官　喬， 路宏敏， 譚康伯， 藍燕銳， 孫　棟

(1. 西安電子科技大學 電子工程學院，陜西 西安 710071;2. 中天科技集團 中天射頻電纜有限公司，江蘇 南通 226010)

漏泄同軸電纜(Leaky Coaxial Cable，LCX)，簡稱為漏纜，是一種以同軸線結構為基礎，外導體雕刻不同形狀縫隙的同軸電纜[1-2]．LCX工作時，一方面沿其內外導體軸向空間傳輸電磁波信號，其作用和普通同軸電纜一樣; 另一方面也通過外導體上的縫隙向外輻射電磁波，其作用和普通天線一樣[3-4]．LCX因其具有傳輸線和天線的雙重作用，廣泛應用于地鐵、礦井和地下停車場等無線通信基站電磁波信號無法覆蓋的區(qū)域[5-6]，解決了常規(guī)天線輻射的電磁波信號覆蓋的盲區(qū)問題．LCX新近也應用于人體姿勢識別，以提供醫(yī)療關懷輔助功能[7]．LCX和多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技術相結合，為無線信道容量的提升開辟了新途徑[8-9]．

為了解決恐怖威脅等不安全因素導致重要設施、區(qū)域和國界的安防警戒問題，迫切需要應用新技術和新方法設計入侵探測的系統(tǒng)．基于LCX的周界入侵探測系統(tǒng)，具有安全隱蔽、隨形安裝、全天候工作、全空間警戒等特點，受到了美國、日本、加拿大、以色列等國家相關研究機構和學者的重視[10-13]，國內相關研究所也進行了基礎性探索．然而各國公共安全標準存在的差異性，導致現有基于LCX的周界入侵探測系統(tǒng)的設計與實現呈現出不同的設計和實現方法．同時，科技發(fā)展提供了采用新技術方法的可能性．筆者基于雙根LCX構建電磁耦合傳感器(Double Leaky Coaxial Cables Senor， DLCXS)，以陣列天線理論分析其工作原理，并運用HFSS仿真分析其端口傳輸特性，提出了一種新型電磁傳感器．依據國家標準選取HLRHTCYZ-50-42L型號的單根LCX進行電氣性能仿真分析和優(yōu)化，給出了八字槽縫隙物理尺寸制約LCX耦合損耗和傳輸損耗的變化規(guī)律; 并進行了單根LCX電氣性能實測．實測結果與仿真結果吻合良好．

1　理論分析

圖1　漏泄同軸電纜結構示意

漏泄同軸電纜結構如圖1所示，由內向外依次是內導體、發(fā)泡絕緣介質層、雕刻有縫隙的外導體，節(jié)距P表示一組縫隙的周期長度，z表示電磁波傳輸的坐標方向，φ為漏纜橫截面的圓周坐標方向，α為縫隙傾角，w為縫隙寬度，l為縫隙長度．通常也會在外導體外側加一層護套來保護內部金屬結構以防腐蝕、變形，可埋設于土壤、墻體、瀝青和水泥路面等嚴酷環(huán)境．

1.1　單根八字槽縫隙漏纜的場分析

對于漏泄同軸電纜而言，主要的電氣參數包括耦合損耗、工作頻帶和傳輸損耗等．耦合損耗Lc= -10 log(Pr/Pt)，其中，Pr表示距離漏纜 2 m 處的偶極子天線的接收功率，Pt表示漏纜內傳輸的電磁波功率．漏纜的耦合損耗沿軸向起伏變化，通常以概率的方法來表示整根漏纜的耦合損耗，用符號Lc(95%)來表征局部耦合，它表示95%的局部耦合損耗的測量值均小于此值．

對于周期性縫隙結構，根據Floquet定理，電場分布的表達式為

E(r，φ，z)=Ep(r，φ，z) exp(-jkzz),

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其中，kz=β-jα，α和β分別是衰減常數和傳播常數，EP(r，φ，z)是關于z的周期函數．EP(r，φ，z)的傅里葉級數及周期縫隙電場分布的表達式依次為

