-泄漏同轴电缆辐射场的仿真分析

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1、第30卷第3期杭州电子科技大学学报Vol.30,No.32010年06月JournalofHangzhouDianziUniversityJun.2010泄漏同轴电缆辐射场的仿真分析王　娜,官伯然(杭州电子科技大学天线与微波技术研究所,浙江杭州310018)摘要:关于泄漏电缆辐射场的理论方法求解复杂,其辐射场解的理想开放边界与实际使用环境存在一定差距。该文用ANSOFT公司的HFSS三维电磁仿真软件建立了基于耦合型和辐射型两种类型不同几何结构的泄漏电缆仿真模型,对它们的辐射场特性进行仿真分析,该

2、文结果为泄漏电缆实际应用中的场预测和施工设计提供了依据。关键词:泄漏电缆;辐射场;单模辐射;仿真分析中图分类号:TN248　　　　　文献标识码:A　　　　　文章编号:1001-9146(2010)03-0025-040　引　言泄漏同轴电缆,简称漏缆(LeakyCoaXialcable,LCX),是遵循特定的电磁场理论,沿着同轴电缆的外部导体周期性配置开槽口而形成的。在无线通信中兼具信息传输线和收发天线的双重功能,尤其在分立天线无法提供足够场强的区域,如山区、丘陵、地铁、隧道、建筑物等固定体对移动

3、体之间的无线通信,[1]主要靠漏泄同轴电缆实现。传统的理论数值和解析计算显然已经难以满足实际应用的需要,这时更需要借助一些合适的电磁仿真软件快速地为实际应用提供一定的指导作用。AnsoftHFSS,是Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件,是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件,业界公认的三维电磁[2]场设计和分析的电子设计工业标准。该文用HFSS对两种漏缆模型的辐射场特性进行仿真分析。1　泄漏电缆分类及辐射模式漏缆按能量耦合到外部空间机理的不同可以分为耦合型和辐射型两种类型,它们的几何结

4、构各有不同。耦合型泄漏电缆外导体上开有一条连续的槽或者一排小孔,其间距d远小于波长。辐射型泄漏电缆外导体上开有垂直或倾斜的周期性矩形缝隙,耦合间距d与波长(或半波长)相当。两种类型泄漏电缆的电磁波传播方向如图1所示。本文根据两种类型泄漏电缆不同几何结构建立了两种仿真模型,如图2、3所示。为了保证辐射型泄漏电缆工作在单模辐射模式下,先介绍下泄漏电缆的单模辐射理论。2　泄漏电缆单模辐射理论根据空间谐波的辐射理论,具有周期性槽孔结构的泄漏同轴电缆外表面产生无穷多的空间谐波,以满足边界条件。这其中的大多

5、数空间谐波只能以表面波的形式存在,只有谐波阶数m≤-1时才可能[3]产生辐射波。此时的频率范围是-mf1

6、中的光速ε,r为绝缘介质等效相对介电常数,p为开槽口的周期长度。一般情况下,在频率范围[f1,f2]内只存在-1次谐波的辐射,上下限比为2:1。即单模辐射的区域[4]是在f1和f2之间,带宽是。在特定频率下,单模辐射周期范围为:λ/(εr-1)

7、远小于单模辐射周期,而辐射型潜心缆开槽间距位于单模辐射周期内。耦合型和辐射型漏缆仿真模分别如图4、5所示。第3期　　　　　　　　　　王　娜等:泄漏同轴电缆辐射场的仿真分析　　　　　　　　　　　27图4　耦合型仿真模型　　　　　　　　图5　辐射型仿真模型由于仿真工具约束,建模中难以实现合适的激励与周期边界组合,为减小传输线两端非周期边界对场分布的影响,仿真中在允许的计算能力下逐步增加传输线长度并观查传输线中点横载面内的场分布变化,最终达到可接受的收敛精度。为有效减小计算时间,在分析的基础上,采用空

8、心介质圆柱替代同轴线结构并将内外柱面设为理想导体,在家心介质圆柱两顶面分别设置激励端和吸收负载端,根据图2、3数据分别对外柱面导体开孔或开槽,在介质柱外径向根据仿真工具要求设置辐射边界,仿真数据在传输线轴中点横载面内提取。4　仿真结果分析对泄漏电缆模型1和模型2的仿真结果如图6所示。图6中可以看出两种电缆都是在开孔正面方向电场辐射强度大于背面电场强度,因而为获得最佳通信效果须将漏缆的开孔向朝向移动设备。耦合型漏缆电磁场主要分布在电缆四周,通过小孔泄漏出的电磁能量无方向性较弱,并且沿径向迅速衰减。