近场环境下漏泄同轴电缆辐射特性研究*

罗 康 孟 进 葛松虎 刘宏波

（海军工程大学舰船综合电力国防科技重点实验室 武汉 430033）

1 引言

漏泄同轴电缆（Leaky Coaxial Cable），简称漏缆，沿着同轴电缆的外部导体周期性或非周期性配置开槽口，将无线电信号传输、发射和接收等多种功能融为一体［1～2］。漏缆具有信号覆盖均匀、衰减较小、耦合系数较高、无盲区、电磁环境污染较少、容易实现等特点，广泛应用于闭域、半闭域空间等信号难以到达的地方，主要应用场景有区域监护系统和移动通信系统。近年来，漏缆的研究逐渐向高频段拓展。如数值理论研究［3］，Terence Quinlan 研究了60GHz漏缆［4］；Masayuki Nakamura研究了应用距 离 长 达300m 的2.4GHz 频 带 的 漏 缆［5］，以 及2.4GHz 和5GHz 双频带的细直径漏缆［6］；Yafei Hou等利用不同漏缆各自的辐射特性和改用漏缆两端作为信号输入的方式将漏缆应用于MIMO（2.4GHz和5GHz）无线通信系统［7］；Kenji Inomata 对漏缆探测区域传来的信号进行模式分析从而实现是否有人侵入的探测［18］。

国内方面，二十三研究所从20 世纪70 年代开始已经研制，工作频率大部分仅限于150MHz、450MHz。国内漏泄电缆企业逐年增加，但成熟漏缆产品的有效工作频率基本不超过3GHz。中天科技集团研制了多种宽带、不同用途的漏缆，大量应用在地铁隧道、地下建筑、列车控制等领域。另外，还有大唐电信、河南焦作电缆厂、珠海汉胜、西电集团等。国内论文方面，王均宏用时域有限差分法，从理论上分析了漏缆在自由空间的辐射分布［9］；舒琳研究了隧道等闭域空间中漏缆电场分布［10］；上海大学Yiming Wu 研究了MIMO（1.8GHz）技术在漏缆中应用［11］。

然而，准近场环境下的漏缆特性研究还未见公开报道，主要原因是存在强互耦、多径串扰等问题。近场环境下，接收天线（漏缆）会把接收到的一部分能量散射到发射天线（漏缆）处，发射天线（漏缆）再把此散射能量的一部分二次辐射到接收天线（漏缆）处，从而产生互耦现象［12］。本文重点研究准近场环境下漏缆多径效应、耦合度动态范围和时延功率谱等，为漏缆在近场环境下无线信号覆盖提供仿真和实验依据，特别是为通信系统自控增益控制范围提供设计参考。

2 自由空间仿真分析

采用CST软件，针对漏缆在自由空间和模拟环境中，选择天线沿漏缆运动时的四种（天线在初始位置附近且沿水平方向运动、天线在初始位置附近且沿垂直方向运动、天线在水平方向运动过程中、天线在垂直方向运动过程中）典型工况，分析收发天线、漏缆在复杂安装环境下的性能。在测试中，采用矢量网络分析仪测试漏缆和天线系统的S11、S21和S22等。漏缆采用卫晶等分析的八字形漏缆［13］（中心频率调整为5.3GHz）。

图1（a）为自由空间仿真模型，漏缆长度为2m，漏缆两端分别设为端口2 和端口3，在距离漏缆一定距离处平行放置收发天线，并设置为端口1。在该初始条件下考察自由空间耦合特性。

图1（b）为天线在漏缆前端时端口之间的信号传输特性。可以看出，在5.1GHz～5.5GHz 的工作频率范围内：天线端口反射系数S11小于-10dB，说明天线阻抗匹配性能良好，能够保证信号发射效率；传输损耗S23≈0，说明漏缆传输衰减很小；漏缆端口反射系数S22≈S33且小于-30dB，说明漏缆端口反射较小，保证了漏缆的发射和接收效率。

图1 自由空间仿真结果，tx：垂直方向，ty：水平方向（单位：mm）

图1（c）仿真分析天线在初始位置附近沿水平方向运动时（0～30mm）的典型工况，天线与漏缆间耦合度S12在-48dB～-41dB 的范围内随频率的增大线性增大，在不同位置耦合特性类似，说明该工况下漏缆传输多径效应不明显。

