双漏缆电磁耦合传感器设计

官　乔， 路宏敏， 谭康伯， 蓝燕锐， 孙　栋

(1. 西安电子科技大学 电子工程学院，陕西 西安 710071;2. 中天科技集团 中天射频电缆有限公司，江苏 南通 226010)

漏泄同轴电缆(Leaky Coaxial Cable，LCX)，简称为漏缆，是一种以同轴线结构为基础，外导体雕刻不同形状缝隙的同轴电缆[1-2]．LCX工作时，一方面沿其内外导体轴向空间传输电磁波信号，其作用和普通同轴电缆一样; 另一方面也通过外导体上的缝隙向外辐射电磁波，其作用和普通天线一样[3-4]．LCX因其具有传输线和天线的双重作用，广泛应用于地铁、矿井和地下停车场等无线通信基站电磁波信号无法覆盖的区域[5-6]，解决了常规天线辐射的电磁波信号覆盖的盲区问题．LCX新近也应用于人体姿势识别，以提供医疗关怀辅助功能[7]．LCX和多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技术相结合，为无线信道容量的提升开辟了新途径[8-9]．

为了解决恐怖威胁等不安全因素导致重要设施、区域和国界的安防警戒问题，迫切需要应用新技术和新方法设计入侵探测的系统．基于LCX的周界入侵探测系统，具有安全隐蔽、随形安装、全天候工作、全空间警戒等特点，受到了美国、日本、加拿大、以色列等国家相关研究机构和学者的重视[10-13]，国内相关研究所也进行了基础性探索．然而各国公共安全标准存在的差异性，导致现有基于LCX的周界入侵探测系统的设计与实现呈现出不同的设计和实现方法．同时，科技发展提供了采用新技术方法的可能性．笔者基于双根LCX构建电磁耦合传感器(Double Leaky Coaxial Cables Senor， DLCXS)，以阵列天线理论分析其工作原理，并运用HFSS仿真分析其端口传输特性，提出了一种新型电磁传感器．依据国家标准选取HLRHTCYZ-50-42L型号的单根LCX进行电气性能仿真分析和优化，给出了八字槽缝隙物理尺寸制约LCX耦合损耗和传输损耗的变化规律; 并进行了单根LCX电气性能实测．实测结果与仿真结果吻合良好．

1　理论分析

图1　漏泄同轴电缆结构示意

漏泄同轴电缆结构如图1所示，由内向外依次是内导体、发泡绝缘介质层、雕刻有缝隙的外导体，节距P表示一组缝隙的周期长度，z表示电磁波传输的坐标方向，φ为漏缆横截面的圆周坐标方向，α为缝隙倾角，w为缝隙宽度，l为缝隙长度．通常也会在外导体外侧加一层护套来保护内部金属结构以防腐蚀、变形，可埋设于土壤、墙体、沥青和水泥路面等严酷环境．

1.1　单根八字槽缝隙漏缆的场分析

对于漏泄同轴电缆而言，主要的电气参数包括耦合损耗、工作频带和传输损耗等．耦合损耗Lc= -10 log(Pr/Pt)，其中，Pr表示距离漏缆 2 m 处的偶极子天线的接收功率，Pt表示漏缆内传输的电磁波功率．漏缆的耦合损耗沿轴向起伏变化，通常以概率的方法来表示整根漏缆的耦合损耗，用符号Lc(95%)来表征局部耦合，它表示95%的局部耦合损耗的测量值均小于此值．

对于周期性缝隙结构，根据Floquet定理，电场分布的表达式为

E(r，φ，z)=Ep(r，φ，z) exp(-jkzz),

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其中，kz=β-jα，α和β分别是衰减常数和传播常数，EP(r，φ，z)是关于z的周期函数．EP(r，φ，z)的傅里叶级数及周期缝隙电场分布的表达式依次为

其中，βm=2mπ/P+β．假设漏泄同轴电缆是无限长的，八字槽缝隙的电场如图2(a)所示．

图2　八字槽漏泄同轴电缆缝隙电场及电流分析

(4)

