CN102769165B - 一种辐射型漏泄同轴电缆 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种辐射型漏泄同轴电缆，包括依次设置的内导体、绝缘层、外导体和护套层，所述外导体设有周期性的八字槽孔，所述槽孔的周期性长度p为其中，为电缆内绝缘介质的等效介电常数， 为最小工作频率，为最大工作频率，米/秒；所述八字槽孔包括槽孔和槽孔，所述槽孔的两侧处分别设有槽孔、槽孔，所述槽孔的两侧处分别设有槽孔、槽孔；该种辐射型漏泄同轴电缆，能够通过抑制[f1,f2]频带内的-3 次高次谐波，即m=-3，从而实现扩展-1 次空间谐波的单模辐射的带宽，将-1 次空间谐波的单模辐射的带宽从2 f1扩展至4 f1。从而适应微波信号的工作频率的日渐增长。

Description

一种辐射型漏泄同轴电缆

技术领域

本发明涉及一种同轴电缆，尤其涉及一种辐射型漏泄同轴电缆。

背景技术

目前微波信号的工作频率可以达到2GHz，漏泄同轴电缆使用频段应当适应这种新情况，这就需要扩展-1次空间谐波单模辐射的频带宽度。尽管-1次空间谐波能产生辐射的频带很宽，即[f1,f2]，但是如果能抑制掉这一频带内的部分或者所有高次模，就能扩展-1次空间谐波的单模辐射的带宽。原则上，抑制高次模通常的做法是在电缆的外导体上开一系列新的槽孔，调整新旧槽孔之间的位置即可抑制掉相应的高次模。

发明内容

本发明的目的是提供一种辐射型漏泄同轴电缆解决现有技术中存在的抑制掉[f1,f2]频带内的部分或者所有高次模，就能扩展-1次空间谐波的单模辐射的带宽的问题。

本发明的技术解决方案是：

一种辐射型漏泄同轴电缆，包括依次设置的内导体、绝缘层、外导体和护套层，所述外导体设有周期性的八字槽孔，所述槽孔的周期性长度p为

$\frac{c}{f_1(\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}+1)}\≤p\≤\frac{c}{f_2(\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}-1)}$   式(1)

其中，ε_r为电缆内绝缘介质的等效介电常数，f₁为最小工作频率，f₂为最大工作频率，c＝3×10⁸米/秒；

所述八字槽孔包括槽孔a₃和槽孔a₄；在抑制m次高次谐波时，ξ为每个槽孔增加的开槽数，p₁为每个槽孔增加开槽的间距，则p₁的表达式如下所示:

$p_1=-\frac{1}{m(\mathrm{\ξ}+1)}p,m\≤-2$   式(2)；

为扩展-1次空间谐波的单模辐射的带宽，需要抑制掉[f1,f2]频带内的高次模，在抑制-3次高次谐波，即m＝-3时，在八字槽孔的槽孔a₃、槽孔a₄的左右两边相距p/9处分别各开一个槽孔，即槽孔a₃的两侧p/9处分别设有槽孔a₁、槽孔a₅，槽孔a₃的两侧p/9处分别设有槽孔a₂、槽孔a₆。

进一步改进在于：所述绝缘层为物理发泡聚乙烯绝缘层，所述绝缘层的等效介电常数ε_r为1.31。

在抑制m次高次谐波时，ξ为每个槽孔增加的开槽数，p₁为每个槽孔增加开槽的间距。则p₁的表达式如下所示:

$p_1=-\frac{1}{m(\mathrm{\ξ}+1)}p,m\≤-2$   式(2)

为扩展-1次空间谐波的单模辐射的带宽，需要抑制掉[f1,f2]频带内的部分或者所有高次模，在抑制-3次高次谐波(m＝-3)时，考虑在八字槽孔的槽孔a₃、槽孔a₄的左右两边相距p/9处分别各开一个槽孔，即槽孔a₁、槽孔a₅、槽孔a₂、槽孔a₆，如图1所示。则图1所示结构的泄漏同轴电缆产生的辐射场的计算结果为：

-1次空间谐波的辐射场:J_-1＝j4.34a₀，

-5次空间谐波的辐射场:J_-5＝j0.84a₀，

-3次空间谐波被抑制掉了J_-3＝0，

从而抑制-3次高次谐波，使-1次空间谐波单模辐射的使用频带从原来的2f1扩展到4f1。

原理说明：

漏泄电缆附近电磁场的电场强度E为：

E(r,θ_m,z,t)＝J(z)R(η_m,r,θ_m)e^-jβze^jwt  式(3)

其中，β为电缆中的电波传播常数，ε_r为电缆内绝缘介质的等效介电常数，λ为自由空间的波长，k₀为自由空间的传播常数，θ_m为第m次空间谐波的辐射角，η_m为电缆中的径向传播常数，z为沿电缆轴向的距离，r为到电缆的径向距离，t为时间。

