CN114142198B - 一种具有多径效应的单根泄漏电缆及构建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有多径效应的单根泄漏电缆，包括若干个交替连接的泄漏电缆本体和介质板，所述泄漏电缆本体和介质板之间通过同轴‑微带转换器连接，所述介质板上镀有微带线，所述微带线用于传输相邻泄漏电缆本体之间的电磁波信号；所述微带线包括依次连接的输入端微带线、过渡微带线和输出端微带线，所述输入端微带线的特性阻抗等于输入端微带线接入的泄漏电缆本体的特性阻抗，所述输出端微带线的特性阻抗等于输出端微带线连接的泄漏电缆本体的特性阻抗，所述过渡微带线的负载阻抗为除匹配负载、短路、开路、纯电抗0负载之外的一般负载阻抗。本发明对安装环境要求更低，成本更低，技术复杂度更低。

Description

一种具有多径效应的单根泄漏电缆及构建方法
技术领域
本发明属于泄漏电缆技术领域，具体属于一种具有多径效应的单根泄漏电缆及构建方法。
背景技术
新一代移动通信(beyond 3G/4G)系统的一个特点是，新系统将可以提供高达100Mbit/s或甚至更高的数据传输速率，支持的业务从语音到多媒体业务，包括实时的流媒体业务。数据传输速率可以根据这些业务所需速率的不同来进行动态调整；新系统的另一个特点是其拥有比以往通信系统更低的建设和运营成本。新系统之所以拥有以上的优点，是由于其在有限的频谱资源上实现了更高的速率和更大的容量，但这样就需要频谱效率极高的技术。M1MO技术充分开发空间资源，利用多个天线实现多发多收，在不需要增加频谱资源和天线发送功率的情况下，可以成倍地提高信道容量，能够满足新系统的技术需求。
另一方面，随着通讯技术的发展，无线移动通信呈现以下发展趋势：(1)向更高频率方向发展，应用频率范围从50～150MHz频段转变到450～1800MHz频段，通讯容量更大；(2)向高品质线路方向发展：数字传输，高码速传输；(3)朝人口密度相对集中的市区和限定区域发展：如隧道、半埋高速公路、地下停车场、矿井等；(4)特殊的场合通信的特殊要求：如军事管制区、监狱、金库的防盗报警系统的通信。电磁波在这些区域传播时产生多效应并被吸收，在此区域用天线来传播信号通常非常困难，而泄漏电缆恰巧可以解决这一问题。无论传播信号的环境本身的质量如何，泄漏电缆均能确保通信的可靠性。
泄漏同轴电缆(Leaky Coaxial Cable)通常又简称为泄漏电缆或漏泄电缆，其结构与普通的同轴电缆基本一致，由内导体、绝缘介质和开有周期性槽孔的外导体三部分组成。电磁波在泄漏电缆中纵向传输的同时通过槽孔向外界辐射电磁波；外界的电磁场也可通过槽孔感应到泄漏电缆内部并传送到接收端。泄漏电缆集信号传输、发射与接收等功能于一体，同时具有同轴电缆和天线的双重作用，特别适用于覆盖公路、铁路隧道、城市地铁等无线信号传播受限的区域。但传统的泄漏电缆应用都是为了避免无线传输的多径效应而在特殊的应用场景中引入的。而随着现代通信技术的不断发展，人们对通信的质量的要求也越来越高，对于特殊的应用场景来说，它对于移动性的限制性要求不高，但对数据的可靠、非接触传输要求较高。因此，提出了将MIMO技术应用到泄漏电缆通信中的构思。期望可以提高泄漏同轴电缆通信系统的可靠性和有效性，以此满足未来移动通信的需要。
目前基本都是通过MIMO技术应用到多根泄漏电缆上，利用多根泄漏电缆构成多径效应，一个简单的思想是同时使用两根泄漏电缆作为发射和接收天线，如图1所示，因此，通信系统变为普通多天线系统。采用这样策略，两条泄漏电缆实际上成为了信号源端的两副固定天线，与同样具有两副接收天线的客户端Client一起构成了经典的(2，2)配置的多天线系统，可以运用Alamouti的两天线发射分集模型来进行分析。但是将两个泄漏电缆放到一起等效为两副天线存在一个问题，就是当电缆放到一起时，电缆之间存在强烈的耦合损耗，要计算和分析电缆之间的耦合损耗比较困难，它和泄漏电缆的种类、漏孔的形状、漏孔的排列、漏孔的分布等等有很大关系，存在相当大的未知成分；再加上泄漏电缆的安装环境的信道状况通常都很复杂，这样无论在成本上还是在技术实现复杂度上都不具有工程价值。