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用于閉域空間（礦井與隧道等）無線通信系統及泄漏同軸電纜的特性
用于閉域空間（礦井與隧道等）無線通信系統及泄漏同軸電纜的特性研究
摘 要
泄漏同軸電纜以其良好的電波覆蓋性能在礦山、地鐵、隧道或建筑物等閉域空間內的無線通信中得到了廣泛的應用，對其電氣特性的研究日益成為研究的熱點。本文探討了礦井無線通信的頻率特性和系統模型，提出今后技術發展的方向。以及在研究了井下地質條件和生產環境對通信頻率的影響因素基礎上,確定了井下無線通信傳輸的較佳頻段,并提供了井下蜂窩通信基站的布置方案。最后就泄漏同軸通信電纜的既能傳輸電磁波信號,又可發射電磁波信號的獨特性能進行了分析;對其特殊性能的應用進行研究.并探討其應用和發展前景.并且從泄漏同軸電纜(簡稱漏纜)的結構出發，介紹了漏纜的幾何參數和物理參數，然后由結構進行輻射原理的探討，分析了其輻射模式，并且運用柱面傅里葉變換由外導體上的開槽處的場分布得到漏纜在自由空間的輻射場，進一步分析了存在反射的非自由空間內輻射場的求解，討論了漏纜的位置對輻射場的影響。然后，提出了泄漏同軸電纜的幾個重要的電氣特性指標，探討在設計漏纜的頻帶、駐波比、禍合損耗、傳輸衰減等重要指標時的基礎理論和相關問題，接著對漏纜的電氣特性指標進行了綜合設計。最后分別介紹了漏纜在地鐵、公路隧道、建筑物等閉域空間中的具體應用，比較了天線輻射和漏纜輻射的覆蓋性能差異，提出了利用漏纜實現無線通信
關鍵詞 泄漏電纜；無線通信；輻射場; 頻帶; 耦合損耗;Abstract
Leak coaxial cable with good radio coverage performance in mining, the MTR, tunnels or buildings closed space within the domain of wireless communication has been widely used, its electrical characteristics of increasingly become a hot spot. This paper explores the mine wireless communication frequency and system model, the future direction of technical development. And the study of the underground geological conditions and the production environment on the frequency communications on the basis of factors, identified underground wireless communications transmission band better, and provided a cellular communications Underground station layout program. Finally leakage coaxial cable transmission of electromagnetic signals can, electromagnetic signals can launch of the unique properties of the analysis; its special properties of research. and explore its applications and development prospects. and leakage from the coaxial cable (cable leakage ) structure, introduced the cable missed the geometric parameters and physical parameters, then the structure of radiation theory, analysis of the radiation pattern and the use of Fourier transform cylindrical outer conductor from the slot on the distribution cable to be leak free space in the radiation field, further analysis of the non-existence of reflection free space within the radiation field solution discussion of the location of cable leakage of radiation field. Then, a leak of several important coaxial cable to the electrical characteristics of indicators, designed to explore the frequency leakage cable, VSWR, coupling loss, attenuation, and other important indicators of the basic theory and related issues, Then the electrical cable leakage characteristic indicators of the overall design. Finally introduced in the MTR missed cable, highway tunnels, buildings and closed space domain specific applications, Comparison of the antenna radiation and radiation leakage cable coverage performance differences, the use of leak cable wireless communication options.