1.2　电磁耦合传感器DLCXS场分析

漏泄同轴电缆传输横电磁(Transverse ElectroMagnetic，TEM)模的同时，也会通过缝隙向外辐射电磁波．基于上述单根八字槽漏缆的场特性分析，配置于空间的DLCXS可以建立三维电磁场区域，如图3所示．无人静态环境下，一根漏缆外导体上的缝隙产生的电磁场沿着固定的路径传输；另一根漏缆接收其产生的电磁场，围绕发射漏缆与接收漏缆构建的三维空间会形成沿轴向起伏微小的电磁场分布．当有目标入侵时，环境媒质发生不连续，电磁波传输路径及衰减幅度会发生变化，从而导致入侵目标处的电磁场分布有显著起伏．因此，通过轴向电磁场分布的状态变化可获得入侵目标的相关信息，从而能够构建一种电磁耦合传感器．

图3　基于漏缆的电磁耦合传感器DLCXS

同理，接收漏缆第n组的八字槽缝隙也可以看成为两个磁偶极子，发射漏缆第m组八字槽缝隙的电磁波传播到接收漏缆第n组八字槽缝隙处，分别经过RmLnL、RmRnL、RmLnR和RmRnR的传播距离，其中RmLnL、RmRnL、RmLnR、RmRnR分别依次表示发射漏缆第m组的两个八字槽缝隙与接收漏缆第n组八字槽缝隙之间的空间距离．仅考虑发射漏缆第m组八字槽缝隙时，接收漏缆第n组八字槽缝隙电场分别为

令发射漏缆与接收漏缆平行布置时的空间间距为L，则RmLnL= {L2+ [p(n-m)]2}1/2．由叠加原理知，发射漏缆的N组八字槽缝隙，在接收漏缆第n组八字槽缝隙处产生的电场为

(9)

这样就可以获得接收漏缆上N组八字槽缝隙处的电场，各缝隙处的电磁波将耦合进入接收漏缆，并在接收漏缆内分别向端口3和端口4传播，这两个端口的电磁场将是接收漏缆内N组缝隙耦合电磁场的和．

2　仿真与实验

仿真与实验研究中，采用了单八字槽缝隙的漏泄同轴电缆．漏缆特性阻抗标称值为 50 Ω，外导体内直径为 42 mm，内导体直径为 17.3 mm，绝缘介质εr= 1.27，损耗角正切 tang= 1.7× 10-5．

2.1　缝隙物理尺寸对LCX传输损耗及耦合损耗的影响

八字槽缝隙的物理尺寸包括缝隙长度l、宽度w和倾角α．由于缝隙宽度w对漏缆外导体面电流截断的影响并不明显，所以仿真仅考虑缝隙长度和倾角对漏缆电气特性的影响．

选取缝隙宽度w=4 mm，节距P=1 000 mm．人体目标对 30～ 300 MHz 频段内的雷达信号具有最佳响应，可避免小动物之类的因素产生虚假警报，取频点f= 40 MHz[16]．

图4表示不同倾角α、缝隙长度l的八字槽缝隙漏缆的传输损耗特性．

仿真结果表明，倾角α不变时，传输损耗随着缝隙长度l的增大而增加;缝隙长度l不变时，传输损耗随着倾角α的增大而增加．电磁波通过LCX外导体上的缝隙向外耦合，缝隙长度l增大将会导致缝隙上位移电流分布的范围变大，位移电流是建立LCX外部电磁场的源，因此漏缆辐射增加，从而导致传输损耗增大．倾角α越大，被截断的位移电流辐射效果越强，这样会引起辐射增加，传输损耗增大．

图4 不同倾角α、缝隙长度l的传输损耗图5 不同缝隙长度、倾斜角度的耦合损耗

为了分析LCX接收电磁波的能力，进行了漏缆的耦合损耗仿真分析．仿真通过一个谐振频率为 40 MHz 的标准偶极子天线，来评测电磁波耦合效果．图5是不同倾角α、缝隙长度l耦合损耗的仿真结果．

图5中选取缝隙倾角α在10°～70°间变化，缝隙长l的调节范围为 30～ 90 mm．由图可以看出，倾角α不变的情况下，随着缝隙长l的增加，耦合损耗逐渐减小．这表明缝隙长度l越大，漏缆辐射的电磁波能量越多，偶极子天线接收到的电磁波能量也越多; 由图5也可以看出，缝隙长度l不变的情况下，倾角α越大，耦合损耗越小，缝隙长度l引起耦合损耗的变化越显著．

