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1、1关于闭域空间中泄漏同轴电缆耦合损耗 的研究作者：赵宇宁 杨晓冬 程东伟论文关键词:泄漏同轴电缆 耦合损耗 辐射场 闭域空间论文摘要:从泄漏同轴电缆的辐射理论出发,以屏蔽良好的室内空间为例分析了其中的辐射场,再根据耦合损耗的定义,利用接收功率和电缆传输功率得出了漏缆的耦合损耗,同时讨论了室内墙壁的材质对耦合损耗的影响,并通过仿真对结果进行了验证.该理论和结果可以扩展到其他场所,对于进一步研究闭域空间中的无线通信问题具有较强的参考价值.泄漏同轴电缆(简称漏缆)是遵循特定的电磁场理论,沿着同轴电缆的外部导体周期性或非周期性配置开槽口而形成的.电信号在该电缆中传输的同时,能把电磁能量的一部分按要求从
2、特殊开槽口以电磁波的形式放射到周围的外部空间,既具有传输线的性质又具有无线电发射天线的性质.由于其场强覆盖均匀、适应性强、电磁污染小等优点,漏缆近年来已经广泛应用于隧道、矿井、铁路等通信领域,并且已经渗透到了室内无线通信系统中1.耦合损耗是漏缆区别于其他射频电缆的惟一指标,它决定了电磁波的覆盖范围,是漏缆设计的关键指标之一.文中以屏蔽良好的矩形室内空间为例,计算了漏缆的耦合损耗,同时讨论了墙壁的材质对耦合损耗的影响,并通过仿真对结果进行了验证.该理论和结果对于进一步研究闭域空间中的无线通信问题具有较强的参考价值.1 基本理论和计算方法21. 1 射线追踪法室内无线通信系统的工作频率一般比较高,
3、因而波长与建筑物尺寸相比要小得多,此时电磁波的传播可以用几何光学来近似,即认为电磁波沿直线传播,远场区的电磁波可视为局部平面波,从而可以用射线追踪法来进行研究2.分析中采用射线追踪法.在室内的某处放置一个天线,则空间中任一点的辐射场除了直射场以外,还有天棚、地板和 4 个墙壁的反射场.实际问题中含有多次反射,但由于经过 2 次或多次反射后的电磁波衰减很大而计算却很复杂,所以可以只考虑墙壁对电磁波的一次反射.根据以上原理,可以确定共需要考虑 7 条电磁波传播路径.图 1 给出了辐射源 O 点到达接收天线处 P 点的直射场和天棚、地板以及一个左侧墙壁的反射场的示意图.1. 2 漏缆辐射场的计算图
4、2(a)所示的漏缆外导体上的开槽电场分布为3别为漏缆的内、外导体半径,V0 为激励电压,k0 为自由空间的波数, 为开缝角度,w为缝隙宽度.由于 w 很小,故可以认为 Ez 沿 z 向是不变的.如图 2(b)所示,O 点为缝隙位置,它和自由空间中某点距离为 r,r 在 xoy 面上投影为 r, 为 r与 x 轴所成的角度, 为 r 与漏缆轴向 z 所成的角度,则自由空间中某点的周向辐射场为43式中:m=k0b,由以上 2 式即可求出自由空间某点的周向极化电场.以图 1 中路径 4为例,分析经过反射后某一缝隙的辐射场,则总的辐射场可由漏缆上各缝隙叠加得到.根据参考文献5,可以得到该场强 E 的垂
5、直极化分量为式中:x0 和 w0 分别表示 O 点和 P 点到左侧墙壁的水平距离,z0 表示 O 点到反射点的纵向水平距离,h0 表示 O 点到反射点的垂直距离,iP 表示第 i 个缝隙在 z 轴上的坐标,h 为水平极化波的反射系数,1-j1为墙壁的复介电系数,而垂直极化波的反射系数为总的场强可由各缝隙作用的叠加得到 i=1对于其他反射路径,可以用同样的方法分析.再将电磁波的 7 条传播路径进行叠加,便可得到室内接收天线处由漏缆产生的总辐射场.内接收天线处由漏缆产生的总辐射场.1. 3 耦合损耗的计算通常以标准半波偶极天线在距漏缆 2m 处接收到的功率作为计算漏缆耦合损耗的依据.偶极天线的接收
6、功率可由到达天线的坡印廷矢量与标准半波偶极天线有效面积的乘积得到,标准半波偶极天线的有效面积为 0. 1326,则天线的接收功率为4式中:0=120 为自由空间的波阻抗,V0 为漏缆内外导体之间的电压,Z0 为电缆的特性阻抗.最后漏缆的耦合损耗可由其定义式计算 Lc=-10 log(Pr/Pt).2 计算与分析在计算时,设室内空间为矩形,其长、宽和高分别是 20 m、8 m 和 5 m.漏缆在室内沿纵向悬挂,距右壁 0.4m,距顶部 0.6m,其特性阻抗为 50,内、外导体半径分别为 9mm 和 22.8mm,之间电压为 1 V,开缝角度为 /4,介质层的介电常数为 1. 28,开缝周期为 0
7、. 26 m,工作频率为 900 MHz.测试点距地面 1. 5 m,距漏缆 2 m,用计算机程序算出了漏缆的耦合损耗如图 3、4 所示,其中横轴表示测试点距漏缆中心的轴向距离.比较图 3、4 可以发现,随着相对介电系数的增加,漏缆的耦合损耗相反的减小. (干燥混凝土的复介电系数为 4-j0.3,土壤的复介电系数为 20-j0.02).这是因为相对介电系数较大的墙壁,通常会得到较大的反射系数,从而被反射的能量较大,接收到的能量就较大,因此漏缆的耦合损耗就较小.3 结束语从漏缆的辐射理论出发,结合射线追踪法和场的叠加原理,并根据耦合损耗的定义,计算了屏蔽良好的室内空间中漏缆的耦合损耗,同时讨论了
8、墙壁的材质对耦合损耗的影响.仿真结果表明:墙壁的相对介电系数越大,漏缆的耦合损耗就越小.该理论和结果可以根据实际情况扩展到其他闭域空间,为漏缆的优化设计提供了必要的理论依据.5参考文献:1张 昕,杨晓冬.适用于闭域或半闭域空间无线通信用泄漏电缆研究J.哈尔滨工程大学学报, 2005, 26(5):672-674.2季 忠,黎滨洪,王豪行.用射线跟踪法对室内电波传播进行预测J.电波科学学报, 1999, 14(2): 160-165.3王均宏,简水生.漏泄同轴电缆耦合损耗的计算J.铁道学报, 1996, 18(6): 17-22.4卢万铮.天线理论与技术M.西安:西安电子科技大学出版社, 2004.6谢处方,邱文杰.天线原理与设计M.西安:西北电讯工程学院出版社, 1985.7高建平,张芝贤.电波传播M.西安:西北工业大学出版社, 2002.