其中，βm=2mπ/P+β．假設漏泄同軸電纜是無限長的，八字槽縫隙的電場如圖2(a)所示．

圖2　八字槽漏泄同軸電纜縫隙電場及電流分析

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1.2　電磁耦合傳感器DLCXS場分析

漏泄同軸電纜傳輸橫電磁(Transverse ElectroMagnetic，TEM)模的同時，也會通過縫隙向外輻射電磁波．基于上述單根八字槽漏纜的場特性分析，配置于空間的DLCXS可以建立三維電磁場區(qū)域，如圖3所示．無人靜態(tài)環(huán)境下，一根漏纜外導體上的縫隙產生的電磁場沿著固定的路徑傳輸；另一根漏纜接收其產生的電磁場，圍繞發(fā)射漏纜與接收漏纜構建的三維空間會形成沿軸向起伏微小的電磁場分布．當有目標入侵時，環(huán)境媒質發(fā)生不連續(xù)，電磁波傳輸路徑及衰減幅度會發(fā)生變化，從而導致入侵目標處的電磁場分布有顯著起伏．因此，通過軸向電磁場分布的狀態(tài)變化可獲得入侵目標的相關信息，從而能夠構建一種電磁耦合傳感器．

圖3　基于漏纜的電磁耦合傳感器DLCXS

同理，接收漏纜第n組的八字槽縫隙也可以看成為兩個磁偶極子，發(fā)射漏纜第m組八字槽縫隙的電磁波傳播到接收漏纜第n組八字槽縫隙處，分別經過RmLnL、RmRnL、RmLnR和RmRnR的傳播距離，其中RmLnL、RmRnL、RmLnR、RmRnR分別依次表示發(fā)射漏纜第m組的兩個八字槽縫隙與接收漏纜第n組八字槽縫隙之間的空間距離．僅考慮發(fā)射漏纜第m組八字槽縫隙時，接收漏纜第n組八字槽縫隙電場分別為

令發(fā)射漏纜與接收漏纜平行布置時的空間間距為L，則RmLnL= {L2+ [p(n-m)]2}1/2．由疊加原理知，發(fā)射漏纜的N組八字槽縫隙，在接收漏纜第n組八字槽縫隙處產生的電場為

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這樣就可以獲得接收漏纜上N組八字槽縫隙處的電場，各縫隙處的電磁波將耦合進入接收漏纜，并在接收漏纜內分別向端口3和端口4傳播，這兩個端口的電磁場將是接收漏纜內N組縫隙耦合電磁場的和．

2　仿真與實驗

仿真與實驗研究中，采用了單八字槽縫隙的漏泄同軸電纜．漏纜特性阻抗標稱值為 50 Ω，外導體內直徑為 42 mm，內導體直徑為 17.3 mm，絕緣介質εr= 1.27，損耗角正切 tang= 1.7× 10-5．

2.1　縫隙物理尺寸對LCX傳輸損耗及耦合損耗的影響

八字槽縫隙的物理尺寸包括縫隙長度l、寬度w和傾角α．由于縫隙寬度w對漏纜外導體面電流截斷的影響并不明顯，所以仿真僅考慮縫隙長度和傾角對漏纜電氣特性的影響．

選取縫隙寬度w=4 mm，節(jié)距P=1 000 mm．人體目標對 30～ 300 MHz 頻段內的雷達信號具有最佳響應，可避免小動物之類的因素產生虛假警報，取頻點f= 40 MHz[16]．

圖4表示不同傾角α、縫隙長度l的八字槽縫隙漏纜的傳輸損耗特性．

仿真結果表明，傾角α不變時，傳輸損耗隨著縫隙長度l的增大而增加;縫隙長度l不變時，傳輸損耗隨著傾角α的增大而增加．電磁波通過LCX外導體上的縫隙向外耦合，縫隙長度l增大將會導致縫隙上位移電流分布的范圍變大，位移電流是建立LCX外部電磁場的源，因此漏纜輻射增加，從而導致傳輸損耗增大．傾角α越大，被截斷的位移電流輻射效果越強，這樣會引起輻射增加，傳輸損耗增大．

圖4 不同傾角α、縫隙長度l的傳輸損耗圖5 不同縫隙長度、傾斜角度的耦合損耗

為了分析LCX接收電磁波的能力，進行了漏纜的耦合損耗仿真分析．仿真通過一個諧振頻率為 40 MHz 的標準偶極子天線，來評測電磁波耦合效果．圖5是不同傾角α、縫隙長度l耦合損耗的仿真結果．

圖5中選取縫隙傾角α在10°～70°間變化，縫隙長l的調節(jié)范圍為 30～ 90 mm．由圖可以看出，傾角α不變的情況下，隨著縫隙長l的增加，耦合損耗逐漸減小．這表明縫隙長度l越大，漏纜輻射的電磁波能量越多，偶極子天線接收到的電磁波能量也越多; 由圖5也可以看出，縫隙長度l不變的情況下，傾角α越大，耦合損耗越小，縫隙長度l引起耦合損耗的變化越顯著．

