新型分布式传感器漏泄同轴电缆应用研究

韩 臣，袁明辉，王文勇

（上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093）

0 引言

耦合型漏泄同轴电缆又称表面波型漏泄同轴电缆（Leaky Coaxial Cable），简称漏缆。外导体轧纹、纹上铣孔电缆是典型的耦合型漏泄同轴电缆，其外导体上开槽孔间距远小于工作波长，电磁场通过小孔衍射，激发漏缆外导体外部电磁场［1］。因此外导体表面有电流，存在电磁辐射，电磁能量以同心圆的方式扩散在电缆周围［2］。漏缆常被用于安防领域，以若干根平行铺设的漏缆作为前端分布式传感器，利用漏缆的耦合特性探测室内沿线电磁扰动，从而实现检测入侵者的功能［3］。

20 世纪70 年代漏缆探测技术应用于室外周界入侵检测，随着技术的发展，近年来也应用于检测有无人体入侵的室内分布式传感器等方面［4-5］。目前国内漏缆周界入侵探测系统基本仍停留在探测有无入侵的功能上，少数产品具有定位功能，但定位精度不高。如王明吉等［6］构建了单主机多域周界入侵探测系统，定位精度为20m；乔宏章等［7］研制的FT-100 型辐射电缆周界防越探测设备的定位精度理论上为9.7m。国内多位学者［8-9］针对泄漏同轴电缆自身辐射特性进行了研究，但这些研究主要集中于如何扩展单模传输频带，以及MIMO 技术在无线通信领域中的漏缆应用途径。该技术应用于室内安防时，由于室内空间相对狭小，电磁波有效作用距离只在漏缆附近1～2m 范围内，这意味着漏缆应用于入侵检测传感器时，仅包含一个有限距离的检测区域，对室内无线电空间秩序并不构成强干扰。然而现有市场上的室内安防产品，特别是防盗报警产品存在两个主要问题，导致误报率与漏报率较高：一是相邻房间或者隔壁容易误触发；二是忽略了在墙壁直角拐弯处的影响分析［10-13］。

本文对槽口几何结构和间距进行优化设计，使漏缆近场辐射前瓣满足探测角度要求，且后瓣远小于前瓣，这样当隔壁房间或临近住宅有人靠近时，不会导致误报；对墙壁拐弯处的槽口间距进行封套，衍射出的前瓣拥有足够大的发散角度和前瓣增益，满足无盲区覆盖的要求［14-15］；最终通过改变漏缆辐射模式，实现报警探测。

1 漏缆结构

漏缆是一种外导体上有周期性槽的漏波导，通常由5部分组成，如图1 所示。在模拟中，内外导体可看作是理想导体，而位于内外导体之间的介电层相对介电常大于1，它可决定波在LCX 中的传播常数。外护套通常由聚乙烯制成，对辐射和传输性能影响不大，但能保护电缆不受物理损伤和化学腐蚀［16-17］。本文进行模拟简化，即假设外导体是一个无限薄的圆柱形表面，忽略外护套，假设介电层材料无损。已有研究证实这些简化对模拟结果没有显著影响，可满足标准要求，适用于室内安防应用［18-20］。

Fig.1 Model of leaky cable structure图1 漏缆结构模型

2 漏缆辐射场模型及理论

漏缆沿着外部导体周期性或非周期性配置一定形状的槽孔，沿着漏缆轴向的每一个槽孔都是一个电磁辐射源，电信号在该电缆中传输时，能把电磁能量的一小部分按要求从槽孔以电磁波的形式沿线辐射到周围外部空间。由于槽孔间距L 远小于传输的电磁波波长，因此漏缆产生电磁辐射近似可以看作是小孔衍射，如图2 所示。根据小孔衍射原理，通过小孔辐射出去的电磁能量随着径向距离的增加而快速减小，小孔辐射出去的电磁波在垂直方向上为0 级衍射，信号最强。在两边对称的角度上依次出现信号逐次递减的第2、3 衍射级，类似于主瓣和旁瓣结构。同一根漏缆上相邻槽孔及相邻漏缆对应位置的槽孔衍射波互相耦合，如图3 所示。

Fig.2 Small hole diffraction图2 小孔衍射

Fig.3 Diffraction wave coupling of adjacent slot holes图3 相邻槽孔衍射波耦合

两根相邻漏缆通过小孔衍射出的电磁波在漏缆周围耦合形成辐射场。以单个槽孔为例，1 个平行极化的平面波以θ1为入射角入射，假设平面波为，其中ψ0为原点处的ψ值，可得到空间屏右边远处任意点r 处的场。

当平面波垂直入射时，令θ1=0、θ2=θ、k2=k，且设电场在y方向，则可得到上半空间任意点的电场。

每个槽孔通过小孔衍射辐射出的电磁波场强E 在周围空间任意一点P 处进行叠加，叠加使槽孔正面方向电场辐射强度大于背面电场强度。

同时由于漏缆外部对外辐射微弱电磁场，作用距离较短（1～2m）。当人靠近漏缆时，由于人体是导体，与辐射电磁波相互作用，在漏缆中产生较强回波。通过探测这个回波信号，可得知入侵者位置并报警。漏缆槽口辐射电磁波相互耦合，当人体靠近时能在最近的全部漏缆中同一位置同时产生较强回波；而小动物身高较低，只能在底层若干根（如1～2 根）漏缆中产生较强回波。通过这个原理即可区分入侵的人和小动物，避免因小动物（宠物和老鼠等）造成误报，如图4 所示。