由Floquet定理可知，在一个无线长的周期性结构中，各周期相应点上的场只差一个复数常系数。因此，J(z)必为z的周期性函数。同时，八字的“左半”和“右半”的E_Φ的空间方向相反，如图1所示，所以傅立叶级数展开为：

$J\left(z\right)=\underset{m=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}J(1-e^{\mathrm{jm\π}})e^{-j\frac{2\mathrm{m\π}}{p}z}$   式(4)

其中，m为整数，是第m次空间谐波，p为槽孔的周期长度，将式(4)待入式(3)中，得出

$E(r,{\mathrm{\θ}}_m,z,t)=\underset{m=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}J(1-e^{\mathrm{jm\π}})R({\mathrm{\η}}_m,r,{\mathrm{\θ}}_m)e^{-\mathrm{j\βz}}{e}^{\mathrm{jwt}}$   式(5)

电缆中轴向传播常数显然，当m为偶数时式(5)中对应的项为零，因此，八字形槽漏泄同轴电缆不存在偶数次高次谐波，仅有-1、-3、-5等奇数次高次谐波。

从上面的式(5)中可以看出，各种模式的空间谐波加起来形成了场。因此，也可以分别研究每个模式的空间谐波。根据缝隙天线阵的原理，当开槽口以某一固定周期配置时，其场强的分布为一个正弦波，由图2所示，a_n的表达式为：

$a_n=a_0\·\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}{z}_n}{p}\right)$   式(6)

其中，p为开槽的周期，z_n为第n个开槽口与开槽组中点之间的距离，n为第n个槽，a₀为某一常数。因此，每个模式的空间谐波的场强就可以通过下式来表示：

$J_m=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_0\·\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}{z}_n}{p}\right)e^{-j\frac{2\mathrm{m\π}}{p}{z}_n}$   式(7)

其中，m为空间谐波的模数，N为一个周期内的开槽口的总数。对于任意高次空间谐波，其辐射的场强可以根据式(6)计算。

大多数空间谐波均只能以表面波的形式存在，仅有少数才能形成辐射波。产生辐射波的条件是：

-mf₁＜f＜-mf₂  式(8)

其中， $f_1=\frac{c}{p(\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}+1)},f_2=\frac{c}{p(\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}-1)},$ c＝3×10⁸米/秒。并且只有当m≤-1时才有可能产生辐射波。如图3中所示，当工作频率f₁＜f时，空间谐波以表面波的形式存在于电缆周围，当f＞f₁时，进入-1次空间谐波的辐射区。此时有-1次空间谐波向外辐射。随着频率的提高，-3、-5、-7…，产生辐射的高次模也越来越多。高次模的辐射可以干扰-1次空间谐波的辐射场，从而使漏泄同轴电缆辐射的电磁波波动较大。

辐射型八字形槽漏泄同轴电缆不存在偶数次高次谐波，仅有-1、-3、-5…等奇数次高次谐波。-1次空间谐波的单模辐射的频带宽度仅为2f1。随着工作频率的升高，辐射场由多个辐射模矢量叠加而成。但是表现出不稳定性，呈瑞利衰落。采取相应的扩展-1次空间谐波的单模辐射的频带宽度的措施，并且通过对槽孔周期P等参数的优化设计，就能得到在一定的频率范围内满足一定的耦合损耗要求的漏泄同轴电缆。

辐射型漏泄同轴电缆的主要技术为外导体的槽孔技术。辐射型漏泄同轴电缆的辐射特性主要是由漏泄外导体上这些槽孔的排列方式、大小以及形状决定。与传统的天馈系统相比，辐射型漏泄电缆天馈系统具有以下优点：

1、信号覆盖均匀，尤其适合隧道等狭小空间，可减少信号阴影及遮挡，受“填充效应”影响小；

2、辐射型漏泄电缆本质上是宽频带系统，某些型号的漏泄电缆可同时用于警用寻呼(160MHz)、警用无线电通信(350MHz)、全市应急指挥(800MHz)等系统；

3、辐射型漏泄电缆价格虽然比较贵，但当多系统同时引入隧道时可大大降低总体造价。

本发明的有益效果是：本发明一种辐射型漏泄同轴电缆，能够通过抑制[f1,f2]频带内的-3次高次谐波，即m＝-3，从而实现扩展-1次空间谐波的单模辐射的带宽，将-1次空间谐波的单模辐射的带宽从2f1扩展至4f1。从而适应微波信号的工作频率的日渐增长。

附图说明

图1是本发明实施例抑制-3次空间谐波后的结构示意图；

图2是单八字开槽的漏泄同轴电缆结构示意图；

图3是空间谐波模式图；

图4是本发明实施例八字形槽漏缆在350MHz频率时的耦合损耗测试结果图；

图5是本发明实施例八字形槽漏缆在800MHz频率时的耦合损耗测试结果图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

