复杂环境对漏泄圆波导辐射特性的影响

张 冲 王均宏 陈美娥 张 展 李 铮

（1.全光网络与现代通信网教育部重点实验室，北京100044；2.北京交通大学光波技术研究所，北京100044）

引 言

漏泄同轴电缆（Leaky Coaxial Cable，LCX）自提出后被广泛应用于地铁、隧道、煤矿等特定空间，以取代天线、实现均匀稳定的电波覆盖，它具有传输损耗小、信号覆盖均匀、无盲区等优点［1-3］.漏泄同轴电缆由内导体、外导体、内外导体间绝缘介质构成，其外导体上开有周期性缝隙.由于移动通信频段的不断提高，漏泄同轴电缆内导体及绝缘介质的损耗不断增加，难以应用于1GHz以上频段的无线通信［4］.为了克服漏泄同轴电缆的不足，提出了漏泄圆波导，利用圆波导外壁上所开的周期性缝隙同样可以形成信号的均匀覆盖，而在高频段圆波导具有较低传输损耗、较宽频带等优点.关于漏泄圆波导的研究很少，现有工作主要是针对基于圆形波导的漏波天线，例如文献［5-7］采用傅里叶变换和模式匹配的方法讨论了基于圆形波导的漏波天线的辐射特性和散射特性等.然而，与漏波天线［8-9］不同，漏泄圆波导将大部分能量集中在波导管内传输的同时向外均匀辐射电磁波，可以在空间中形成均匀的电波通道.文献［10］研究了漏泄圆波导的辐射特性，并给出了漏泄圆波导的频带特性.值得注意的是，在实际应用中，当漏泄圆波导安装于环境中时，若防护不好，容易受到外界复杂环境的影响.文献［11］中讨论了雪的电磁散射特性对毫米波雷达性能的影响.本文以雪覆盖为例，研究了雪厚度和含水量对漏泄圆波导辐射特性的影响，并提出了相应的解决措施.

1 漏泄圆波导结构及雪模型设置

将雪视为一种有耗电磁媒质，其介电常数表示为

式中：ε′为相对介电常数；ε″为介质损耗因子；tan δ为损耗角正切.

一般将含水量低的雪视为干雪，干雪的介电常数与雪的密度、温度和频率有关，其介电常数的表达式为［12-13］

雪的含水量增大时，水对电磁波的影响不能忽略.为了给出湿润雪的介电常数经验公式，在干雪的经验公式基础上引入雪的含水量参量Wv.高频段内湿雪的经验计算公式为［12］

覆盖有雪介质的漏泄圆波导模型如图1所示.计算过程中，漏泄圆波导从一端激励，激励功率1 W，在圆波导另一端设置匹配负载，使圆波导工作于单模行波状态.为了讨论方便，圆波导半径设置为r＝21mm，与常用的1-5／8″漏泄同轴电缆外导体内径相同，波导内填充介质的介电常数εr＝1.26，外导体上开有矩形缝隙，其周期P＝40mm，缝隙在圆周方向的张角2φ0＝35.49°，缝隙宽度w＝3mm.漏泄波导外护套的厚度为2.5mm，相对介电常数为2.3.本文讨论漏泄圆波导工作在3.9GHz和4 GHz两个频点的情况，由文献［9］中公式计算可知漏泄圆波导工作在3.9GHz和4GHz时处于0次基波辐射状态.0次基波的最大辐射角度θ如图1所示，其定义为从正z轴方向（波导的轴线方向）开始到辐射主瓣方向之间的夹角.

图1 覆盖有雪介质的漏泄圆波导模型

由公式（2）～（8）计算得到3.9GHz与4GHz频点处不同湿度的雪的介电常数，如表1和表2所示.从表中可以看出，工作频率固定时，雪的相对介电常数ε′与损耗角正切tanδ随含水量增大而增大；雪的含水量固定时，干雪的相对介电常数与频率无关，介质损耗因子随着频率的增大而增大，湿润雪与湿雪的相对介电常数随频率的增大而减小，且介质损耗因子随着频率的增大而升高.

表1 雪在不同湿度情况下的介电常数，频率3.9GHz

表2 雪在不同湿度情况下的介电常数，频率4GHz

2 雪覆盖对漏泄圆波导辐射特性的影响

图2为工作在3.9GHz频率下的漏泄波导表面电场沿轴向的分布情况，d为离开波导表面的距离.从图中可以看出，波导附近的电场分布呈现40 mm的周期性规律，与缝隙周期P＝40mm相吻合，且对应于缝隙口面处的电场强度随离开波导表面距离的增大而迅速减小.

图2 波导附近电场随距离波导表面距离的变化

图3为工作在3.9GHz频率下的漏泄波导分别处于自由空间、湿润度3%和10%的50mm雪层覆盖三种情况下，距离波导表面80mm处的电场沿轴向的分布，波导开有13个缝隙周期.从图中可以看出，漏泄波导近场受雪影响所导致的衰落比较明显，随着雪含水量的增大电场分布波动比较剧烈；受波导两端截断的影响在场分布上形成的纹波较大，使距离波导80mm处电场的周期性规律变得不明显.从图中也可以看出，湿雪时由于远处场传播损耗增加，波导终端影响减弱，此时场分布40mm的周期性较为明显，如图中短横线虚线所示.

当雪层厚度固定为50mm时，不同湿润度雪覆盖下的漏泄圆波导的远场方向图如图4所示.从图中可以看出，漏泄圆波导的主瓣增益随湿润度的增大明显降低.该现象可以解释为雪中含水量增大时，雪的介质损耗因子增大，导致能量损耗增大，使得远场增益降低.

