泄漏同轴电缆辐射场的仿真分析

王 娜,官伯然

(杭州电子科技大学天线与微波技术研究所,浙江杭州310018)

泄漏同轴电缆辐射场的仿真分析

王 娜,官伯然

(杭州电子科技大学天线与微波技术研究所,浙江杭州310018)

关于泄漏电缆辐射场的理论方法求解复杂,其辐射场解的理想开放边界与实际使用环境存在一定差距。该文用ANSOFT公司的HFSS三维电磁仿真软件建立了基于耦合型和辐射型两种类型不同几何结构的泄漏电缆仿真模型,对它们的辐射场特性进行仿真分析,该文结果为泄漏电缆实际应用中的场预测和施工设计提供了依据。

泄漏电缆;辐射场;单模辐射;仿真分析

0 引 言

泄漏同轴电缆,简称漏缆(Leaky CoaXial cable,LCX),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配置开槽口而形成的。在无线通信中兼具信息传输线和收发天线的双重功能,尤其在分立天线无法提供足够场强的区域,如山区、丘陵、地铁、隧道、建筑物等固定体对移动体之间的无线通信,主要靠漏泄同轴电缆实现[1]。传统的理论数值和解析计算显然已经难以满足实际应用的需要,这时更需要借助一些合适的电磁仿真软件快速地为实际应用提供一定的指导作用。Ansoft HFSS,是Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件,是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件,业界公认的三维电磁场设计和分析的电子设计工业标准[2]。该文用HFSS对两种漏缆模型的辐射场特性进行仿真分析。

1 泄漏电缆分类及辐射模式

漏缆按能量耦合到外部空间机理的不同可以分为耦合型和辐射型两种类型,它们的几何结构各有不同。耦合型泄漏电缆外导体上开有一条连续的槽或者一排小孔,其间距d远小于波长。辐射型泄漏电缆外导体上开有垂直或倾斜的周期性矩形缝隙,耦合间距d与波长(或半波长)相当。两种类型泄漏电缆的电磁波传播方向如图1所示。

本文根据两种类型泄漏电缆不同几何结构建立了两种仿真模型,如图2、3所示。

为了保证辐射型泄漏电缆工作在单模辐射模式下,先介绍下泄漏电缆的单模辐射理论。

2 泄漏电缆单模辐射理论

根据空间谐波的辐射理论,具有周期性槽孔结构的泄漏同轴电缆外表面产生无穷多的空间谐波,以满足边界条件。这其中的大多数空间谐波只能以表面波的形式存在,只有谐波阶数m≤-1时才可能产生辐射波[3]。此时的频率范围是-mf1＜f＜-mf2,其中：

图1 泄漏电缆两种辐射模式

图2 仿真用泄漏电缆模型1

图3 仿真用泄漏电缆模型2

式中,c为真空中的光速,εr为绝缘介质等效相对介电常数,p为开槽口的周期长度。

一般情况下,在频率范围[f1,f2]内只存在-1次谐波的辐射,上下限比为2：1。即单模辐射的区域是在f1和f2之间,带宽是。在特定频率下,单模辐射周期范围为[4]：

3 泄漏同轴电缆辐射场的仿真分析

本文仿真模型中心频率为1.8GHz,电缆内介质的相对介电常数εr为1.25,周期在78.7-157.4mm之间时满足单模辐射条件。耦合型漏缆结构尺寸分别如图2、3所示。可以看出,耦合型漏缆孔间距远小于单模辐射周期,而辐射型潜心缆开槽间距位于单模辐射周期内。耦合型和辐射型漏缆仿真模分别如图4、5所示。

图4 耦合型仿真模型

图5 辐射型仿真模型

由于仿真工具约束,建模中难以实现合适的激励与周期边界组合,为减小传输线两端非周期边界对场分布的影响,仿真中在允许的计算能力下逐步增加传输线长度并观查传输线中点横载面内的场分布变化,最终达到可接受的收敛精度。

为有效减小计算时间,在分析的基础上,采用空心介质圆柱替代同轴线结构并将内外柱面设为理想导体,在家心介质圆柱两顶面分别设置激励端和吸收负载端,根据图2、3数据分别对外柱面导体开孔或开槽,在介质柱外径向根据仿真工具要求设置辐射边界,仿真数据在传输线轴中点横载面内提取。