如图1所示，本实施例提供一种辐射型漏泄同轴电缆，包括依次设置的内导体、绝缘层、外导体和护套层，所述外导体设有周期性的八字槽孔，所述槽孔的周期性长度p为

$\frac{c}{f_1(\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}+1)}\≤p\≤\frac{c}{f_2(\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}-1)}$   式(1)

其中，ε_r为电缆内绝缘介质的等效介电常数，f₁为最小工作频率，f₂为最大工作频率，c＝3×10⁸米/秒；

所述八字槽孔包括槽孔a₃和槽孔a₄，所述槽孔a₃的两侧p/9处分别设有槽孔a₁、槽孔a₅，所述槽孔a₃的两侧p/9处分别设有槽孔a₂、槽孔a₆，所述绝缘层为物理发泡聚乙烯绝缘层，所述绝缘层的等效介电常数ε_r为1.31。

辐射型八字形槽漏泄同轴电缆不存在偶数次高次谐波，仅有-1、-3、-5…等奇数次高次谐波。-1次空间谐波的单模辐射的频带宽度仅为2f1。为扩展-1次空间谐波的单模辐射的带宽，需要抑制掉[f1,f2]频带内的部分或者所有高次模，在抑制-3次高次谐波(m＝-3)时，考虑在八字槽孔的槽孔a₃、槽孔a₄的左右两边相距p/9处分别各开一个槽孔，即槽孔a₁、槽孔a₅、槽孔a₂、槽孔a₆，如图1所示。则图1所示结构的泄漏同轴电缆产生的辐射场的计算结果为：

-1次空间谐波的辐射场:J_-1＝j4.34a₀，

-5次空间谐波的辐射场:J_-5＝j0.84a₀，

-3次空间谐波被抑制掉了J_-3＝0，

从而抑制-3次高次谐波，使-1次空间谐波单模辐射的使用频带从原来的2f1扩展到4f1。

辐射型八字形槽漏泄同轴电缆的-1次空间谐波的单模辐射的频带宽度仅为2f1。随着工作频率的升高，辐射场由多个辐射模矢量叠加而成。但是表现出不稳定性，呈瑞利衰落。采取相应的扩展-1次空间谐波的单模辐射的频带宽度的措施，并且通过对槽孔周期P等参数的优化设计，就能得到在一定的频率范围内满足一定的耦合损耗要求的漏泄同轴电缆。如图4和图5所示，在350MHz和800MHz频率时，八字形槽漏缆耦合损耗和距离的关系。频率变化时耦合损耗跟着变化，频率较低时，也即槽孔周期P较小时，耦合损耗沿漏缆的变化比较平缓，频率升高时沿漏缆的场分布变得越来越复杂，耦合损耗的波动幅度也越来越大。这等效于频率不变而槽孔周期P增大的情况。图中明确显示出辐射场的这种不稳定性。耦合损耗是和辐射场的波动有关的，漏缆沿线电波衰落严重，是瑞利衰落。这是在工作频率较高时，存在的多个辐射模矢量叠加造成的。因此，辐射型漏缆的设计目标就是只有一个辐射模存在，而不要过多辐射模。一般来说，可以采用多槽孔结构来代替简单的重复一种单一槽孔的结构，本实施例是扩展-1次空间谐波的单模辐射的频带宽度的优选措施。

Claims (2)

1.一种辐射型漏泄同轴电缆，其特征在于：包括依次设置的内导体、绝缘层、外导体和护套层，所述外导体设有周期性的八字槽孔，所述槽孔的周期性长度p为

$\frac{c}{f_1(\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}+1)}\≤p\≤\frac{c}{f_2(\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}-1)}$     式(1)

其中，ε_r为电缆内绝缘介质的等效介电常数，f₁为最小工作频率，f₂为最大工作频率，c＝3×10⁸米/秒；

所述八字槽孔包括槽孔a₃和槽孔a₄；在抑制m次高次谐波时，ξ为每个槽孔增加的开槽数，p₁为每个槽孔增加开槽的间距，则p₁的表达式如下所示:

$p_1=-\frac{1}{m(\mathrm{\ξ}+1)}p,m\≤-2$     式(2)；

为扩展-1次空间谐波的单模辐射的带宽，需要抑制掉[f1,f2]频带内的高次模，在抑制-3次高次谐波，即m＝-3时，在八字槽孔的槽孔a₃、槽孔a₄的左右两边相距p/9处分别各开一个槽孔，即槽孔a₃的两侧p/9处分别设有槽孔a₁、槽孔a₅，槽孔a₃的两侧p/9处分别设有槽孔a₂、槽孔a₆。

2.如权利要求1所述的一种辐射型漏泄同轴电缆，其特征在于：所述绝缘层为物理发泡聚乙烯绝缘层，所述绝缘层的等效介电常数ε_r为1.31。