CN102064372A

CN102064372A - 一种圆形漏泄波导电缆

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Publication number: CN102064372A
Application number: CN2010105636674A
Authority: CN
Inventors: 王均宏; 张冲; 李雨键; 陈美娥; 张展
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2010-11-23
Filing date: 2010-11-23
Publication date: 2011-05-18
Anticipated expiration: 2030-11-23
Also published as: CN102064372B

Abstract

本发明提供了一种圆形漏泄波导电缆，包括圆形波导壁和金属线，其特征在于，在所述圆形波导内腔沿其轴线方向加金属线，以及，在所述圆形波导壁上沿该轴线方向间隔均匀地开有若干个缝隙而形成缝隙阵列。本发明可以应用于高频和微波以及大功率系统，并且做到传输波场结构的极化面不随距离偏转。

Description

一种圆形漏泄波导电缆

技术领域

本发明涉及通信电缆技术领域，特别是涉及一种圆形漏泄波导电缆。

背景技术

目前，漏泄同轴电缆主要用于无线电信号传播不良的隧道、坑道、地下铁道、地下建筑等环境中，其可以将主要能量进行传输，在传输过程中仅在电缆周围一定范围内辐射很小的一部分能量，形成一条径向范围有限的无线电波通道，可用有限的能量延伸电波的作用距离，从而提高通信质量。

典型的漏泄同轴电缆的结构主要由内导体、绝缘层、带槽孔的外导体和护套等四部分组成；这样，随着传输频率的升高，漏泄同轴电缆的内导体及其填充介质的损耗也相应增加；同时由于结构的限制，功率容量下降，因此现有的漏泄同轴电缆一般适用于分米波波段，例如300M～3000M的频率波段。

针对现有漏泄同轴电缆的缺陷，圆形波导管被提出，其可以应用于超高频波段的传输；但是，由于该圆形波导管具有当传播方向上有磁场的分量而无电场的分量时的TE波，在该圆形波导管加工不完善或该圆形波导管内有微小的不均匀性存在时，主波型TE11场结构的极化面易发生旋转，这就导致辐射场沿波导纵向分布不均匀，因此通常不采用圆形波导管来进行射频能量和信号的长距离传输。

总之，需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是：如何能够提供一种应用于高频和长距离传输的通信电缆。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种圆形漏泄波导电缆，可以应用于高频和微波以及大功率系统，并且做到传输波场结构的极化面不随距离偏转。

为了解决上述问题，本发明公开了一种圆形漏泄波导电缆，包括圆形波导壁，在所述圆形波导内腔沿其轴线方向加金属线，以及，在所述圆形波导壁上沿该轴线方向间隔均匀地开有若干个缝隙而形成缝隙阵列。

优选的，该金属线接触或不接触所述圆形波导导体。

优选的，该金属线的形状为圆形、矩形、或它们的变形结构。

优选的，该金属线与该缝隙阵列在该圆形漏泄波导电缆圆周方向的相对位置变化范围为0-360°。

优选的，圆形波导内腔沿其轴线方向加的金属线为一根或多根。

优选的，所述缝隙阵列包括一个或多个缝隙。

优选的，所述缝隙为垂直缝隙或斜向缝隙。

优选的，所述缝隙的形状包括如下形状中的一项或者几项：矩形、L形、U形、三角形、T形、E形、或它们的变形结构。

优选的，所述缝隙阵列中的缝隙方向一致，或者，相邻缝隙方向相反。

优选的，所述圆形波导壁上沿轴线方向开有一排或多排缝隙以形成一个或多个缝隙阵列，其中，每个缝隙阵列之间沿周向的张角可以为任意角度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

首先，本发明在所述圆形波导内部沿其轴线方向加入金属线，该金属线的加入使得边界条件不再具有旋转对称性，也即能够保证边界条件的唯一性，而边界条件的唯一性能够决定场结构极化方向的唯一性，因此，本发明能够解决圆形漏泄波导电缆在长距离传输基模时的场结构极化偏转问题，也即，本发明能够适用于长距离传输的情形。

