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无线通信中泄漏同轴电缆的传输衰减模型研究

发表时间：2021/4/15 来源：《基层建设》2020年第32期作者：李森1 李东奇2

[导读] 摘要：无线通信系统在铁路隧道中应用越来越广泛，目前漏缆的研究大多是针对漏缆结构设计和外部辐射模式进行展开的。

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        摘要：无线通信系统在铁路隧道中应用越来越广泛，目前漏缆的研究大多是针对漏缆结构设计和外部辐射模式进行展开的。在根据漏缆的等效电路图，计算漏缆的阻抗和导纳，建立漏缆的数学模型。在外部模式耦合影响下，定义了弱耦合系数，得出了漏缆的传输衰减模型。通过仿真计算得出衰减和频率的关系图，衰减随频率增大而增大；并通过对1/2″漏缆进行实验，得出漏缆衰减的实测值和衰减模型仿真结果的一致性。
        关键词：漏缆；传输衰减；耦合系数；衰减模型
        1 引言
        泄漏同轴电缆简称漏缆，是一种微波通信电缆，外导体均匀规则的槽孔使通信信号辐射到电缆周围空间，为铁路隧道的半封闭空间提供了无线通信解决方案。近几年高速铁路和城市地铁的大力发展，特别是将来４G 与5G 信号的覆盖，使漏缆具有巨大的应用前景。近些年来，许多文献对漏缆的理论和信号辐射进行了深入研究，重点对漏缆的理论、结构和漏缆槽孔设计进行了研究，涉及到漏缆的辐射模式、漏缆外场分布、漏缆结构对辐射的影响和周向不对称槽的漏缆的极化特性。衰减是射频电缆的最重要的参数之一，它反映了电磁能量沿电缆传输时的损耗大小。电缆的衰减表示电缆在行波状态下工作时传输功率或电压损耗程度。电缆的衰减越大，则表明信号的损耗越严重，电缆的传输效率也越差，如果电缆的总衰减等于3dB，则表明信号沿此电缆传输后电流或电压的幅度约下降30%，信号功率下降50%。因此电缆的衰减是十分重要的指标。特别是大长度传输时更是如此，为了降低电缆的衰减，要在经济上划出相当大的代价。在选用电缆时不能认为衰减越低越好，而是必须将这一指标和其它因素通盘考虑，才能选得经济适用的电缆。本文在考虑外部耦合情况的影响下，定义了弱耦合系数，对漏缆传输特性建立数学模型，研究漏缆的传输衰减特性。
        2 影响无线通信泄露同轴电缆衰减因素概述
        射频电缆主要由导体、绝缘、护套以及铠装等部分组成，其中导体起着电信号的引导作用，绝缘是电信号赖以传输的媒介质，护套和铠装则对于导体和绝缘提供必要的保护，使电缆成品承受各种使用环境的作用。因此影响无线通信泄露同轴电缆的主要因素就可以归纳为三类：原材料，电缆结构和温度。
        2.1 绝缘层
        绝缘是射频信号传输的介质，要求其材料和结构选择能保证电缆尽可能低的损耗，而且还必须有足够的机械强度以保持内外导体处于同轴位置，射频电缆绝缘可分成实心、空气以及半空气绝缘。绝缘对衰减的影响小些，但随着频率的增加其影响不断地增大，到达2 GHz 频段时，介质衰减是不容忽视的。由于绝缘层基本均采用发泡结构，从实际的情况来看，发泡度是影响电缆介质衰减、特性阻抗等参数的最主要因素。在50MHz 以下衰减常数偏大或者超差，而高频有余量常常是铝塑复合带中的铝基太薄所致，在频率比较低的时候，铝基的厚度小于或者与该频率的透射深度相当，造成了αR 过大。根据理论计算，F=50MHz 铝层透射深度为12.2μm（当然如果考虑到屏蔽衰减的要求可以再适当加厚）。
        2.2 内导体
        内导体是主要的导电元件，由于内导体位于导体内部，其尺寸要比外导体小的多，因此电缆的总损耗主要由内导体的电阻所引起。为了减少电缆的损耗，要求其内导体的电阻尽可能低些，通常都采用高导电率的金属来制造内导体，而为了提高电缆的耐高温能力以及机械强度，还采用各种镀层处理以及双金属材料组合结构。
        2.3 外导体