2.2　LCX耦合损耗的仿真与实测结果

委托项目合作单位研制了几根型号为 HLRHTCYZ-50-42L 的漏泄同轴电缆，长度为 53 m．漏缆外导体内直径D= 42 mm，内导体直径d= 17.3 mm，绝缘介质相对介电常数εr= 1.27，损耗角正切 tang= 1.7× 10-5．漏缆为单八字槽周期缝隙，缝隙长度l= 120 mm，缝隙宽度w= 4 mm，倾角α= 45°，节距P= 1 000 mm．利用标准漏缆性能测试平台，对研制漏泄同轴电缆进行了性能测试．漏缆特性阻抗的实测结果为 50 Ω，仿真值为 48.2 Ω，满足 50±2 Ω 的国家标准; 实测传输损耗为 0.44 dB/ 100 m，仿真传输损耗为 0.499 dB/ 100 m．

漏缆电气性能的重要指标之一为耦合损耗．依据国家标准，设置标准偶极子天线与LCX水平、垂直和周向构成3种取向方式，分别进行耦合损耗的实测．实测中考虑到漏缆两端电场分布的不均匀性，仅选取漏缆中间 33 m 的长度进行取样测试，背景噪音小于 -95 dBm．

图6(a)为水平方向耦合损耗实测值与仿真值; 图6(b)为垂直方向耦合损耗实测值与仿真值．可以看出，仿真值和实测值基本吻合．沿漏缆轴向耦合损耗变化规律一致，且水平方向的耦合损耗略优于垂直方向的耦合损耗．表明偶极子水平放置时，极化匹配较为理想，接收的电磁波能量更多．表1给出了偶极子3种取向方式下，LCX耦合损耗仿真值与实测值的结果对比．

图6　耦合损耗实测值与仿真值

偶极子天线放置方式Lc仿真结果/dBLc实测结果/dB差值/dB水平58.362.64.3垂直66.964.32.6周向51.063.012.0

受测量条件的限制，偶极子天线进行周向取向方式的测量过程中，仅采用了 2 m 长的LCX，原因是为了减轻旋转LCX的工作难度．从表1可以看出，周向取向方式的仿真结果优于实测结果，这是因为仿真模型的漏缆长度为 53 m，其长度远长于实测漏缆长度，仿真模型的空间电磁场叠加效应更强．

2.3　电磁耦合传感器DLCXS仿真分析

为了验证上述电磁耦合传感器DLCXS的理论构建方法，选取两根上述型号的LCX．两根LCX的缝隙正对放置，缆间距 3 m，建立如图7(a)所示的仿真模型．模型中一根LCX用于发射信号，另一根LCX用于接收信号，从而构建一个DLCXS电磁耦合传感器．端口1设置为信号发射端并接入波端口，端口2～端口4设置为波端口匹配状态．采用高频结构仿真(High Frequency Structure Simulation，HFSS)分析软件，进行4端口网络仿真分析，不同长度、不同缆间距的DLCXS电磁耦合传感器的端口耦合结果S13和S14的变化曲线如图7所示．

图7　接收端口耦合特性

图7(a)的电磁场耦合特性表明，当DLCXS轴向长度大于 45 m 时，端口3和端口4的耦合参数趋于稳定，端口3的耦合量小于端口4的耦合量，可满足模型仿真精度所需的最小轴向长度．其端口3或者端口4可以作为信号接收端口，连接接收机处理和显示接收信号．从图7(b)可以看出，缆间距越大，接收发射LCX耦合强度越弱．可以根据DLCX实际敷设环境，选择合适的缆间距，达到最佳周界入侵探测效果．

3　结 束 语

为满足重要设施、区域和国界遭受恐怖威胁等因素的安全警戒现实需求，笔者借助阵列天线原理进行理论分析，并运用HFSS仿真分析端口传输特性，提出了一种新型的基于双根LCX构建的电磁耦合传感器．依据国家标准选取HLRHTCYZ-50-42L型号的单根LCX，工作频率为 40 MHz，进行电气性能仿真分析和优化．结果表明: 缝隙l越长，传输损耗越大而耦合损耗越小; 倾角α越大，传输损耗越大而耦合损耗越小．偶极子天线水平放置方式的耦合损耗实测值为 62.6 dB，仿真值为 58.3 dB，这两个结果均优于偶极子天线垂直放置方式的结果，呈现出耦合能量的最佳接收方式．单根LCX电气性能实测和仿真结果吻合良好．这些研究结果为周界入侵探测系统的设计和实现提供了重要参考．

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