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种具有多径效应的单根泄漏电缆及构建方法，解决目前多根电缆构成多径效应的布设方式困难且对安装环境要求较高，成本高而且技术复杂度高的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种具有多径效应的单根泄漏电缆，包括若干个交替连接的泄漏电缆本体和介质板，所述泄漏电缆本体和介质板之间通过同轴-微带转换器连接，所述介质板上镀有微带线，所述微带线用于传输相邻泄漏电缆本体之间的电磁波信号；
所述微带线包括依次连接的输入端微带线、过渡微带线和输出端微带线，所述输入端微带线的特性阻抗等于输入端微带线接入的泄漏电缆本体的特性阻抗，所述输出端微带线的特性阻抗等于输出端微带线连接的泄漏电缆本体的特性阻抗，所述过渡微带线的负载阻抗为除匹配负载、短路、开路、纯电抗0负载之外的一般负载阻抗。
进一步的，所述过渡微带线的一侧连接有阻抗变换器，所述过渡微带线通过阻抗变换器连接输入端微带线或输出端微带线，所述阻抗变换器的一端宽度和过渡微带线的宽度相同，所述阻抗变换器的另一端宽度和输入端微带线或输出端微带线的宽度相同。
进一步的，所述阻抗变换器为微带渐变线。
进一步的，所述介质板的表面镀有铜层，所述微带线的长度为120mm。
进一步的，所述过渡微带线的长度为20mm。
进一步的，所述输入端微带线以及输出端微带线的宽度为1.286mm，所述过渡微带线的宽度为2.447mm。
本发明还提供一种具有多径效应的单根泄漏电缆的构建方法，包括以下步骤：将微带线的输入端到输出端方向依次分为输入端微带线、过渡微带线和输出端微带线；
所述输入端微带线的特性阻抗等于输入端微带线接入的泄漏电缆本体的特性阻抗，所述输出端微带线的特性阻抗等于输出端微带线连接的泄漏电缆本体的特性阻抗，输入端微带线的特性阻抗等于输出端微带线的特性阻抗，根据特性阻抗和预设的反射系数得到过渡微带线的负载阻抗；
根据输入端微带线的特性阻抗和输出端微带线的特性阻抗以及过渡微带线的负载阻抗制备微带线；
将微带线镀装在介质板上，介质板通过同轴-微带转换器连接泄漏电缆本体，若干个泄漏电缆本体和介质板交替连接，得到单根泄漏电缆。
进一步的，根据特性阻抗和预设的反射系数得到过渡微带线的负载阻抗的具体步骤如下：
根据如下公式计算得到过渡微带线的负载阻抗：
Figure BDA0003415462080000041
式中：Γ为反射系数，ZO为特性阻抗，ZL为负载阻抗。
进一步的，所述微带线的工作状态为部分反射状态。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明提供了一种具有多径效应的单根泄漏电缆，通过将若干个泄漏电缆本体和介质板交替连接组成新的泄漏电缆结构，介质板上镀装具有一定反射和透射概率的介质，即微带线，微带线分为了输入端微带线、过渡微带线和输出端微带线，由于反射介质的存在，信号输入电缆之后，理论上信号将会在电缆中作无限次的来回反射和透射，直到能量损耗殆尽。因此同样一路信号被多次从漏孔当中泄露出来，而每次泄漏之间均有一定的时延，这样的设计使得产生两路相互独立的信道成为可能。使得电缆中的电信号在经过这些介质的时候，一部分能量能够逆向反射回去，另一部分则能够穿过介质继续沿着原来的电磁波方向继续传播。以此产生一种多径传播的效果，这样可以结合MIMO技术来利用这些多径，最终达到改善传统泄漏电缆通信系统性能的目的，本发明在提高泄漏电缆通信系统性能的同时能够实现单根泄漏电缆的多径构建，单根泄漏电缆对安装环境要求更低，成本更低，技术复杂度更低。