4 仿真结果分析

对泄漏电缆模型1和模型2的仿真结果如图6所示。图6中可以看出两种电缆都是在开孔正面方向电场辐射强度大于背面电场强度,因而为获得最佳通信效果须将漏缆的开孔向朝向移动设备。耦合型漏缆电磁场主要分布在电缆四周,通过小孔泄漏出的电磁能量无方向性较弱,并且沿径向迅速衰减。辐射型漏缆的泄漏电磁能量分布随方位角度化较大,可近似为以柱面波形式沿径向传播,辐射型漏缆相对于耦合型漏缆沿径向衰减要慢。

图6 两种模型漏缆的E面方向图(f=1 800M)

可以看出,耦合型泄漏缆的辐射特性适合于近径向距离宽频带传输,而辐射型漏缆辐射特性则适合于较远径向距离传输。因此可以根据实际应用情况选择不同类型的漏缆,如专网隧道覆盖可选择辐射型,而公网室内分布系统可选择耦合型。

为了验证本文仿真场分布和辐射方向图的正确性,采用与文献6中相同的参数并利用本文模型进行仿真,其E面方向图对比如图7所示。

图7 仿真模型E面方向图与文献6中的图形对比(f=900M)

图7(b)为文献6中用FDTD方法仿真得到的漏缆E面辐射方向图,与本文仿真所得到的辐射方向图比较可以看出,两者场方向图表示的特性基本一致。

5 结束语

本文建立了耦合型和辐射型两种结构漏缆的AnsoftHFSS仿真模型,分别对它们的场特性进行了仿真分析并与现有文献了对照。本文还对漏缆在不同环境中的场分布特性进行了仿真,并验证了通过增加周期性开槽个数实现谐振点抑制和频带扩展的方法,限于篇幅未予展开讨论。本文工作验证了漏缆仿真分析的有效性和可信性,仿真模型的灵活性有助于对各种实际环境下的漏缆应用效果进行预先评估,并用于施工设计指导。与此同时,利用模型对漏缆仿真分析能为进一步深入研究漏缆特性和研制新型漏缆结构提供有效途径。

[1]赵宇宁,杨晓冬,程东伟.闭域空间中泄漏同轴电缆耦合损耗的研究[J].应用科技,2007,34(12)：1-3.

[2]谢拥军,王鹏,李磊,等.AnsoftHFSS基础与应用[M].西安：西安电子科技大学出版社,2007：51-60.

[3]Wang H J,MeiK K.Theory and analysis of the leaky coaxial cab leswith periodic slots[J].IEEE Trans Antennas Propag,2001,49(12)：1 723 1 732.

[4]Linlin Feng,Xiaodong Yang.Research on the Radiation Field of Leaky Coaxial Cable Using FDTD[C].Dalian：W ireless Communications,Networking andMobile Computing,2008：1-4.

[5]虞春,董志艳.稀疏编织外导体漏泄同轴电缆的计算机仿真[J].电线电缆,2007,5(5)：26-29.

[6]Jun Hong Wang.Research on the Radiation Characteristics of the reinforced Leaky Coaxial Cab le by FDTD and Harmonic Expansion Method[J].Wiley Periodicalm icrowave and optical technology letters,2003,36(2)：142-145.

Simulation and Analysis on Radiation Fi ld of L aky Coaxial Cabl WANG Na,GUAN Bo- an

(Institute of Antenna and Microwave Technology,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou Zhejiang310018,China)

Themethodsof research on the radiation field of leaky coaxial cable are almost theoretical operations,which almost assumed its radiation field has the idealopening boundary.Thishas disparitywith theenvironmentactually.The paper uses theHFSSsoftware of the ANSOFT company to simulateand analyze the radiation field of the modelswhich builtbased on the different structureof radiation style and coupling style leaky coaxial cable and analyzes their graphics.The resultsof the paper apply the foundation of field prediction and construction of the leaky coaxial cable in practical application.

TN248

A

1001-9146(2010)03-0025-04

2009-11-17

浙江省科技计划资助项目(C21020)

王娜(1983-),女,河南南阳人,在读研究生,微波电路.

K y wo ds:leaky coaxial cable;radiation field;singlemode radiation;simulate