其次，由于该圆形漏泄波导电缆的结构中仅包括一个圆形波导管，而不具备内导体和填充介质，因此，能够大大减小材料引起的损耗，能够用于高频和微波信号的传输和辐射。

再者，由于省去了同轴电缆内导体的铜管和部分介质，需要的原材料比漏泄同轴电缆少。

进一步，间隔均匀开设的若干个缝隙阵列，使得本发明能够以圆形漏泄波导电缆作无线电台的天线进行通信，可在一定范围内产生均匀的信号场强，而不受周围环境的影响，通信可靠性高，也不存在通信盲区，接收电平稳定，不容易受到外来信号干扰。

附图说明

图1是本发明一种圆形漏泄波导电缆实施例1的结构图；

图2是本发明一种圆形漏泄波导电缆实施例2的局部结构图；

图3是本发明一种圆形漏泄波导电缆实施例2的总体结构图；

图4是本发明一种金属线204与该缝隙阵列205在该圆形漏泄波导电缆圆周方向的相对位置示意；

图5是本发明一种垂直缝隙漏泄圆形漏泄波导电缆在频率3.8GHz时z＝0平面内耦合损耗沿周向的分布图；

图6是本发明一种垂直缝隙漏泄圆形漏泄波导电缆在频率3.8GHz时φ＝0°半平面内耦合损耗沿轴向的分布图；

图7是本发明一种圆形漏泄波导电缆实施例3的局部结构图；

图8是本发明一种斜向缝隙阵列805与中心轴线803之间的位置关系示意图；

图9是本发明一种圆形漏泄波导电缆实施例3的整体结构图；

图10是本发明一种斜向缝隙阵列的示意图。

图11是本发明一种斜向缝隙漏泄圆形漏泄波导电缆在3.8GHz时z＝0平面内耦合损耗沿周向的分布图；

图12是本发明一种斜向缝隙漏泄圆形漏泄波导电缆在3.8GHz时φ＝0°半平面内耦合损耗沿轴向的分布图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1，示出了本发明一种圆形漏泄波导电缆实施例1的结构图，具体可以包括圆形波导壁101，其中，在所述圆形波导壁101内部沿其轴线方向加一根金属线102，以及，在所述圆形波导壁101上沿该轴线方向间隔均匀开有若干个缝隙阵列103。

首先，论述所述金属线102的作用。

当圆形波导内不存在金属线102时，圆形漏泄波导电缆的边界条件旋转对称，TE11波型电场极化面偏转任意角度时的场分布都是麦克斯韦方程组在满足相同边界条件下的解，因此，从理论上讲，圆形漏泄波导电缆中存在很多种模式简并的情况，场在传输过程中可以出现任何极化状态。

本专利发明人注意到了这一点，因此，创造性地在所述圆形波导壁101内的空间内沿该轴线方向加入一根金属线102，金属线102的加入使得边界条件不再具有旋转对称性，也即能够保证边界条件的唯一性，而边界条件的唯一性能够决定场极化方向的唯一性，因此，本发明能够解决圆形漏泄波导电缆在长距离传输时的极化偏转问题。

在实际应用中，该金属线102可接触所述圆形波导壁101；例如，可将该金属线102以焊接的形式与所述圆形波导壁101连接。

或者，该金属线102也可以不接触所述圆形波导壁101；由于某些情况下圆形波导管内部会填充介质材料的，假设其为介电常数ε＝1.26的介质材料，则金属线102可以固定在介质材料里边。这里，可以采用低损耗的介质材料(如聚四氟乙烯、聚乙烯等)，本发明对具体的介质材料不加以限制。

另外，该金属线102的形状可以为圆形、矩形或其它变形结构；以及，该金属线102的最大尺寸可以在小于圆波导半径的范围内变化；该金属线102与该缝隙阵列103在该圆形漏泄波导电缆圆周方向的相对位置变化范围为0-360°。

同时，该金属线102不局限于一根；例如，我们可以设置两根或者两根以上金属线于圆形波导壁内部两侧，同样可以满足边界条件的唯一性，即可以决定场结构极化方向的唯一性。本发明对添加金属线的数目不加以限制。