2.2　LCX耦合損耗的仿真與實測結果

委托項目合作單位研制了幾根型號為 HLRHTCYZ-50-42L 的漏泄同軸電纜，長度為 53 m．漏纜外導體內直徑D= 42 mm，內導體直徑d= 17.3 mm，絕緣介質相對介電常數εr= 1.27，損耗角正切 tang= 1.7× 10-5．漏纜為單八字槽周期縫隙，縫隙長度l= 120 mm，縫隙寬度w= 4 mm，傾角α= 45°，節(jié)距P= 1 000 mm．利用標準漏纜性能測試平臺，對研制漏泄同軸電纜進行了性能測試．漏纜特性阻抗的實測結果為 50 Ω，仿真值為 48.2 Ω，滿足 50±2 Ω 的國家標準; 實測傳輸損耗為 0.44 dB/ 100 m，仿真?zhèn)鬏敁p耗為 0.499 dB/ 100 m．

漏纜電氣性能的重要指標之一為耦合損耗．依據國家標準，設置標準偶極子天線與LCX水平、垂直和周向構成3種取向方式，分別進行耦合損耗的實測．實測中考慮到漏纜兩端電場分布的不均勻性，僅選取漏纜中間 33 m 的長度進行取樣測試，背景噪音小于 -95 dBm．

圖6(a)為水平方向耦合損耗實測值與仿真值; 圖6(b)為垂直方向耦合損耗實測值與仿真值．可以看出，仿真值和實測值基本吻合．沿漏纜軸向耦合損耗變化規(guī)律一致，且水平方向的耦合損耗略優(yōu)于垂直方向的耦合損耗．表明偶極子水平放置時，極化匹配較為理想，接收的電磁波能量更多．表1給出了偶極子3種取向方式下，LCX耦合損耗仿真值與實測值的結果對比．

圖6　耦合損耗實測值與仿真值

偶極子天線放置方式Lc仿真結果/dBLc實測結果/dB差值/dB水平58.362.64.3垂直66.964.32.6周向51.063.012.0

受測量條件的限制，偶極子天線進行周向取向方式的測量過程中，僅采用了 2 m 長的LCX，原因是為了減輕旋轉LCX的工作難度．從表1可以看出，周向取向方式的仿真結果優(yōu)于實測結果，這是因為仿真模型的漏纜長度為 53 m，其長度遠長于實測漏纜長度，仿真模型的空間電磁場疊加效應更強．

2.3　電磁耦合傳感器DLCXS仿真分析

為了驗證上述電磁耦合傳感器DLCXS的理論構建方法，選取兩根上述型號的LCX．兩根LCX的縫隙正對放置，纜間距 3 m，建立如圖7(a)所示的仿真模型．模型中一根LCX用于發(fā)射信號，另一根LCX用于接收信號，從而構建一個DLCXS電磁耦合傳感器．端口1設置為信號發(fā)射端并接入波端口，端口2～端口4設置為波端口匹配狀態(tài)．采用高頻結構仿真(High Frequency Structure Simulation，HFSS)分析軟件，進行4端口網絡仿真分析，不同長度、不同纜間距的DLCXS電磁耦合傳感器的端口耦合結果S13和S14的變化曲線如圖7所示．

圖7　接收端口耦合特性

圖7(a)的電磁場耦合特性表明，當DLCXS軸向長度大于 45 m 時，端口3和端口4的耦合參數趨于穩(wěn)定，端口3的耦合量小于端口4的耦合量，可滿足模型仿真精度所需的最小軸向長度．其端口3或者端口4可以作為信號接收端口，連接接收機處理和顯示接收信號．從圖7(b)可以看出，纜間距越大，接收發(fā)射LCX耦合強度越弱．可以根據DLCX實際敷設環(huán)境，選擇合適的纜間距，達到最佳周界入侵探測效果．

3　結 束 語

為滿足重要設施、區(qū)域和國界遭受恐怖威脅等因素的安全警戒現實需求，筆者借助陣列天線原理進行理論分析，并運用HFSS仿真分析端口傳輸特性，提出了一種新型的基于雙根LCX構建的電磁耦合傳感器．依據國家標準選取HLRHTCYZ-50-42L型號的單根LCX，工作頻率為 40 MHz，進行電氣性能仿真分析和優(yōu)化．結果表明: 縫隙l越長，傳輸損耗越大而耦合損耗越小; 傾角α越大，傳輸損耗越大而耦合損耗越?。紭O子天線水平放置方式的耦合損耗實測值為 62.6 dB，仿真值為 58.3 dB，這兩個結果均優(yōu)于偶極子天線垂直放置方式的結果，呈現出耦合能量的最佳接收方式．單根LCX電氣性能實測和仿真結果吻合良好．這些研究結果為周界入侵探測系統(tǒng)的設計和實現提供了重要參考．

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