CN101982786A - 漏泄同轴电缆的仿真装置及其仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种漏泄同轴电缆的仿真装置，包括输入模块、计算模块、控制模块和输出模块；漏泄同轴电缆的仿真方法如下：输入漏泄同轴电缆槽孔的各项参数数据，建立三维仿真模型，建立半波偶极子天线的模型，在漏泄同轴电缆模型左右两端各设置一个端口，天线处设置端口，进行仿真边界的设置，提取采样点，计算采样点，将计算结果与预设值进行比较，输出计算结果，并绘制出相应的图形。本发明具有操作方便、省时省力、研发效率高的优点。

Description

漏泄同轴电缆的仿真装置及其仿真方法

技术领域

本发明涉及一种漏泄同轴电缆的仿真装置及其仿真方法。

背景技术

漏泄同轴电缆是既有传输线的传输特性又有天线辐射特性的一种同轴电缆，适用于地铁、隧道、建筑物内部结构狭长的特别区域等环境。漏泄同轴电缆的主要技术为外导体的槽孔技术，漏泄同轴电缆的辐射特性主要由这些槽孔的大小、形状、以及排列方式决定。各生产厂家的槽孔技术不同，但达到的效果基本是一致的。因此，在进行槽孔设计的时候，需要考虑的两个重要参数是电缆的使用频带和泄漏的电磁场能量。漏泄同轴电缆的使用频带与电缆外导体上的槽孔排列方式有关，而漏泄的电磁场能量在槽孔排列方式确定之后主要与槽孔的大小和形状有直接的关系，它们将影响漏泄同轴电缆的主要性能，例如传输衰减和耦合损耗。对漏泄同轴电缆的槽孔设计及优化是一个需要不断修改、调试的过程，传统的研发方法是设计出一个槽孔即做一次生产实验，如结果不理想，则修改槽孔后再做实验测试，如此反复，由于每次修改槽孔后都直接做生产实验，费用相当昂贵，对漏泄同轴电缆厂家来说，研发耗资巨大，且由于传统的研发过程缓慢，大大制约了漏泄同轴电缆产品的发展。

发明内容

本发明的目的是为了克服以上的不足，提供一种操作方便、省时省力、研发效率高的漏泄同轴电缆的仿真装置及其仿真方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种漏泄同轴电缆的仿真装置，包括输入模块，将漏泄同轴电缆的各参数输入输入模块，并根据输入的漏泄同轴电缆的各参数建立相应的漏泄同轴电缆仿真模型和天线仿真模型；计算模块，将仿真模型和用户希望得到的漏泄同轴电缆的性能参数导入计算模块，计算模块根据导入的数据，进行计算主体功能的设置和计算，其全部功能由设置模块和电磁计算模块完成，即设置模块用来对仿真模型进行端口和边界条件的设置，使模型满足仿真装置的计算要求，而电磁计算模块则利用电磁理论计算公式，完成漏泄同轴电缆各项指标的计算功能；控制模块，用来控制计算模块的计算过程和位置变量的范围，由过程控制模块和采样控制模块组成，其中过程控制模块用来控制计算模块中的各项设置项目，完成计算过程的控制，采样控制模块通过控制位置变量的变化范围，实现数值采样；输出模块，将计算模块得出的漏泄同轴电缆性能指标导入输出模块，输出模块通过计算机，绘制出相应的扫描采样曲线。

一种漏泄同轴电缆的仿真方法，具体步骤如下：

A、经过理论计算或经验得出漏泄同轴电缆槽孔的初始参数，将各参数数据和所需工作频率导入输入模块；

B、根据输入模块中的参数数据建立漏泄同轴电缆三维仿真模型，利用电磁仿真软件建立漏泄同轴电缆模型时，内导体、绝缘层和外导体可分别用圆柱或圆筒组成，绝缘层材料的介电常数和损耗角正切由绝缘层发泡度确定，外导体上的槽孔可利用电磁仿真软件中的布尔操作形成；

C、根据输入模块中的工作频率，在距漏泄同轴电缆2米处建立半波偶极子天线的模型，半波偶极子应正对漏泄同轴电缆槽孔，且与漏泄同轴电缆模型垂直正交，半波偶极子天线由两根导体组成，天线总长度为半个波长；

D、在漏泄同轴电缆模型左右两端各设置一个端口，分别为端口1和端口2，天线处设置端口3，以半波偶极子天线与漏泄同轴电缆阻抗相匹配来进行端口设置；

E、进行仿真边界的设置，对于具有天线特性的漏泄同轴电缆，应设置边界条件为辐射边界，利用电磁仿真软件时，仿真边界应与漏泄同轴电缆和天线模型相距的距离大于等于1/4个波长；