进一步的，通过阻抗变换器将过渡微带线和输入端微带线或过渡微带线和输出端微带线进行连接，考虑到实际情况中的输出端口的阻抗匹配问题，而且微带线，尺寸小，易于加工、造价低，精度高、反射系数容易优化、部署灵活、易于微波器件集成等。
本发明还提供一种具有多径效应的单根泄漏电缆的构建方法，通过泄漏电缆的特性阻抗确定输入端微带线的特性阻抗和输出端微带线的特性阻抗，通过反射系数的公式确定过渡微带线的负载阻抗，从而构建出微带线，微带线反射节点和泄漏电缆本体交替连接，使得单根电缆即可完成多径效应，通过改变负载阻抗的大小来改变微带线的反射系数，进而改变反射/透射比，使得同样一路信号被多次从漏孔当中泄露出来，而每次泄漏之间均有一定的时延，这样的设计使得产生两路相互独立的信道，确保单根泄漏电缆即可完成多径效应，成本更低，布设方式更加简单。
附图说明
图1为现有技术中多根泄漏电缆构成的多径效应；
图2为单根泄漏电缆构造的MIMO系统图；
图3为图2中单根电缆内部原理图；
图4为本发明的结构示意图；
图5为微带反射节点的结构示意图；
图6为微带反射节点的尺寸结构示意图；
图7为发送端为部分反射型泄漏电缆，接收端为普通天线的MIMO通信系统；
图8为发送端为普通天线，接收端为普通天线的MIMO通信系统；
图9为MIMO通信系统中收发端均为普通天线时，MIMO通信系统的条件数和距离之间的关系曲线图；
图10为H＝41厘米时条件数与距离之间的关系；图10a为D＝1米；图10b为D＝2米；
图11为D＝2米时条件数与距离之间的关系；图11a为H＝41厘米；图11b为H＝70厘米；
附图中：1-泄漏电缆本体，2-同轴-微带转换器，3-微带反射节点，4-输入端微带线，5-过渡微带线，6-阻抗变换器，7-输出端微带线，8-介质板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
本发明提供一种具有多径效应的单根泄漏电缆，主要是针对传统的泄漏电缆性能和技术的局限，提出了一种新的泄漏电缆，此泄漏电缆的基本思想是在传统的泄漏电缆中人为地嵌入一些具有一定反射和透射概率的介质，使得电缆中的电信号在经过这些介质的时候，一部分能量能够逆向反射回去，另一部分则能够穿过介质继续沿着原来的电磁波方向继续传播。以此产生一种多径传播的效果，这样可以结合MIMO技术来利用这些多径，最终达到改善传统泄漏电缆通信系统性能的目的。
具体的，包括若干个交替连接的泄漏电缆本体1和微带反射节点3，所述泄漏电缆本体1和微带反射节点3之间通过同轴-微带转换器2连接，所述介质板8上镀装有微带线，所述微带线用于传输相邻泄漏电缆本体1之间的电磁波信号；
所述微带线包括依次连接的输入端微带线4、过渡微带线5和输出端微带线7，所述输入端微带线4的特性阻抗等于微带线输入端接入的泄漏电缆本体1的特性阻抗，所述输出端微带线7的特性阻抗等于微带线输出端连接的泄漏电缆本体1的特性阻抗，所述过渡微带线5的负载阻抗为除匹配负载、短路、开路、纯电抗0负载之外的一般负载阻抗。
在本实施例中，本发明提供的泄漏电缆分为若干个泄漏电缆本体1和微带反射节点3，泄漏电缆和微带反射节点3交替连接，通过输入端微带线4、过渡微带线5和输出端微带线7构建成微带反射节点3，其中，微带线反射节点3具有尺寸小，易于加工、造价低，精度高、反射系数容易优化、部署灵活、易于微波器件集成等优点，微带反射节点3具有反射电磁波的作用，在电磁波经过微带反射节点的时候，会有一部分能量被反射回去，剩下的一部分能量仍能穿过微带反射节点3并沿着泄漏电缆继续向前传播，当然由于泄漏电缆开有周期性槽孔的缘故，同时也会有一部分能量透过槽孔向泄漏电缆外部环境辐射出去。源信号可以选择在泄漏电缆的任意两端输入，这样改造后的电缆以及电缆中信号的传输情况如图2所示。从图中可以看出，由于微带反射节点3的存在，信号输入电缆之后，理论上信号将会在电缆中作无限次的来回反射和透射，直到能量损耗殆尽。因此同样一路信号被多次从漏孔当中泄露出来，而每次泄漏之间均有一定的时延，这样的设计使得产生两路相互独立的信道，从而达到了构建多径的必要条件。