其次，对开有若干个缝隙阵列103的圆形漏泄波导电缆进行论述。

本专利发明人注意到，现有漏泄同轴电缆不能适用于高频段的传输主要是由其结构中内导体及其填充介质等材料的损耗及功率容量受结构限制的下降引起的；因此，创造性地以圆形漏泄波导电缆作为基础，由于该圆形漏泄波导电缆的结构中仅包括一个圆形波导管，而不具备内导体和填充介质，因此，能够大大减小材料引起的损耗，能够用于高频和微波信号的传输和辐射；

进一步，为了使其电信号能量能从圆形漏泄波导电缆辐射出来，以达到向外传播和接收外来无线电波的目的，本发明在所述圆形波导壁101上沿其轴线方向间隔均匀开有若干个缝隙阵列103，这些缝隙阵列103好比为无线电波的进出洞开了一扇“大门”。因此，本发明以圆形漏泄波导电缆作无线电台的天线，用它进行通信，可在一定范围内产生均匀的信号场强，而不受周围环境的影响，通信可靠性高，也不存在通信盲区，接收电平稳定，不容易受到外来信号干扰。

在实际应用中，缝隙阵列103的设置形式取决于所使用的无线电波的频段及要求达到的耦合损耗值。优选的，所述缝隙阵列103可以包括一个或多个缝隙，缝隙方向一致或相邻缝隙方向相反。

优选的，可以在所述圆形波导壁101上沿轴线方向开有一排或多排缝隙，这里的一排缝隙可以对应一个缝隙阵列，多排缝隙可以对应多个缝隙阵列，其中，每个缝隙阵列沿周向的张角可以为任意角度。

具体到每个缝隙阵列中的缝隙，其可以为垂直缝隙，也可以为斜向缝隙；另外，所述缝隙的形状可以包括如下形状中的一项或者几项：矩形、L形、U形、三角形、T形、E形。

综上，本发明具有如下优点：

1)能够解决圆形漏泄波导电缆在长距离传输时的极化偏转问题；

2)、能够用于高频和微波信号的传输和辐射，且比现有的漏泄同轴电缆损耗小；

3)省去了同轴电缆内导体的铜管和部分介质，需要的原材料比漏泄同轴电缆少。

参照图2，示出了本发明一种圆形漏泄波导电缆实施例2的结构图，具体可以包括圆形波导壁201，其中，在所述圆形波导壁201内部沿其轴线方向加一根金属线202，以及，在所述圆形波导壁201上沿该轴线方向间隔均匀开有若干个垂直缝隙阵列203。

参照图3，在本发明的一种应用示例中，所述垂直缝隙阵列203可以包括5个垂直缝隙，且每个垂直缝隙之间的间距为P。

参照图4，示出了关于该金属线202与该缝隙阵列203在该圆形漏泄波导电缆圆周方向的相对位置，其中，401代表该圆形漏泄波导电缆的圆周，402代表该垂直缝隙阵列203在圆周方向上所占据的垂直缝隙张角2φ0，圆点403代表该金属线202在在圆周方向上的投影。

从图4可以看出，该金属线202和该缝隙阵列203在该圆形漏泄波导电缆圆周方向的的夹角大于90°，也即，二者分布在该圆形漏泄波导电缆圆周方向的两侧；可以理解，所述夹角不应作为本发明的应用限制，实际上，0-360°的夹角都是可行的。

耦合损耗是漏泄电缆电气性能中最重要的指标，可以用来评价移动通信中距离电缆一定距离处的被辐射出来的信号功率强度。漏泄电缆的耦合损耗定义为：距电缆1.5m(或者德国的2m，或者美国的6.1m)处的标准半波偶极子接收到的电平与天线正对处电缆中的传输功率之比，一般以分贝表示。可以用来评价辐射出去的能量。

在实际中，耦合损耗的计算公式：A_c＝10log(P_c/P_a)，其中，P_c为电缆中传输的功率，P_a为标准半波偶极子的接收功率。

此时，假设针对圆形漏泄波导电缆采用50欧的同轴馈线馈电，圆形漏泄波导电缆直径D＝42mm，介质的介电常数ε＝1.26，垂直缝隙宽度w＝4mm，垂直缝隙张角2φ₀＝31.1°，缝隙间距P＝40mm，金属线半径1mm。