Key words: leaky coaxial cable, wireless communication radiated field, frequency band, coupling loss,
第一章 緒論
1.1礦井及隧道無線通信系統探討
40 年來, 國內外作了多次井下無線通信試驗, 研制了部分礦井無線通信的設備。90 年代以后,隨著通信技術的發展,礦井無線通信逐漸進入實用階段。由于礦井情況復雜,理論研究相當困難,因此礦井中的無線通信主要以實驗為基礎緩慢發展。試驗表明, 在中短波頻段, 礦井隧道對電波衰減最大, 通信距離最近。這可以認為是隧道尺寸與波長比擬產生諧振吸收或電波在有限空間內多次反射能量消耗的結果。在超短波,通信距離隨著頻率升高而增加,電波傳播衰減逐漸減小。這種單調的反比變化是由于隧道對更高頻率的電波漸呈波導作用引起的,因而傳播條件逐漸改善,通信距離加大。在微波頻段,隨著頻率升高衰減變得很小,因此隧道可認為是微波通信的波導型通道。這是由于隧道直徑遠遠大于波長,微波信號在隧道中獲得了相對較大的自由傳播空間形成的。上述實驗表明,隧道斷面尺寸決定了截止頻率。斷面大,截止頻率低,通信效果就好;斷面小,截止頻率高,則必須選擇更高的信號頻率才能實現井下無線通信。
1.2 礦井隧道無線通信方式
礦井隧道通信的特點是封閉于地下的局部環境中, 與地面通信無相互干擾, 因此可以根據需要進行開發, 但應符合通信的發展,進行統一規劃以減少重復投資。
1.2.1低頻導引通信
低頻導引通信工作在幾百kHz 的低頻段, 利用同軸電纜引導信號傳輸。為使電波向電纜外的巷道內輻射, 每隔幾百米在電纜上裝一個輻射器, 以實現井下的無線移動通信。系統結構如圖1 所示。
圖1 低頻導引通信系統
由于頻率低、電纜的傳輸損耗小(2 dB/ km～4 dB/ km) ,因而通信距離大。低頻導引通信可直接覆蓋10 km 左右來滿足井下通信的要求, 如果加接中繼器, 通信距離可繼續擴大, 因此低頻導引通信系統簡單實用,造價最低。低頻導引通信的主要弊端是存在井下的各種低頻電磁干擾, 因此話音質量差, 數據誤碼率高, 可靠性低。但是由于價格低廉,仍是一些公司(如南非的GST) 致力研究和發展的一種井下通信系統。
1.2.2 短波漏泄通信
短波漏泄通信使用漏泄同軸電纜引導信號。在短波, 漏泄電纜比普通同軸電纜的傳輸損耗略大(約20 dB/ km～40 dB/km) ; 當頻率更高時, 漏泄能量隨頻率升高急劇加大, 漏泄電纜的傳輸損耗比普通電纜大得多,因此為了遠距離傳輸,漏泄通信的頻率選在20 MHz～150 MHz 的短波和超短波低端, 為了彌補能量損失,每隔幾百米加
圖2 泄漏通信系統
一個中繼雙向放大器,以實現井下的遠距離無線通信。系統結構如圖2 所示。短波在隧道中傳播條件最差,衰減最大,因此短波信號在礦井中產生和受到的干擾也最小, 是井下無線通信中最有利于抗干擾的頻段。同時這個頻段的地面通信設備和技術非常成熟，所以短波漏泄通信成為許多國家發展礦井無線通信的共同選擇,如德國、英國、美國等。
1.2.3 微波通信
由于礦井隧道對微波頻段在一定程度上相當于通道, 因此在許多情況下采用微波直接通信更為簡便有利, 我們采用900MHz 頻率在汾河公路隧道和平魯煤礦中的試驗也證明了這一點。微波通信適用于幾百米～幾千米的直巷道通信,如鐵路、公路隧道和礦山主巷道等。通信距離同時取決于隧道的斷面尺寸、頻率和通信天線的型式等多種因素。微波頻段沒有工業設備的電磁干擾, 對于抗環境電磁干擾極為有利。同時電纜對微波信號的傳輸損耗很大, 因此不能采用微波導引方式。這說明微波是一個有利于通信的頻段, 但其通信距離被嚴格限制。微波通信還未在礦井通信中投入實用。鑒于它的特點, 發展微波—短波組合的通信方式可望使礦井(包括工作面在內) 的無線通信更加完善。