F、将表征半波偶极子位置的参量设为变量，通过控制位置变量的变化范围，可使偶极子天线沿漏泄同轴电缆方向移动进行结果扫描，扫描频率应满足每半个波长上至少有10个采样点，提取采样点，计算出采样点的50%的概率值和95%的概率值；

G、将计算结果与预设值进行比较，如果计算值的绝对值大于预设值，则应修改槽孔参数后，返回执行步骤F，如果计算值的绝对值小于预设值，则执行下一步，根据步骤F的计算结果，并结合八字槽孔各参数对漏泄同轴电缆辐射性能的影响，修改槽孔参数；

H、输出计算结果，并绘制出相应的图形。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明即针对传统漏缆槽孔设计方法的缺陷，借助电磁仿真软件，对漏缆槽孔先进行理论研究，通过修改优化，使优化后的耦合损耗值小于预设值，即筛选出理论上可行的槽孔参数，再进行生产实验，不仅能为漏缆的生产研发提供理论基础，还可以缩短研发过程，并大大节约了研发成本。

附图说明：

图1为本发明的模块框图；

图2为本发明的流程图。

具体实施方式：

    为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

如图1所示，本发明漏泄同轴电缆的仿真装置的一种具体实施方式，包括输入模块，将漏泄同轴电缆的各参数输入该模块，并根据输入的漏泄同轴电缆的模型参数建立相应的漏泄同轴电缆仿真模型和天线仿真模型，即建立与漏泄同轴电缆和天线的实际形状、材料等一致的三维模型，使各模型能最大限度的反映漏泄同轴电缆真实的性能。然后将仿真模型和用户希望得到的漏泄同轴电缆的性能参数导入计算模块，计算模块根据导入的数据，由其设置模块完成对仿真模型的端口和边界条件设置，使模型满足仿真装置的计算要求，而由电磁计算模块利用电磁理论计算公式，完成漏泄同轴电缆各项指标的计算功能。计算模块的计算过程和位置变量的范围均由控制模块来控制，该模块包括过程控制模块和采样控制模块，其中过程控制模块控制计算模块中的各项设置项目，完成计算过程的控制，使该平台可以按照用户的需求完成计算，而采样控制模块控制位置变量的变化范围，实现合理的数值采样。将计算模块得出的漏泄同轴电缆性能指标导入输出模块，输出模块通过计算机，如50%和95%耦合损耗值输出到计算机显示器上，并绘制出相应的扫描采样曲线。

一种漏泄同轴电缆的仿真方法，如图2所示，具体步骤如下：

A、经过理论计算或经验得出漏泄同轴电缆槽孔的初始参数，比如对于八字槽，就要得出其周期p、槽长l、槽宽w、倒角半径r及八字偏角θ，将各参数数据和所需工作频率导入输入模块；

B、根据输入模块中的参数数据建立漏泄同轴电缆三维仿真模型，利用电磁仿真软件建立漏泄同轴电缆模型时，电磁仿真软件可以为HFSS仿真软件，内导体、绝缘层和外导体可分别用圆柱或圆筒组成，其中内、外导体材料均为铜，绝缘层材料的介电常数和损耗角正切由绝缘层发泡度确定，如对于CO₂物理发泡，介电常数约为1.29±0.01，损耗角正切约为n×10^-5（n为小于10的正整数），外导体上的槽孔可利用电磁仿真软件中的布尔操作形成，仿真长度根据计算机内存大小确定，对于常用的2G内存的计算机，仿真长度约为2米左右，为增加计算精度，应增加计算机内存；

C、根据输入模块中的工作频率，在距漏缆2米处建立半波偶极子天线的模型，半波偶极子应正对漏缆槽孔，且与漏缆模型垂直正交。半波偶极子天线的作用是用来发射和接收固定频率的信号，虽然在平时的测量中都是用宽带天线，但在场地衰减和天线系数的测量中都需要使用偶极子天线。半波偶极子天线由两根导体组成，材料为PEC，每根为1/4波长，即天线总长度为半个波长，但由于仿真时会带来频率偏移现象，故应重新优化设计天线，使其工作频率接近仿真所需频率；

D、在漏缆模型左右两端各设置一个端口，分别为端口1和端口2，天线处设置端口3，端口设置应考虑阻抗匹配，当半波偶极子天线与漏缆阻抗相匹配时，传输就只有入射波而没有反射波，这样才能保证半波偶极子天线取得全部耦合功率，利用该发明计算仿真所得的耦合损耗也更接近实测值，设计研发的漏缆特性阻抗一般为50Ω，故半波偶极子天线端口也应设计为50Ω，以达到阻抗匹配；

E、进行仿真边界的设置，对于具有天线特性的漏泄同轴电缆，应设置边界条件为辐射边界，利用电磁仿真软件时，仿真边界应与漏泄同轴电缆和天线模型相距的距离大于等于1/4个波长；