参照图5、图6，分别示出了垂直缝隙漏泄圆形漏泄波导电缆在频率3.8GHz时z＝0平面内耦合损耗沿周向的分布图及φ＝0°半平面内耦合损耗沿轴向的分布图(两个周期内)。

可以看出，上述参数下的仿真结果满足耦合损耗的范围75dB±5dB，该结构在单模辐射时可以产生均匀的辐射场，其耦合损耗满足现有移动通信系统的应用要求。该结构使漏泄同轴电缆的应用频段进一步向更高频拓展。

参照图7，示出了本发明一种圆形漏泄波导电缆实施例3的结构图，具体可以包括圆形波导壁701，其中，在所述圆形波导壁701内部沿其轴线方向加一根金属线702，以及，在所述圆形波导壁701上沿该轴线方向间隔均匀开有若干个斜向缝隙阵列703。

参照图8，示出了该斜向缝隙阵列703与圆形波导中心轴线(z轴)之间的位置关系，其相对z轴的夹角为θ，长度为l，宽度为w。

参照图9，在本发明的一种应用示例中，所述斜向缝隙阵列703可以包括5个斜向缝隙，且每个斜向缝隙之间的间距为P。

可以理解，本发明可以开设多个斜向缝隙阵列703，例如，图10中的3个斜向缝隙阵列703，其中，第一个斜向缝隙阵列703至第二个和第三个的距离分别为2/P和P，且相邻斜向缝隙阵列703的方向相反。可以理解，相邻斜向缝隙阵列703的方向还可以是相同的，本发明对此不加以限制。

本专利发明人进行仿真实验，仿真实验参数如下：圆形漏泄波导电缆直径D＝42mm，填充介质的介电常数ε＝1.26，斜向缝隙宽度w＝3mm，长度l＝12.8mm，开缝的斜角θ为20°，开缝周期长度P＝40mm，金属线半径1mm。

图11、图12分别给出了斜向缝隙漏泄圆形漏泄波导电缆在3.8GHz时z＝0平面内耦合损耗沿周向的分布图及φ＝0°半平面内耦合损耗沿轴向的分布图(两个周期内)。可以看出，上述参数下的仿真结果满足耦合损耗的范围75dB±5dB，该结构在单模辐射时可以产生均匀的辐射场，其耦合损耗满足现有移动通信系统的应用要求。该结构使漏泄同轴电缆的应用频段进一步向更高频拓展。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上对本发明所提供的一种圆形漏泄波导电缆，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种圆形漏泄波导电缆，包括圆形波导壁，其特征在于，在所述圆形波导内腔沿其轴线方向加金属线，以及，在所述圆形波导壁上沿该轴线方向间隔均匀地开有若干个缝隙而形成缝隙阵列。

2.如权利要求1所述的圆形漏泄波导电缆，其特征在于，该金属线接触或不接触所述圆形波导导体。

3.如权利要求1所述的圆形漏泄波导电缆，其特征在于，该金属线的形状为圆形、矩形、或它们的变形结构。

4.如权利要求1所述的圆形漏泄波导电缆，其特征在于，该金属线与该缝隙阵列在该圆形漏泄波导电缆圆周方向的相对位置变化范围为0-360°。

5.如权利要求1至4所述的圆形漏泄波导电缆，其特征在于，圆形波导内腔沿其轴线方向加的金属线为一根或多根。

6.如权利要求1所述的圆形漏泄波导电缆，其特征在于，所述缝隙阵列包括一个或多个缝隙。

7.如权利要求1或6所述的圆形漏泄波导电缆，其特征在于，所述缝隙为垂直缝隙或斜向缝隙。

8.如权利要求1或6所述的圆形漏泄波导电缆，其特征在于，所述缝隙的形状包括如下形状中的一项或者几项：矩形、L形、U形、三角形、T形、E形、或它们的变形结构。

9.如权利要求权利要求6或7所述的圆形漏泄波导电缆，其特征在于，所述缝隙阵列中的缝隙方向一致，或者，相邻缝隙方向相反。

10.如权利要求1、6或7所述的圆形漏泄波导电缆，其特征在于，所述圆形波导壁上沿轴线方向开有一排或多排缝隙以形成一个或多个缝隙阵列，其中，每个缝隙阵列之间沿周向的张角可以为任意角度。