1.3礦井隧道無線通信的技術發展
隨著通信技術的高速發展, 許多地面通信中的技術正進入礦井與隧道。
(1) 采用多層電路板和大規模集成電路技術, 使電路簡單化、性能穩定、可靠性提高,設備的體積和重量也得以減小。
(2) 采用DTMF 編解碼技術實現尋呼功能。
(3) 采用多信令形式提高系統的靈活性和抗干擾能力。
(4) 通過交換機與地面通信網互聯。
(5) 采用導頻技術抑制噪聲。
(6) 采用音頻壓縮和擴展技術改善通話質量。
(7) 研制各種高效天線,減小尺寸,提高通信效率。
(8) 研制多系統合路技術, 使各種井下專用通信系統共網
建設。
(9) 加速井下數字通信系統的發展,改善井下通信質量。
1.4 結束語
礦井隧道對無線電波呈高通特性, 礦井隧道無線通信作為通信行業的一個新領域已進入實用階段, 理論研究和技術開發上有極大的發展潛力,隨著數字通信技術的發展,礦井隧道無線通信將進入一個新的發展階段。隨著通訊技術的發展, 無線移動通信呈現以下發展趨勢: (1) 向更高頻率方向發展, 應用頻率范圍從50～ 150MHz 頻段轉變到450～ 1800MHz 頻段, 通訊容量更大; (2) 向高品質線路方向發展: 數字傳輸, 高碼速傳輸⋯ (3) 朝人口密度相對集中的市區和限定區域發展: 如隧道、半埋高速公路、地下停車場、礦井等; (4) 特殊的場合通信的特殊要求: 如軍事管制區、監獄、金庫的防盜報警系統的通信. 電磁波在這些區域傳播時產生多效應并被吸收, 在此區域用天線來傳播信號通常非常困難, 而泄漏電纜恰巧可以解決這一問題. 無論傳播信號的環境本身的質量如何, 泄漏電纜均能確保通信的可靠性.泄漏電纜是一種屏蔽不完善的特種通訊電纜, 它既具有傳輸線的特性又具有無線電發射天線的性質. 即一方面它可以導引電信號沿電纜軸向傳輸, 另一方面又向電纜徑向周圍輻射電磁波信號. 泄漏的電磁波信號可以被電纜沿線與電纜有一定距離的接收設備接收; 或進行相反的過程, 即移動發射機發射信號, 電波饋進泄漏電纜傳輸到固定接收機. 泄漏同軸電纜是利用輻射場的傳輸線, 能量沿電纜傳輸過程中一部分能量以輻射波的形式沿線均勻地發射出去, 這些輻射波的發射方向是垂直于傳輸方向的. 大部分能量仍沿電纜內傳輸. 根據泄漏電纜這種既能傳輸信號, 又能輻射信號的獨特性質, 所以它可解決無線電無法傳輸信息區域的信息傳輸問題.
第二章 礦井無線通信系統的頻率選擇
2.1 影響頻率的因素
與地面相比,井下地質和生產環境對通信頻率影響較大的因素有:(1) 衰減與頻率的關系。礦井巷道對電波的自由傳播可視為帶阻型。在甚低頻段、低頻、中頻的低端,隨頻率增大;衰減增大,在中頻高端、高頻頻段,衰減達到最大,30 MHz 電波的衰減最大,最不利于傳輸;進入甚高頻后,衰減隨頻率上升而減小。(2) 衰減與曲率的關系。衰減隨著巷道曲率增大而增大,如900 MHz ,對于同樣巷道壁、截面大小一樣的巷道,平直時,傳輸距離可達600 m 左右;當巷道彎曲90°時,傳輸距離只有300 m。又如頻率為415 MHz 時,直線傳輸距離可以達380 m ,而遇到拐角時只能達到127 m ,可見有拐角的傳輸距離一定小于直線的傳輸距離。對于平直而不受阻擋的巷道而言,頻率越高傳輸衰減越小,但當頻率升高時,電波的拐彎能力變差,拐角處的損耗增大,傳輸距離減小。(3) 衰減與粗糙度、傾斜率的關系。當電波在巷道中傳播時,由于巷道壁的粗糙與傾斜,將引起電波損耗。