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

　　1. 1　射线追踪法

　　室内无线通信系统的工作频率一般比较高,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,α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′,φ为r′与x轴所成的角度,θ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[4]

　

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Eφ的垂直极化分量为

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,Γh为水平极化波的反射系数,ε1-jε1′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. 13λ2[6],则天线的接收功率为

　　式中:η0=120π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50Ω,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π/4,介质层的介电常数为1. 28,开缝周期为0. 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.