具体的，微带反射节点3的工作状态是指微带反射节点上的电压、电流沿线的分布状态，该分布状态与微带反射节点3终端所接的负载阻抗有关，共有三种工作状态：匹配状态、全反射状态、部分反射状态。该微带反射节点3所对应的工作状态为部分反射状态，此时要求终端所接的负载阻抗为除匹配负载、短路、开路、纯电抗0负载之外的一般负载，该状态下电磁波沿着微带反射线由输入端传输至负载端是其能量有一部分被吸收(即透射)，其余部分被反射回输入端，而反射与透射之间的比例由微带反射节点的反射系数来确定；其中，反射系数
Figure BDA0003415462080000071
ZO对应特性阻抗，ZL对应负载阻抗，在实际应用中特性阻抗一般为50欧姆，因此可以用过改变负载阻抗的大小来改变传输线的反射系数，进而改变反射/透射比；
优选的，考虑到实际情况中的输出端口的阻抗匹配问题，在原本的负载阻抗之后引入阻抗变换器6来匹配输出端口，具体的，过渡微带线5的一侧连接有阻抗变换器6，过渡微带线5通过阻抗变换器6连接输入端微带线4或输出端微带线7，阻抗变换器6的一端宽度和过渡微带线5的宽度相同，阻抗变换器6的另一端宽度和输入端微带线4或输出端微带线7的宽度相同，在本实施例中，阻抗变换器6采用微带渐变线。
具体的，本发明提供了一种效果最佳的反射节点尺寸，其中，微带反射节点3的反射系数为1/5，对应的负载阻抗为33.33欧姆，表格中L为微带反射节点的长度，h为反射节点厚度，长度为L1和L4分别表示输入和输出特性阻抗ZO，长度为L3表示负载阻抗ZL，长度为L2表示微带渐变线的长度，W为微带反射节点3的宽度，W1为输入端微带线4的宽度，W2为负载阻抗微带线的宽度；
L 120mm L1 20mm L2 60mm L3 20mm L4 20mm
W 38mm W1 1.286mm W2 2.447mm h 0.8mm
在本发明的另一实施例中，还提供一种具有多径效应的单根泄漏电缆的构建方法，包括以下步骤：将微带线的输入端到输出端方向依次分为输入端微带线4、过渡微带线5和输出端微带线7；
输入端微带线4的特性阻抗等于微带线输入端接入的泄漏电缆本体1的特性阻抗，输出端微带线7的特性阻抗等于微带线输出端连接的泄漏电缆本体1的特性阻抗，输入端微带线4的特性阻抗等于输出端微带线7的特性阻抗，根据
Figure BDA0003415462080000081
确定过渡微带线的负载阻抗；
根据输入端微带线4的特性阻抗和输出端微带线7的特性阻抗以及过渡微带线5的负载阻抗制备微带线；
将微带线镀在介质板8上，介质板8通过同轴-微带转换器2连接泄漏电缆本体1，若干个泄漏电缆本体1和介质板8交替连接，得到单根泄漏电缆。
上述方法通过改变负载阻抗改变传输线的反射系数，进而改变反射/透射比，通过改变过渡微带线的长度或宽度改变过渡微带线的负载阻抗；
具体的，对单根部分泄漏型电缆构建多径系统进行了验证实验，分别对收发均为普通天线所构成的MIMO通信系统以及采用泄漏电缆和天线构建的MIMO系统进行测量，测量设计图如图7和图8所示。共研究三个控制变量：接收天线距离泄露电缆的距离D、测试点距离泄露电缆起始端的距离S、泄露电缆离地的高度H对系统性能的影响。通过对实际测量的数据进行分析，可以验证所设计的部分反射型泄露电缆实现MIMO系统的可行性。
如图9所示，对于收发均为普通天线所构成的MIMO通信系统而言，其条件数与距离之间的关系在一定的频段范围内均保持在30dB以内，条件数较小，表明有利于空间的信道容量提升以及MIMO系统的分集增益的提高。
如图10所示，图10a表示D为1m，图10b表示D为2m，对于发送端为泄露电缆，而接收端为普通天线所构成的MIMO通信系统而言，在微带反射节点一致，离地高度相同时，其条件数与距离之间的关系在L为3.6米到8.4米之间时，各频段范围内条件数大致保持在40dB以内，虽然与传统的MIMO信道之间存在一定的差异，但是相对而言其条件数较小，表明有利于空间的信道容量提升以及MIMO系统的分集增益的提高。