根據有關文獻的理論分析和實驗可知,當頻率較低時,粗糙所引起的損耗較大;當頻率較高時,傾斜所引起的損耗較大。(4) 導體對無線傳輸的影響。由于縱向導體的導波作用,當巷道內存在動力電纜、通信電纜、信號電纜、電機車架空線、鐵軌、絞車鋼絲繩、水管等縱向導體時,礦井無線傳輸的衰減將減小,并且縱向導體與巷道的絕緣性能越好,越位于巷道中央傳輸衰減越小[ 3 ] 。在中頻、低頻段縱向導體的導波作用較大,中頻段傳輸距離可達2 500 m ,隨著頻率的增高,縱向導體的作用越來越小。在特高頻及其以上頻段,縱向導體的作用可以忽略不計。(5) 衰減與巷道斷面的關系。根據理論分析和實驗可知,巷道斷面大比斷面小對通信更有利。(6) 井下設備對無線傳輸的影響。井下設備較多、較復雜而且形狀不一致,無論是理論分析還是試驗驗證都較困難。目前較一致的結論是:機車對無線傳輸的不利影響較大;木制風門對無線傳輸的不利影響較小,鋼木混合風門對無線傳輸的不利影響較大,而鋼制風門可以阻斷無線傳輸;臨時性風墻對無線傳輸的不利影響小,永久性風墻對無線傳輸的不利影響大,并且隨著頻率的增高損耗增大;感應線對低頻較為敏感,當頻率低于10 MHz 時,感應傳輸距離比自由傳播大很多;當頻率大于100 MHz 時,兩者相差已不顯著。從上面的分析可知,在礦井內,對無線傳輸有利的條件是高傳輸頻率,對無線傳輸影響較小的是大的巷道截面積、巷道內的縱向導體,對無線傳輸不利的條件是巷道的拐彎、分支、金屬或混凝土制的風門、風墻、通過的電機車等。通過對礦井無線傳輸特點的分析可以看出,特低頻段、甚低頻段、甚高頻段、特高頻段衰減較小。如果選擇特低頻段和甚低頻段,則要求發射機功率大,天線長度長,會給煤礦工人的工作和行走帶來極大的不便,很難滿足煤礦的實際需要。在甚高頻段和特高頻段,頻率越高,衰減越小。應盡量選擇甚高頻和特高頻頻段。從前人對井下工作環境影響電磁波傳輸的研究成果中可以看出,1 000 MHz 為礦井無線傳輸的較低價格,選ISM 頻段(868～915 MHz) 較合理,這樣也利于與地面移動通信系統兼容和利用現有的技術成果。另一個使用ISM 頻段的原因是考慮到移動設備的體積,使用該頻段天線尺寸和設備體積遠小于用高、中、低頻的天線尺寸和設備體積。
2.2 井下蜂窩通信網基站布置和復用頻率組的確定
井下的工作區域是由巷道相連組成,如盡可能在拐彎和分叉的中心處設立基站,這樣蜂窩小區的布置是條狀的,如圖1 所示。
圖1 將基站設在分叉和拐彎的中心
圖2 表示條狀服務區,A 、B、C、⋯K 為基站, r0為基站覆蓋區半徑; a 為重疊區寬度�？梢钥闯�,當
移動臺處在覆蓋區邊緣X 點時,遭受鄰區干擾影響最為嚴重。X 點的移動臺載波/ 同頻干擾比C/ I 可
計算如下:
二頻組:A 和C 基站使用相同頻率
三頻組:A 和D 基站使用相同頻率
n 頻組:A 和第( n + 1) 個基站同
圖2 條狀服務區基站的頻率組成
3 結束語
根據CCITT 標準對小區制規定,要求小區制系統的載波/ 同頻干擾比C/ I ≥18 (dB) ,小區的半徑R = 400 m ,重疊區寬度a = 70 m。由式(1) 和式(2)計算二頻組和三頻組的C/ I 分別為26. 0 ( dB) 和16. 9 (dB) 。為了符合CCITT 的標準應采用三頻組。
第三章 特種通信電纜——泄漏電纜的介紹
:
3.1 理論分析
泄漏電纜是通過外導體屏蔽的不完善性來實現信號泄漏作用的. 和普通通信電纜在結構上的區別在于其外導體的結構不是封閉結構, 而是人為開有一些槽孔. 其典型結構有①八字槽式泄漏; ②螺旋泄漏電纜; ③縱向開槽泄漏電纜; ④打孔式泄漏電纜; ⑤松編織泄漏電纜等.利用圓柱坐標系分析泄漏電纜周圍的電磁場, 電纜按如圖1 所示放置在圓柱坐標系中.首先從適用于自由空間的亥姆霍茲方程分析:
