4-11）其中 m=kb，外导体上开缝的远区辐射场如图 4-5 所示，当 r 很大时可由下式表示:（4-12）其中（4-13）和分别为 n 阶第二类汉克尔函数及其导数。图 4-9 缝隙远区辐射场示意图在=0 平面内 图 4-10 为平面内的方向图，从图中可看出正对着漏缆的=0 处场 最强，所以在 测量祸合损耗时偶极天线应正对着漏缆。上面分析了单个缝隙的辐射场，而漏缆外导体上周期性地分 布着多个缝隙，周期为 P，如图 4-11 所示。在远场区，自
39、 z=0 处计算的第 t个缝隙的辐射场表达式如下:（4-14）由于电缆内电波的传播会使得各缝隙辐射源存在相位差，所以上式中附加了电缆内电磁波的相移因子。图 4-10 E 在 H 面内的方向图图 4-11 漏缆辐射场图图 4-11 中,与 r 相互垂直，并且有为自由空间的波阻抗，而某点的场由所有缝隙的辐射场叠加得到:（4-15）设测量的漏缆长度为 2L ,漏缆周期为 P , M=L/P，则 t 取值为-M，-M+1,M o 偶极天线的接收功率可由到达天线的坡印廷矢量与标准半波长偶极天线的有效面积的乘积得到，标准半偶极天线的有效面积为，则天线接收功率为:（4-16）漏缆的传输功率为：（4-17）本
40、文中取。漏缆的耦合损耗可由下式计算:（4-18）通常在测试耦合损耗时，都是将天线置于正对电缆的 1.5m 或 2m处，然后沿轴向测量各点的值。如果有 50%的测试点的值小于某一值，则该值记为如果有 95%的测试点的值小于某一值， 则该值记为，通常取为漏缆的耦合损耗值。4. 2. 2 耦合损耗的影响因素下面讨论垂直缝隙的开缝角度 a、缝隙周期 p、频率 f 等因素对漏缆耦合损耗的影响。本文将各参数设为 a= 6mm, b =16mm, e, = 2.5, L=40m，天线与漏缆距离为 2m。首先讨论在 f=900MHz, P =1.2 时耦合损耗随缝隙角度的变化情况。图 4-12 中从上而下的三
41、条曲 线分别对应的情况，从图中可以看出，耦合损耗沿电缆轴向呈周期性变化，而且缝隙角度越大，耦合损越小。这说明增大开缝角度以后，漏缆向外辐射的能量增多了，电波在周围空间的覆盖范围会增大。图 4-12 耦合损耗与缝隙角度的关系图 4-13 为 f=900MHz, a=90”时耦合损耗随缝隙周期的变化示意图。从图中可以看出缝隙周期越小，祸合损耗越小，而且周期性越明显。图 4-13 藕合损耗与缝隙周期的关系图 3-14 为耦合损耗随频率的变化示意图。由 图 4-14 可知，频率越高，耦合损耗越小，所以漏缆通常使用在很高的频段。若缝隙与轴向不垂直时，缝隙口面的电场分布会出现周向分量，而且轴向分量,不能再
42、简单地用(4-9)表示，因此 倾斜开槽的缝隙口面的 电场分布将更加复杂，这里暂不讨论倾斜开槽的漏缆的祸合损耗，但是其影响因素与垂直开槽是相同的。图 4-14 耦合损耗与频率的关系4. 3 泄漏同轴电缆的传输衰减4. 3. 1 传输衰减的组成泄漏同轴电缆的传输衰减是描述电缆内部所传输电磁能量损失程度的重要指标，通常由导体衰减、介质衰减和辐射衰减三部分组成，可表示如下:(4-19)上式中 a 为总衰减，和分 别表示导体衰减、介 质衰减和辐射衰减，下面分别介绍这几部分。4. 3. 2 导体衰减如果假定漏缆的内外导体均为理想导体，则电磁波在漏缆内部传输是将不存在导体衰减，但实际采用的导体材料电导率都不
43、是无穷大，因此通常导体衰减都是都不为零。当导体电导率为有限值时，导体表面的电场切向分量不再为零，此时电波将进入导体内部，为导出导体损耗功率 P1 的计算公式， 设电缆内外导体表面上的微元面积 dS = dldz , dl 和 dz 分别为电缆周向和轴向的微元长度，则在该微元面积上损耗功率为(4-20)其中分别为漏缆外导体内壁和内导体外壁附近磁场切向分量幅值，分别各自的表面电阻，可表示为(4-21)于是单位长度上的损耗功率为(4-22)上式中 P 为电缆的传输 功率，可表示为(4-23)上式中为磁场的横向分量的幅值，Z 为对应传输模式的波阻抗。图 4-15 同轴线 TEM 模的场分布如图 4-1
44、5 所示，对于同轴电缆的主模 TEM 模来说， 电缆横截面上的磁场(4-24)在外导体内表面处有(4-25)在内导体外表面处(4-26) 有将(4-24)和(4-25)代入(4-26) 得到(4-27)而(4-23) 可表示为(4-28)而导体衰减可由下式得到(4-29)将(4-27)和(4-28)代入(4-29) 中得到导体衰减(4-30)图 4-16 导体衰减与频率的关系图上式中为漏缆的特性阻抗，通常取或者。由(4-21)和(4-22)可知，成正比关系，工作频率越高，导体衰减越大。由于铜管具有高的电导率，内外导体通常选取铜管为材料以降低导体衰减。图 4-16 为导体衰减与频率的关系图，计算时内外导体材料都采用铜管，的单位换算成dB/Km。从图中可以看出导体衰减随频率增大缓慢上升，所以在实际应用时为保证漏缆的传输功率需再传输线路中加入中继器。4.3.3 介质衰减当泄漏同轴电缆介质层的介质为非理想介质时，会产生介质衰减，它包括两部分，一部分是由介质的电导率引起的，另一部分则是由介质极化阻尼引起的，表现为不再是纯实数，而是一个复数，称为复介电常数，记为，可表示如下由麦克斯韦方程有:为此，可定义等效介电常数其中称之为介质的损耗角正切，由于微波波段的比大得多，所以可近似表示为根据传播常数方程，有