如图11所示，图11a中H为41cm，图11b中H为70cm，对于发送端为泄露电缆，而接收端为普通天线所构成的MIMO通信系统而言，在微带反射节点3一致，泄露电缆与接收天线之间的距离相同时，其条件数与距离之间的关系在L为0米到6米之间时，各频段范围内条件数大致保持在30dB以内，其条件数较小，表明有利于空间的信道容量提升以及MIMO系统的分集增益的提高。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种具有多径效应的单根泄漏电缆，其特征在于，包括若干个交替连接的泄漏电缆本体(1)和介质板(8)，所述泄漏电缆本体(1)和介质板(8)之间通过同轴-微带转换器(2)连接，所述介质板(8)上镀装有微带线，所述微带线用于传输相邻泄漏电缆本体(1)之间的电磁波信号；
所述微带线包括依次连接的输入端微带线(4)、过渡微带线(5)和输出端微带线(7)，所述输入端微带线(4)的特性阻抗等于输入端微带线(4)接入的泄漏电缆本体(1)的特性阻抗，所述输出端微带线(7)的特性阻抗等于输出端微带线(7)连接的泄漏电缆本体(1)的特性阻抗，所述过渡微带线(5)的负载阻抗为除匹配负载、短路、开路、纯电抗0负载之外的一般负载阻抗；
所述过渡微带线(5)的一侧连接有阻抗变换器(6)，所述过渡微带线(5)通过阻抗变换器(6)连接输入端微带线(4)或输出端微带线(7)，所述阻抗变换器(6)的一端宽度和过渡微带线(5)的宽度相同，所述阻抗变换器(6)的另一端宽度和输入端微带线(4)或输出端微带线(7)的宽度相同。
2.根据权利要求1所述的一种具有多径效应的单根泄漏电缆，其特征在于，所述阻抗变换器(6)为微带渐变线。
3.根据权利要求1所述的一种具有多径效应的单根泄漏电缆，其特征在于，所述介质板(8)的表面镀有铜层，所述微带线的长度为120mm。
4.根据权利要求1所述的一种具有多径效应的单根泄漏电缆，其特征在于，所述过渡微带线(5)的长度为20mm。
5.根据权利要求1所述的一种具有多径效应的单根泄漏电缆，其特征在于，所述输入端微带线(4)以及输出端微带线(7)的宽度为1.286mm，所述过渡微带线(5)的宽度为2.447mm。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种具有多径效应的单根泄漏电缆的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：将微带线的输入端到输出端方向依次分为输入端微带线(4)、过渡微带线(5)和输出端微带线(7)；
所述输入端微带线(4)的特性阻抗等于输入端微带线(4)接入的泄漏电缆本体(1)的特性阻抗，所述输出端微带线(7)的特性阻抗等于输出端微带线(7)连接的泄漏电缆本体(1)的特性阻抗，输入端微带线(4)的特性阻抗等于输出端微带线(7)的特性阻抗，根据特性阻抗和预设的反射系数得到过渡微带线(5)的负载阻抗；
根据输入端微带线(4)的特性阻抗和输出端微带线(7)的特性阻抗以及过渡微带线(5)的负载阻抗制备微带线；
将微带线镀装在介质板(8)上，介质板(8)通过同轴-微带转换器(2)连接泄漏电缆本体(1)，若干个泄漏电缆本体(1)和介质板(8)交替连接，得到单根泄漏电缆。
7.根据权利要求6所述的一种具有多径效应的单根泄漏电缆的构建方法，其特征在于，根据特性阻抗和预设的反射系数得到过渡微带线(5)的负载阻抗的具体步骤如下：
根据如下公式计算得到过渡微带线(5)的负载阻抗：
Figure FDA0003733769290000021
式中：Γ为反射系数，ZO为特性阻抗，ZL为负载阻抗。
8.根据权利要求6所述的一种具有多径效应的单根泄漏电缆的构建方法，其特征在于，所述微带线的工作状态为部分反射状态。
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