圖1圓柱坐標系下泄漏電纜電磁場分析
式中: H 為磁場強度; t 為時間; C 為光速, C= 3×108mös 方程的通解的形式為
式中: r 為到電纜軸線的距離; z 為沿電纜軸向的距離; X 為電磁波的角頻率; t 為時間; B為沿Z 軸方向的相位常數;M ( r) 為描述電磁場的減小量與到電纜距離的關系的量.將方程(2) 代入方程(1) 亥姆霍茲方程轉化為M ( r) 函數的方程:
式中:
函數的變化過程主要取決于 的符號:
1) 如果為負, 函數M ( r) 隨r 作指數衰減(凋落場) , 我們稱之為耦合模. 方程(3) 的解表示能量流平行于電纜軸向傳輸. 電磁場能量集中在緊鄰電纜的周圍空間并且隨相對于電纜的距離的增大而迅速減小. 限制在電纜周圍的電磁波大部分沿電纜軸向傳播, 少部分隨機徑向散射.
2) 如果表達式 為正, 函數M ( r) 為r 的虛指函數(導波場) , 我們稱之為輻射模. 這些模的所有小孔的輻射波的同相位疊加, 與用天線傳播時相比, 僅是這里沒有調諧的影響.泄漏電纜的能量一部分沿電纜軸向傳播, 一部分沿電纜徑向以電磁波的形式輻射出去, 其傳播能量的示意如圖2 . 其傳輸能量與輻射能量的分配與泄漏電纜的結構有直接關系. 普通的泄漏電纜有諸如高耦合損耗、受環境影響強烈、傳輸場有較高的散射損耗等缺點, 但近些年對輻射模泄漏電纜的研究使泄漏的應用性能已非常成功.
圖2泄漏電纜傳輸能量分配圖
3.2 應用研究
3.2.1 在坑道、隧道、煤礦井下等電磁波難以傳播的場所的通信
這些場所一般有較多的拐彎處, 內壁比較粗糙, 對電磁波有隔斷、反射、吸收作用, 使無線電信號難以傳播或信號傳播距離很難達到要求, 而這些場所的通信又是至觀重要的. 泄漏電纜恰巧是最有效的解決方法. 當泄漏電纜沿坑道、隧道、井下敷設后, 這些地方就充滿了泄漏出來的電磁波, 處在這些地方的無線電臺或傳呼器就可以接收到外部傳來的信息. 同時也可以用另一條泄漏電纜向外傳送信號, 這樣就保證了通信暢通, 對保證井下安全等具有重大意義。在這方面應用的例子很多,如我國北京地鐵就敷設了泄漏電纜, 一些煤礦井下也敷設了這種電纜; 在國外比較典型的如英吉利海峽海底隧道中敷設了250 公里的輻射泄漏電纜,包括從主隧道到小的服務支線, 從隧道終端到通風機操作室. 工作頻率可工作在100MHz 到900MHz . 任何人在任何地點均可通過450MHz 頻段的手機進行通訊. 亦可轉播交通管制情況、視頻信號和話音信號.
3.2.2 在移動通信的應用
袖珍電臺無線系統的大發展, 各種新型通信業務的日益增多, 在高樓、大廈、船舶、煉鋼廠、或屏蔽很好的核電場內部, 無線電不能自由傳播, 難以實現移動無線通信, 必須采用泄漏同軸電纜來構成移動通信系統. 同樣在展覽大廳、大會會場敷設泄漏電纜后, 可以使用無塞繩電話進行通信, 方便靈活, 機動性好. 在日本采用較高級的帶中繼的泄漏電纜通訊系統, 采用多個增音機來實現較長距離的信號接力. 以列車對基地電臺移動相對固定的通信為例, 基地電臺向列車發送450MHz 的射頻信號, 中繼器1 將此信號送入電纜, 與此同時, 中繼1 還將產生15MHz 的中頻信號一起送入電纜, 射頻信號可以從電纜內輻射出來, 供列車通信使用, 而中頻信號不會從電纜泄漏出來, 而是以低損耗傳輸到下一個中繼器2在中繼器2 內的中頻信號的一部分變成射頻信號, 沿線路輻射, 而剩余的中頻信號再傳到中繼器3, 如此可實現遠距離通信.