图1（d）仿真分析天线沿漏缆水平方向运动过程中（500mm～530mm）的典型工况，S12在-48.5dB～-43dB 的范围内随频率的增大线性增大，且不同位置耦合特性类似。图1（c）与图1（d）曲线比较接近，说明天线沿漏缆水平方向运动时，其耦合度比较均匀。

图1（e）仿真分析天线沿漏缆垂直方向运动过程中（500mm～530mm）的典型工况，S12在-102dB～-95dB 的范围内随频率的增大线性增大，说明此工况下多径效应不明显。

综上，可以看出漏缆在自由空间下传输时多径效应并不明显（耦合度最大动态范围不超过7dB），实际测试中的多径不是由漏缆特性引起的。

3 模拟环境仿真分析

图2（a）为简化的模拟环境仿真模型，端口设置、仿真工况与自由空间情况下保持一致。

图2（b）为漏缆、天线在初始位置时端口性能，在5.1GHz～5.5GHz 的频段范围内，S11、S23、S22、S33与自由空间仿真情况基本一致，说明模拟环境对天线、漏缆端口性能影响较小。

图2（c）仿真分析天线在初始位置附近沿水平方向运动时（0-30mm）的典型工况，低频段（5.1GHz～5.2GHz，可用于通信上行频段），S12在-46dB～-75dB 的范围内变化剧烈，动态范围为29dB；而在高频段（5.4GHz～5.5GHz，可用于通信下行频段），S12在-50dB～-58dB缓慢变化，说明低频段多径效应更为明显。与此同时，随着天线移动，信道衰落频点逐渐发生偏移，即任何一个频点都受多径效应影响，可能处于深度衰落状态。

图2（d）仿真分析天线在初始位置附近沿垂直方向运动时（50mm～80mm）的典型工况，随着天线沿垂直方向逐渐远离漏缆，两者之间的多次反射路径逐渐增多，从而导致多径效应逐渐明显。

图2（e）仿真分析天线沿漏缆水平方向运动过程中（500mm～530mm）典型工况，现象与图2（c）一致，即天线沿漏缆水平方向运动时，其多径效应现象类似。

图2（f）仿真分析天线沿漏缆垂直方向运动过程中（500～530mmmm）典型工况，S12在-50dB～-84dB的之间随频率周期性缓慢波动，多径效应仍然明显，动态范围为34dB。

图2 模拟环境仿真结果

4 测试分析

漏缆、天线布局如图3（a）所示，与图2 模拟环境仿真结果相吻合，主要结论总结如下。

1）如图3（b）所示，天线、漏缆端口反射系数分别在-10dB、-13dB以下，满足设计要求。

2）如图3（c）所示，天线初始位置附近沿水平方向 运 动 运 动 时（0～30mm），低 频 段（5.1GHz～5.2GHz）耦合度在-42dB～-68dB 范围内波动，动态范围为26dB，多径效应明显。高频段（5.4GHz～5.5GHz）耦合度在-41dB～-57dB 范围内波动，动态范围为16dB，多径效应相对低频段较弱，和仿真情况基本一致。

3）如图3（d）所示，天线初始位置附近沿垂直方向运动运动时（50mm～80mm），随着天线逐渐远离漏缆，两者之间的多次反射路径逐渐增多，多径效应逐渐变得明显，和仿真情况基本一致。

4）如图3（e）所示，天线沿漏缆水平方向运动过程中（500mm～530mm）典型工况下，现象与图3（c）基本一致。

5）如图3（f）所示，天线沿漏缆垂直方向运动过程中（500mm～530mm）典型工况下，整个工作频段范围内，耦合度在-52dB～-92dB 范围内剧烈波动，动态范围为40dB，多径效应明显。

因此，整个测试结果和仿真结果在各种工况下基本一致，从而验证了仿真结果的有效性。

图3 实际环境测试结果

5 时延功率谱

图4 时延功率谱

如图4 所示，最先到达的直射分量，随后到达的是空间散射分量（由于近场环境较为复杂，测试漏泄同轴电缆长度约50m）。尽管多径效应较为明显，但空间散射分量功率相对较低，可实现良好的无线信号覆盖。

6 结语

文章采用自由空间和模拟环境全波仿真对比分析，并通过测试，验证了近场环境下多径效应主要是由复杂传输条件导致，而不是由漏缆特性引起的。收发天线距离漏缆越远则多径效应越明显，耦合度动态范围最高达到40dB，即通信系统自动增益控制范围至少应覆盖该指标。