一种新型缝隙同轴电缆的仿真设计

陈佳星 肖高标

摘  要：文章介绍一种工作在2.4GHz频率的新型缝隙同轴电缆，其特点是频带较宽，辐射场分布较均匀，可以应用在某些特定场合，例如相控阵失效单元监测和射频标签（RFID）读取。缝隙结构是蝴蝶结型，容易优化。仿真结果表明，该缝隙同轴电缆在2.4GHz处的频带宽度约500MHz。

关键词：缝隙同轴电缆;近场辐射;HFSS仿真

中图分类号：TM248+.3 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）06-0107-02

缝隙同轴电缆广泛使用在高铁、隧道、室内通信等环境下无线通信系统中[1]。其特点是电磁波沿着电缆传播的同时，可以漏泄部分电磁波出来，具有收发天线的功能。缝隙同轴电缆外导体上不同缝隙结构的辐射特性差别很大，因此，近年来出现了多种新型缝隙结构。

文献[2]提出一种UHF波段同轴缝隙天线，主要应用于近场RFID系统。通过在外导体上开周期性的三角形和波浪形缝隙，使得这种结构的近场耦合大大提高，可以在一定范围内有效地识别无源RFID标签。缝隙同轴结构应用于相控阵失效单元监测由文献[3]提出，在相控阵附近放置缝隙同轴电缆作为接收天线，代替远场监测的方案。本文在上述两种应用场景下提出了一种新型缝隙同轴结构，通过几种简单缝隙结构的组合，使得该缝隙同轴电缆的设计灵活性大大提高。与此同时，该缝隙结构还具有工作频带较宽，辐射较均匀的特点。

1 缝隙电缆结构

本文设计的缝隙结构为蝴蝶结型，结构图如图1所示。同轴线一端短路，一端为波端口，缝隙开在外导体。为了模拟天线与辐射源的近场耦合特性，在离天线一定距离处（近场范围内）添加了一个电小尺寸领带结天线。

缝隙同轴电缆外导体上的缝隙结构有许多种，比如垂直缝隙、八字形缝隙，还有三角缝隙。而这些单一性缝隙结构的缺点就是可调节参数少，灵活性较差。因此我们通过组合几种简单缝隙结构的方式设计新型缝隙结构，增加优化设计的灵活性。

蝴蝶结型缝隙的结构如图2所示，该缝隙结构可以看作是八字形与垂直缝隙的组合。蝴蝶结型缝隙结构主要由以下几个参数决定。缝隙的宽度w1，缝隙间距w2，垂直缝隙的高度为2wz，缝隙关于xoy面对称，缝隙的形状还与两个夹角有关，分别是α和β角。在本文中，缝隙同轴电缆的内导体半径和外导体内半径分别是a=4.9mm和b=12.5mm，外导体的厚度为1mm，电缆中绝缘介质的相对介电常数εr=1.4。中心工作频率设为2.4GHz，工作波长为125mm。缝隙结构尺寸见表1。

表1 缝隙同轴电缆中缝隙参数值

2 缝隙同轴结构仿真与优化

本文采用商用仿真软件HFSS，依据上述参数建立仿真模型，工作频率设为2.4GHz，同时在距离电缆一定距离处放置一个电小尺寸领带结天线作为接收天线。整个模型可以看作一个两端口网络，缝隙同轴电缆的一端作為输入端，设置为端口1，另一端设置为短路。边缘缝隙距离短路端口为λ/4。领带结天线设置为端口2。dx为领带结天线沿着缝隙同轴电缆一端（端口1）到另一端（短路端）缝隙同轴电缆的回波损耗（匹配特性）、耦合损耗可以由|S11|、|S21|来分别表示。

本文采用商用仿真软件HFSS，依据上述参数建立仿真模型。同时在距离电缆一定距离处放置一个电小尺寸领带结天线作为接收天线。整个模型可以看作一个两端口网络，缝隙同轴电缆的一端作为输入端，设置为端口1，另一端设置为短路。边缘缝隙距离短路端口为λ/4。领带结天线设置为端口2。dx为领带结天线沿着缝隙同轴电缆一端（端口1）到另一端（短路端）缝隙同轴电缆的反射系数可以由

|S11|表示，与领带结天线之间的电磁耦合强度可以由|S21|表示。

优化前后的缝隙结构参数如表1所示，优化后的S参数如图3所示。由图3（a）可知，优化后的缝隙电缆在2.4GHz左右具有约为500MHz的-10dB带宽。在图3（b）中，优化后耦合强度有所增加。虽然单个缝隙辐射有较强的方向性，其监测范围较窄，但多个缝隙的辐射场叠加覆盖，可以有效地使辐射场沿电缆方向扩展，使同轴电缆的监测范围大幅度增加，而且辐射场强比较均匀，可用于相控阵单元监测，以及较宽范围内分布的射频标签的读取识别。

3 结束语

本文提出了一种工作在2.4GHz处新型缝隙同轴结构，通过优化缝隙参数，得到了一种匹配特性良好并且辐射较均匀的缝隙同轴结构，可以有效地扩展缝隙同轴电缆的电磁耦合范围。

参考文献：

[1]Xiao-Dong Yang， Yan-Fei Jia， Hai-Yu Chi. Research on the resonance points of leaky coaxial cable for mobile communication[C]. International Conference on Wireless Communications Networking and Mobile Computing， 2007：1008-1011.

[2]J. Jiang， L. Wang and G. Wang. Leaky coaxial cable for near-field UHF RFID applications[C]. 2017 Sixth Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation （APCAP）.Xi'an， 2017：1-3.

[3]L. Infante， S. Danilo Quintili and C. Romanucci. A real-time diagnostic tool for phased array antenna systems[C]. 2013 IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology. Waltham， MA， 2013：725-730.

[4]王均宏，简水生.漏泄同轴电缆辐射模式分析及高次模抑制[J].通信学报，2000（12）：17-22.