3.2.3 頻域覆蓋和區域監護
由于泄漏電纜的電磁波信號只分布在相對有限的范圍內, 可以減少日益嚴重的電磁波污染.利用泄漏電纜可以對一些區域進行電磁波的覆蓋或監控保護. 如珍貴自然資源保護區、軍事要塞、博物館等. 我們也可以將泄漏電纜作為CA TV 電視電纜使用, 這樣可以不要連接器、分配器和引線, 就可清晰地接收CA TV 電視信號, 而且電視可任意移動.采用泄漏電纜作為傳感器的導波雷達是防止罪犯的有效手段, 可構成安全可靠的防盜防入侵的報警系統. 它和普通雷達不同在于它的脈沖波不是在自由空間傳播, 而是通過泄漏電纜導引, 在電纜沿線周圍空間產生電磁場分布. 當電纜沿線出現入侵者, 即會改變電場分布,引起信號反射, 反射信號再經另一根泄漏電纜傳到接收機, 經識別判斷報警.
3.3 結束語
泄漏電纜具有傳輸線和無線電天線的雙重性能, 能提供受導引的泄漏電磁波信號. 因其這種優異的電磁特性, 使它有非常重要的使用價值. 從理論分析到工程實例表明: 在許多無線通信無法實現的場合或外界傳播條件非常惡劣的情況下, 泄漏電纜均可實現自由通信.
第四章 泄漏同軸電纜的電氣特性指標
4. 1泄漏同軸電纜的頻帶
為保證輻射場的波動較小，通常希望漏纜工作在單模輻射頻帶，在漏纜頻帶不做擴展時，單模輻射頻帶為f1一2f1,其帶寬為為漏纜介質層的介電系數，P為漏纜縫隙的周期。為自由空間電磁波的傳播速度，通常f1的取值為幾百兆赫，而隨著漏纜向寬頻帶方向發展，幾百兆赫的帶寬無法滿足通信的需求，因此需要將單模輻射頻帶擴展。
下面將分別介紹兩種不同開縫方式的漏纜的頻帶擴展方法。
(1)垂直開縫的頻帶擴展方法
對于垂直開縫的電纜，抑制高次模的具體方法是在電纜外部導體上原有的開縫附近增加一系列的開縫，增加的開縫同樣具有周期性，周期與原來的開縫相同都為P。如圖4-1所示，在每一周期中增加的開縫與原開縫相距為P，這相當于原坐標系向右平移了P。
（4-1）
設原來的周期函數為Zo(z)，由疊加原理可知，總的周期性函數Z(z)為Z1(z)和Zo(z)兩者之和
: (4-2)
圖4-1垂直開縫抑制高次模輻射的結構
如果一個周期內增加的開縫數為，增加的開縫間距均為P1，則總的周期函數Z(z)可寫為:
（4-3）
由上式可以看出，只要，即可將m次模式抑制掉，即要求滿足下列關系:
（4-4）
要抑制掉-2次模式，令m=-2，則P1=P|2(}+1) }P1,可根據進行調節，以滿足設計中其他特性指標的要求。假定=l，則P1=P/4，單模輻射頻帶擴大為，帶寬比原來增加一倍。如果要在此基礎上抑制-3次模式，則需要在原有的所有開縫(包括新增加的開縫)附近又增加一些開縫，增加開縫與原開縫的間距為P2，則有
（4-5）
若P2=P/6，m=-3,則，-3次模被抑制，單模輻射頻帶增大到,帶寬為3大大擴展了單模輻射頻帶。
(2)傾斜開縫的頻帶擴展方法
對于傾斜開縫的泄漏同軸電纜來說，接收天線主要接收其輻射的周向極化波，所以這里我們只考慮電場的周向分量E。其平面示意圖如圖4-2所示:
圖4-2傾斜開縫抑制高次模輻射的結構