F、将表征半波偶极子位置的参量设为变量，通过控制位置变量的变化范围，可使偶极子天线沿漏泄同轴电缆方向移动进行结果扫描，扫描频率应满足每半个波长上至少有10个采样点，提取采样点，计算出采样点的50%的概率值（即50%的采样点值小于该值）和95%的概率值（即95%的采样点值小于该值）；

G、将计算结果与预设值进行比较，如果计算值的绝对值大于预设值，则应修改槽孔参数后，返回执行第六步，如果计算值的绝对值小于预设值，则执行下一步。其中对槽孔参数进行修改时，可以利用HFSS仿真软件的参数优化功能，将某一参数设为优化对象，并设置一个目标函数或目标值，自动筛选出最优参数，这种方法优化速度较慢，考虑到计算机性能，每次一般只优化一个参数，忽略了不同参数之间的关系，且多数情况会优化失败，难以达到目标值。在此可根据上一步的计算结果，并结合八字槽孔各参数对漏缆辐射性能的影响，利用经验综合修改槽孔参数，这样具有针对性，可同时修改几个参数，优化速度快；

H、输出计算结果，并绘制出相应的图形。

本发明即针对传统漏缆槽孔设计方法的缺陷，借助电磁仿真软件，对漏缆槽孔先进行理论研究，通过修改优化，使优化后的耦合损耗值小于预设值，即筛选出理论上可行的槽孔参数，再进行生产实验，不仅能为漏缆的生产研发提供理论基础，还可以缩短研发过程，并大大节约了研发成本。

Claims (2)

1.一种漏泄同轴电缆的仿真装置，其特征在于：包括输入模块，将漏泄同轴电缆的各参数输入输入模块，并根据输入的漏泄同轴电缆的各参数建立相应的漏泄同轴电缆仿真模型和天线仿真模型；计算模块，将仿真模型和用户希望得到的漏泄同轴电缆的性能参数导入计算模块，计算模块根据导入的数据，进行计算主体功能的设置和计算，其全部功能由设置模块和电磁计算模块完成，即设置模块用来对仿真模型进行端口和边界条件的设置，使模型满足仿真装置的计算要求，而电磁计算模块则利用电磁理论计算公式，完成漏泄同轴电缆各项指标的计算功能；控制模块，用来控制计算模块的计算过程和位置变量的范围，由过程控制模块和采样控制模块组成，其中过程控制模块用来控制计算模块中的各项设置项目，完成计算过程的控制，采样控制模块通过控制位置变量的变化范围，实现数值采样；输出模块，将计算模块得出的漏泄同轴电缆性能指标导入输出模块，输出模块通过计算机，绘制出相应的扫描采样曲线。

2.一种漏泄同轴电缆的仿真方法，其特征在于：具体步骤如下：

A、经过理论计算或经验得出漏泄同轴电缆槽孔的初始参数，将各参数数据和所需工作频率导入输入模块；

B、根据输入模块中的参数数据建立漏泄同轴电缆三维仿真模型，利用电磁仿真软件建立漏泄同轴电缆模型时，内导体、绝缘层和外导体可分别用圆柱或圆筒组成，绝缘层材料的介电常数和损耗角正切由绝缘层发泡度确定，外导体上的槽孔可利用电磁仿真软件中的布尔操作形成；

C、根据输入模块中的工作频率，在距漏泄同轴电缆2米处建立半波偶极子天线的模型，半波偶极子应正对漏泄同轴电缆槽孔，且与漏泄同轴电缆模型垂直正交，半波偶极子天线由两根导体组成，天线总长度为半个波长；

D、在漏泄同轴电缆模型左右两端各设置一个端口，分别为端口1和端口2，天线处设置端口3，以半波偶极子天线与漏泄同轴电缆阻抗相匹配来进行端口设置；

E、进行仿真边界的设置，对于具有天线特性的漏泄同轴电缆，应设置边界条件为辐射边界，利用电磁仿真软件时，仿真边界应与漏泄同轴电缆和天线模型相距的距离大于等于1/4个波长；

F、将表征半波偶极子位置的参量设为变量，通过控制位置变量的变化范围，可使偶极子天线沿漏泄同轴电缆方向移动进行结果扫描，扫描频率应满足每半个波长上至少有10个采样点，提取采样点，计算出采样点的50%的概率值和95%的概率值；

G、将计算结果与预设值进行比较，如果计算值的绝对值大于预设值，则应修改槽孔参数后，返回执行步骤F，如果计算值的绝对值小于预设值，则执行下一步，根据步骤F的计算结果，并结合八字槽孔各参数对漏泄同轴电缆辐射性能的影响，修改槽孔参数；

H、输出计算结果，并绘制出相应的图形。

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