        外导体和内导体一样，也是起导电作用的结构元件。但外导体尺寸要比内导体大得多，因此对于外导体材料的导电率要求不如内导体那么高，例如可采用铝来代替铜作外导体，而对于电缆的总衰减影响不大。同轴电缆的外导体同时起着道题和屏蔽的作用，其机械、物理性能以及密封性对于电缆成品的质量有很大影响，因此外导体的结构形式以及制造工艺的控制都十分重要。
        3 漏缆传输特性的数学模型
        漏缆的结构和同轴电缆传输线的结构类似，有内导体、绝缘介质层、外导体和外护套层组成，内导体一般是铜管，是信号传输的承载体，外导体通常是铜管或皱纹铜管。不同的是外导体上开了一系列周期性的槽孔。信号在漏缆内传输时，漏缆内部的电磁场分布和同轴电缆类似，由于其结构中外导体具有规则的槽口，所以会有一部分信号会通过电磁场的形式传输到周围介质中。典型的漏缆示意图和漏缆截面图如图1 和图2所示。
        漏缆的衰减可以分成两种模式：内部模式和外部模式。首先进行泄漏同轴电缆的内部模式衰减计算，和同轴电缆类似，这一部分衰减组成包括导体衰减和介质衰减。第二步分析泄漏的外部模式，即信号辐射引起的耦合衰减。最后，考虑内部外部模式的耦合影响计算泄漏同轴电缆的传输衰减模型。
        外部传输模式是泄漏的电磁波在均匀空气中（埋地半空间）的传播，泄漏同轴电缆作为外部模式的激发源，并在外部介质中感应出电流，而且内部模式和外部模式互相影响。外部模式的主要特点是具有非常大的衰减常数值。
        不知道，不了解同轴电缆也有专业传输设备距离远了，首先考虑的是选用粗电缆，或者改用其他传输方式；或者错误地把普通视频放大器当成传输设备来用一不了解基于斜率视频放大技术的视频恢复设备，具有图像质垃控制功能，可以在工程现场的监控室看着画面调整、改善、恢复提高图像质量，并成功的与光缆、射频、微波、双绞线传输系统合理组合，用于改善传输系统的图像质量。盲目的相信高编电缆衰减小，抗干扰能力强，传输距离远n_认为视频干扰的产生，就是因为屏蔽层不好，编网密度不够造成的，于是一味的使用高编电缆。工程实践是，在工程现场产生干扰的实例中，绝大多数还是用的高编电缆；最新研究表明，干扰的产生主要不是因为编网的屏蔽性能不好造成的，而是由于电缆太长，屏蔽层纵向电阻较大，干扰感应电流在纵向电阻上形成了感应电动势，并通过传输电缆两端的75欧姆匹配电阻，与芯线形成回路，在负载上产生干扰的，这对高编电缆也会产生干扰，就好理解一些了。误认为凡是干扰都能用抗干扰器来解决。有一类干扰我们暂称为“故障类干扰”：如电源问题，供电系统问题，地电位环路问题，设备故障问题等“有形电路”引起的“干扰现象”，并不是常规意义上“无形电路”的电磁干扰。这类干扰不需要用任何抗干扰设备就能解决，办法是排除“故障”。

        ①为内导体，②为绝缘层，③为外导体，④为槽孔，
        ⑤为外护套，⑥为电磁波
        图1 漏缆示意图

        内导体内、外径r1、r2；绝缘层半径r3；
        外导体半径r４；外护套层半径r5
        图2 漏缆截面图
        4 结论
        在根据传输线的等效电路模型，分别从漏缆内部模式和外部模式进行分析，内部模式计算了漏缆的阻抗和导纳，外部模式近似为自由空间的电磁衰减，定义了弱耦合系数，得出了漏缆的传输衰减模型。通过仿真计算得出衰减随频率变化的衰减图，漏缆衰减随频率增大而增大，并进行1/2″漏缆衰减测试，验证了衰减模型的正确性。
        参考文献：
        [1]刘源，李建杰，王宁，等.耦合型漏泄同轴电缆传输和耦合特性研究[J].电波科学学报，2019，34（02）：225-230.
        [2]翟庆诗，张鹤，相石磊，等.辐射型漏泄同轴电缆关键性能分析及标准化研究[J].现代传输，2019，No.190（04）：48-51.
        [3]李杰.浅谈通信工程中有线传输技术的改进分析[J].大陆桥视野，2020，000（004）：96-97，100.