這里與垂直開縫抑制高次模輻射的結構不同的是，不但要在原開縫附近增加新的開縫，而且要使新的開縫與z軸成的傾角與原來相反，則其z向周期函數可由式(4-2)中的十變為-，同時令P1=P/2即可得到，它表示如下:
（4-6）
從上式可以看出當m=-2-4,-6...時，E的偶次模式均為0,如果能將-3次模式抑制掉，則單模輻射頻帶變為，帶寬擴大到4。抑制-3次模式的方法為在圖4-2結構中的開縫附近增加新的開縫，新的開縫相當于原有開縫整個向右平移P/6得到，其結構圖如下圖所示，此時總的周期函數可通過式(4-6)的坐標變換和疊加原理得到
圖4-3傾斜開縫抑制-3次模式的結構
（4-7）
m=-3時，-3次分量為0，因此-3次模式被抑制掉了，單模輻射頻帶變為，帶寬擴大到4，為原來最初帶寬的4倍，單模輻射頻帶被大大擴展了。
上面介紹的是單模輻射頻帶擴展的情況，由于受限于漏纜介質層的介電常數，所以通常得到的單模輻射頻帶不能滿足實際通信的要求，因此如果要進一步擴大頻帶，例如80-2600MHz，就需要考慮多模輻射頻帶，通常只要輻射場滿足波動范圍不超過一定的范圍，仍然可以利用多模輻射頻帶.
（4-8）
若小于所需頻段的頻段比則可以通過改變高次模電波的輻射方向來減小輻射長的波動范圍，通常標準系統中允許的場波動小于25dB，只要滿足該要求，則對應的多模輻射頻段可用。
4. 2泄漏同軸電纜的藕合損耗
4.2.1耦合損耗的理論計算
泄漏同軸電纜的設計指標有頻帶、耦合損耗、輻射角度等，而禍合損耗是漏纜區別于其他射頻電纜的唯一指標，它決定了電波的覆蓋范圍，所以是漏纜設計的關鍵指標之一。本節將由開縫處的電場分布的柱面傅里葉變換得出天線接收的輻射場以及接收功率，并利用接收功率和電纜傳輸功率的對數比得出禍合損耗，最后討論藕合損耗的幾個影響因素，為漏纜禍合損耗指標的設計提供理論依據。 在分析時，以垂直開縫的輻射型漏纜為例。首先考慮與軸向垂直的外導體單個隙的情況，如圖4-4所示。在外導體表面上的單個垂直縫隙內的場分布可由下式表示
（4-9）
圖4-4漏纜外導體開縫坐標
上式中0<z<w, a, b分別為同軸電纜的內外導體半徑，Vo為激勵電壓，k為自由空間的波數，w為縫隙寬度，由于w很小可以認為E沿z向是不變的。由E:的表達式可以求得其柱面傅里葉變換為:
（4-10）
（4-11）
其中m=kb，外導體上開縫的遠區輻射場如圖4-5所示，當r很大時可由下式表示:
（4-12）
其中
（4-13）
和分別為n階第二類漢克爾函數及其導數。
圖4-9縫隙遠區輻射場示意圖
在=0平面內 圖4-10為平面內的方向圖，從圖中可看出正對著漏纜的=0處場最強，所以在測量禍合損耗時偶極天線應正對著漏纜。上面分析了單個縫隙的輻射場，而漏纜外導體上周期性地分布著多個縫隙，周期為P，如圖4-11所示。在遠場區，自z=0處計算的第t個縫隙的輻射場表達式如下:
（4-14）
由于電纜內電波的傳播會使得各縫隙輻射源存在相位差，所以上式中附加了電纜內電磁波的相移因子。
圖4-10 E在H面內的方向圖
圖4-11漏纜輻射場圖
圖4-11中,與r相互垂直，并且有為自由空間的波阻抗，而某點的場由所有縫隙的輻射場疊加得到:
（4-15）