Fig.4 Leakage cable detection model图4 漏缆探测模型

3 仿真与分析

3.1 槽口改进设计

根据标准，其特性阻抗为50Ω，绝缘外径b 为22mm，采用物理发泡聚乙烯为绝缘介质，相对介电常数εr为1.21，相对等效损耗角正切值为2×10-5。本文选用外径a 为9mm 的光滑铜管作为漏缆内导体，外导体c 为皱纹铜管，其波峰外径和波谷外径分别为24.9mm、21.6mm，外导体厚度为0.22mm，皱纹节距为7mm。漏缆模型参数如下：内导体a 为外径9mm 的光滑铜管，管壁厚度为0.5mm；绝缘介电层b 为外径22mm 的物理发泡聚乙烯，相对介电常数ε_r 为1.2；外导体c 为厚度0.22mm 的环形皱纹铜管，波峰和波谷的外径分别为24.9mm、21.6mm。槽口w 为5mm，S1、S2 分别为8mm、30mm，detla 与开槽角度相关，L、P 分别为单位间距与周期。

Fig.5 Notch design图5 槽口设计

由于外导体是皱纹铜管，为对其电气特性进行研究和仿真分析，将皱纹外导体等效成光滑铜管，即根据皱纹管波峰、波谷外径及厚度，给出其等效的外导体内径。设皱纹外导体波峰和波谷外径分别为DH和DL，外导体厚度为t，给出用于外导体等效的方法：

外导体平均内径D1：

将外导体波峰、波谷外径代入式（3）得D1=22.81mm。

为计算漏缆特性阻抗，需知晓等效介电常数εr，由于等效外导体和绝缘介质层之间有空气层，εr不再是绝缘介质的等效介电常数，而是绝缘介质层和空气层组成的同轴组合绝缘层等效介电常数。设绝缘介质与空气的相对等效介电常数为ε1和ε2，则该组合绝缘层等效介电常数可由式（4）计算得来。

其中，D、d和D'分别表示漏泄同轴电缆的外导体内径、内导体外径和绝缘外径。将各参数代入式（4）中，得到此时等效介电常数εr=2.0，特性阻抗Z0=50.9Ω，满足标准要求的50 ± 2Ω。

3.2 分析与优化

3.2.1 室内安防所用泄漏同轴电缆辐射特性

根据漏缆电磁传输特性与室内环境约束，通过初始建模分析埋墙漏缆辐射特性，优化目标。

（1）漏缆近场辐射前瓣辐射角满足探测角度要求，且后瓣远小于前瓣，保证泄漏电缆埋入墙体后，在同层隔壁房间（相邻的邻居房间）挨着墙体走动时与漏缆辐射电磁波相互作用，不会发生误触发。

（2）设计漏缆模型。利用双根漏缆同时探测的原理，通过优化θ3dB角度实现覆盖安防角度，当入侵者进入两根电缆形成的感应区时，这部分角度中的电磁能量被扰动，引起接收信号变化，该变化被放大处理后被检测出来，经后端处理可用于区分入侵者是人或小动物，减小误报率。

（3）考虑漏缆前后瓣抑制比对楼层间相互干扰的影响，前后瓣抑制比分别指在漏缆衍射方向图中主瓣方向与后瓣方向信号辐射强度之比、后向180°±30°度以内的副瓣电平与最大波束之差。优化后漏缆方向图前后瓣抑制比越大，辐射角后向辐射越小。上下两层房间有人走动时引起的电磁场扰动不足以触发报警。

模型1：固定槽口类型为横向F 型，槽口间距L：75mm，漏缆间距D：150mm，角度δ：125°。首先模拟该几何模型在6 种不同工作频率下槽口的二维辐射方向，如图6 所示。

漏缆外导体上槽口交错排列，从槽口泄漏出的电磁波相互作用，图6（a）前瓣探测要求无法达到180°且辐射范围较小。这种开槽结构仅适应于较薄的墙体且后瓣足够小的情况，人在墙体较薄的隔壁房间挨着墙体走动可避免误报警。图6（c）-（f）在该频率下其旁瓣较多，不利于抑制相邻房间或上下楼层间因电磁波产生的相互扰动。综上所述，本文选择150Mhz 作为模型工作频率，在该几何模型下，电磁能量以前半圆较大的方式扩散在电缆周围，从辐射方向图中可看出：前瓣很大但后瓣几乎没有，且前瓣满足270°的探测要求，辐射范围大，说明该工作频率下槽口结构适应于较厚的墙体与探测角度较大的场景（如柱形结构外角或墙角处的安防），从而达到室内安防效果。

Fig.6 Two-dimensional radiation directions of six operating frequencies based on HFSS图6 基于HFSS 的6 种工作频率的二维辐射方向