图3 距离漏泄圆波导外80mm处的电场分布，雪层厚度50mm

图4 不同湿润度的雪覆盖时漏泄圆波导的远场方向图，雪层厚度50mm，工作频率3.9GHz

图5给出了不同厚度的湿雪覆盖下的漏泄圆波导的远场方向图，雪的湿润度为10%（雪中含水量较大），漏泄波导工作频率为3.9GHz.从图中可以看出，与自由空间中的漏泄圆波导增益相比，雪中含水量较大时，漏泄圆波导的远场增益数值下降8dB左右，同时远场增益随着雪的厚度增大而降低.因此在实际应用中应该尽量避免湿度比较大的物体覆盖在漏泄波导表面.

图6为4GHz时不同厚度、不同湿润度雪覆盖下的漏泄圆波导的远场方向图.从图中可以看出，与3.9GHz频率情况类似，漏泄波导的增益随雪层厚度或湿润度的增大而降低.

图5 不同厚度的湿润度为10%的雪覆盖时漏泄圆波导的远场方向图，工作频率3.9GHz

图6 不同厚度不同湿润度的雪覆盖时漏泄圆波导的远场方向图，工作频率4GHz

3 抵抗恶劣环境的防护措施

依据上述讨论我们发现，雪对漏泄波导的近场场强及远场增益影响较大，对含水量较大的雪层影响尤为显著.因此，将漏泄波导用于户外通信时，需要考虑类似恶劣环境对漏泄波导的影响.为了降低雪对漏泄波导的影响，提出了一种在漏泄电缆表面预先覆盖一层介质层的方法，用于阻隔外界环境与漏泄波导的直接接触，从而降低外界环境的影响，其结构图如图7所示.

图7 漏泄波导表面覆盖泡沫塑料的结构图

为了降低介质层本身对漏泄波导近场的影响，覆盖在漏泄波导表面的介质层需要满足以下两个条件：

1）介质的介电常数接近于空气；

2）介质损耗较小.

文中介质层采用介电常数为1.06的泡沫塑料.以4GHz工作频点为例，图8中的三条曲线分别为漏泄圆波导工作在自由空间中、表面直接覆盖雪层、以及表面覆盖塑料泡沫及雪层三种情况下受雪层影响的远场方向图，介质层厚度为40mm，雪层厚度40mm.从图中可以看出，直接曝露在雪层中的漏泄圆波导的远场增益比自由空间中的要低9.7dB，而当漏泄圆波导外面覆盖一层塑料介质层后，其远场增益比自由空间中的漏泄波导的增益低1.1dB左右，即相对于直接曝露在雪层中的漏泄波导增益提高8.6dB.该现象说明，漏泄波导外覆盖的泡沫塑料介质层增强了漏泄圆波导对外界恶劣环境的抵抗能力.

图8 湿润度3%的雪覆盖下，漏泄圆波导覆盖与不覆盖塑料介质的远场方向图，雪层厚度40mm，工作频率4GHz

当雪含水量进一步增大到10%时，表面覆盖有泡沫介质层的漏泄圆波导在雪影响下的远场方向图与在自由空间及直接曝露在雪层中的漏泄波导的远场方向图如图9所示，介质层厚度40mm，雪厚度40mm.从图中可以看出，对于含水量达到10%的雪层来说，漏泄圆波导表面覆盖的泡沫塑料介质层依旧能够大幅度改善漏泄波导的远场特性.为了研究泡沫塑料介质对漏泄波导辐射特性的影响，图9同时给出了在漏泄圆波导和雪层中间加一层空气的情况.从图中可以看出，漏泄波导与雪层中间添加塑料泡沫时的远场增益与漏泄波导与雪层中间存在空气时的增益相近.由于空气对波导近场的影响很小，因此泡沫塑料对波导表面的近场影响不大.

为了解释增加泡沫层可改善漏泄波导辐射特性的原因，图10给出了漏泄圆波导径向（离开波导表面的方向）的场分布，波导分别工作在自由空间、表面直接覆盖湿雪、表面覆盖塑料泡沫和雪层、表面覆盖空气和雪层四种情况，介质层、雪层与空气层的厚度分别为40mm，波导长度为1.3m.从图中可以看出，漏泄波导径向场分布是按指数规律衰减的，越靠近波导表面场强越强.对于同样一条吸波带（雪覆盖层），放在强场地方和放在弱场地方，相当于同一电阻通过的电流强弱不同，其吸收能量的大小不同.因此，如果将湿雪直接覆盖在漏泄波导表面（场强很强，如图2所示），其吸收的能量要比将其放在离开波导表面一段距离处（场强较弱，如图2所示）吸收的能量大很多.对于远场来说，相当于辐射源的功率不同，因此辐射场的大小也不同.

图9 湿润度10%的雪覆盖下、漏泄圆波导覆盖与不覆盖塑料介质的远场方向图，雪层厚度40mm，工作频率4GHz

图10 覆盖与不覆盖泡沫塑料介质的漏泄圆波导中间一个缝隙处的电场随垂直距离的变化情况

4 结 论

本文研究了漏泄圆波导应用于户外环境时，外界复杂环境对漏泄波导辐射特性的影响.以雪覆盖为例，研究发现雪的厚度和湿润度增大将大幅度降低漏泄波导的近场电场强度和远场增益.为了降低积雪对漏泄波导辐射特性的影响，可通过在漏泄波导表面覆盖一层泡沫塑料层的方法，来有效降低积雪对波导辐射场的影响.

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