在该模型下，拟合前瓣发散角和前后瓣抑制比随开槽角度变化的曲线如图7 所示，可以看出，当开槽角度δ=125°时，前瓣发散角θ3dB达到峰值，但在漏缆应用于室内安防中时远远不够，θ3dB过小会让漏缆作用距离更远、方向性更好，但本文研究对象是室内安防系统，其方向性朝向房间外侧已固定，作用距离在靠近房间时1～3m 时触发报警即可，所以工程中需考虑因覆盖角度不全引起的定位不够准确、从而导致衍生错报的问题。

开槽模型需在防护的房间内具有较大的辐射功率。基于智能家居防盗报警的特点可知，前后瓣抑制较大时，隔壁和上下两层房间有人走动引起的电磁场扰动不足以触发报警，因此该模型在室内安防应用中具有可操作性。

Fig.7 Influence of slotting angle on radiation performance图7 开槽角对辐射性能的影响

模型2：固定槽口类型为横向F型，选取上述模型在峰值附近的3种开槽角度：detla(δ)=110°,detla(δ)=125°,detla(δ)=140°，同时设起始槽口间距L 为75mm，单位叠加槽口间距为25mm，用HFSS 建立模型进行对比。拟合前瓣发散角θ3dB与其前后瓣抑制比随槽口角度和间距的变化曲线，如图8 所示。

可以看出当槽口间距L=100mm，开槽角度detla(δ)=125°时，前瓣发散角和前后瓣抑制比同时达到最大。由于槽口角度的改变会导致其几何参数的改变，在仿真过程中可以得出，当槽口宽度小于内导体圆周长的1/4(δ=110°)时，前瓣发散角达不到最优峰值；当槽口宽度大于内导体圆周长的1/3(δ=140°)时，后瓣大小与前瓣相当，即前后瓣抑制比较差，不适用于楼层间分布式安防传感器的场景。为使辐射方向图的后瓣远小于前瓣，同时其前后瓣抑制比达到最高，槽口宽度应介于内导体圆周长的1/4-1/3 之间，即开槽角δ=125°，最优槽口间距为100mm。

3.2.2 墙壁直角拐弯处的影响分析

在直角拐弯处，埋墙的漏缆所弯曲的角度必定接近90°，发生形变，引起此处漏缆辐射特性发生变化，有可能造成在直角拐弯处定位不准确、误差大，甚至造成误报漏报。因此需建立模型，分析直角拐弯处附近的辐射情况，并测试检测近似直角弯曲后泄漏同轴电缆的全辐射角与前瓣增益情况，优化消除或减弱直角拐弯对漏缆传输和辐射的不利影响（见图9）。

Fig.8 Influence of slot spacing L on radiation performance图8 槽孔间距L 对辐射性能的影响

Fig.9 Drain cable corner model based on HFSS图9 基于HFSS 的漏缆拐角处模型

模型3：固定槽口类型为横向F 型，采用上述模型优化的几何参数，选取开槽角度δ=125°。同时设起始两根漏缆间距D 与漏缆开槽间隔L 的比值为0.5；0.25 为单位叠加该比值，通过这两个参数的比值判断对辐射性能的影响。首先利用HFSS 绘制D/L=0.75 时三维辐射方向图（见图10）。

从图11 可以看出，当D/L 值为0.75 时，此处槽口几何参数为δ=125°，间隔L=200mm，漏缆间距D=150mm，前瓣增益可达6.028 6dB，漏缆把输入功率集中辐射在墙角；由图12 可看出在该模型下辐射角度峰值可达295°，这种结构的开槽可使得漏缆辐射角度在拐角处足够大，不会使其产生盲区，避免漏报，适应于90°墙角外侧探测。同时考虑相邻几个开槽口场强叠加，通过计算引起的漏缆电压驻波比稳定在1.002，说明在拐角处优化的槽口间距和几何参数不会造成辐射增大或减小，不会影响检测门限，造成误报错报，影响拐弯处定位精度和准确度，同时降低了后端信号处理难度。

Fig.10 3D radiation direction based on HFSS simulation图10 基于HFSS 模拟的三维辐射方向

Fig.11 Influence of leakage cable spacing on radiation performance图11 漏缆间距对辐射性能的影响

Fig.12 Influence of notch spacing ratio on radiation performance图12 槽口间隔比值对辐射性能的影响

实际生产中，通过模具铣孔得到，F 形槽孔此时槽孔角度和间隔不能调节。经该模型优化后，槽口间隔200mm，这是紧贴墙壁中的漏缆模型的整数倍。所以在拐角处易于封装，使加工过程中重新开模的问题得到简化。

4 结语

本文根据漏缆电磁传输特性与室内环境约束条件，通过优化槽口几何参数，降低对前瓣发散角和前后瓣抑制比的影响，避免了相邻房间和上下楼层走动时引起的误触发。通过对拐角处建模和数值拟合，可知在需要防护的房间内具有较大的前瓣增益和全辐射角。本文计算结果为漏缆作为分布式传感器应用于室内安防入侵报警提供了理论依据。未来可针对漏缆信号处理系统中辐射干扰的影响进行深入研究，以扩展安防漏缆适用范围。