設測量的漏纜長度為2L ,漏纜周期為P , M=L/P，則t取值為-M，-M+1,..M o偶極天線的接收功率可由到達天線的坡印廷矢量與標準半波長偶極天線的有效面積的乘積得到，標準半偶極天線的有效面積為，則天線接收功率為:
（4-16）
漏纜的傳輸功率為：
（4-17）
本文中取。漏纜的耦合損耗可由下式計算:
（4-18）
通常在測試耦合損耗時，都是將天線置于正對電纜的1.5m或2m處，然后沿軸向測量各點的值。如果有50%的測試點的值小于某一值，則該值記為如果有95%的測試點的值小于某一值，則該值記為，通常取為漏纜的耦合損耗值。
4. 2. 2耦合損耗的影響因素
下面討論垂直縫隙的開縫角度a、縫隙周期p、頻率f等因素對漏纜耦合損耗的影響。本文將各參數設為a= 6mm, b =16mm, e, = 2.5, L=40m，天線與漏纜距離為2m。首先討論在f=900MHz, P =1.2時耦合損耗隨縫隙角度的變化情況。圖4-12中從上而下的三條曲線分別對應的情況，從圖中可以看出，耦合損耗沿電纜軸向呈周期性變化，而且縫隙角度越大，耦合損越小。這說明增大開縫角度以后，漏纜向外輻射的能量增多了，電波在周圍空間的覆蓋范圍會增大。
圖4-12耦合損耗與縫隙角度的關系
圖4-13為f=900MHz, a=90”時耦合損耗隨縫隙周期的變化示意圖。從圖中可以看出縫隙周期越小，禍合損耗越小，而且周期性越明顯。
圖4-13藕合損耗與縫隙周期的關系
圖3-14為耦合損耗隨頻率的變化示意圖。由圖4-14可知，頻率越高，耦合損耗越小，所以漏纜通常使用在很高的頻段。若縫隙與軸向不垂直時，縫隙口面的電場分布會出現周向分量，而且軸向分量,不能再簡單地用(4-9)表示，因此傾斜開槽的縫隙口面的電場分布將更加復雜，這里暫不討論傾斜開槽的漏纜的禍合損耗，但是其影響因素與垂直開槽是相同的。
圖4-14耦合損耗與頻率的關系
4. 3泄漏同軸電纜的傳輸衰減
4. 3. 1傳輸衰減的組成
泄漏同軸電纜的傳輸衰減是描述電纜內部所傳輸電磁能量損失程度的重要指標，通常由導體衰減、介質衰減和輻射衰減三部分組成，可表示如下:
(4-19)
上式中a為總衰減，和分別表示導體衰減、介質衰減和輻射衰減，下面分別介紹這幾部分。
4. 3. 2導體衰減
如果假定漏纜的內外導體均為理想導體，則電磁波在漏纜內部傳輸是將不存在導體衰減，但實際采用的導體材料電導率都不是無窮大，因此通常導體衰減都是都不為零。當導體電導率為有限值時，導體表面的電場切向分量不再為零，此時電波將進入導體內部，為導出導體損耗功率P1的計算公式，設電纜內外導體表面上的微元面積dS = dldz , dl和dz分別為電纜周向和軸向的微元長度，則在該微元面積上損耗功率為
(4-20)
其中分別為漏纜外導體內壁和內導體外壁附近磁場切向分量幅值，分別各自的表面電阻，可表示為
(4-21)
于是單位長度上的損耗功率為
(4-22)
上式中P為電纜的傳輸功率，可表示為
(4-23)
上式中為磁場的橫向分量的幅值，Z為對應傳輸模式的波阻抗。
圖4-15同軸線TEM模的場分布
如圖4-15所示，對于同軸電纜的主模TEM模來說，電纜橫截面上的磁場
(4-24)
在外導體內表面處有
..(4-25)
在內導體外表面處
(4-26)
有將(4-24)和(4-25)代入(4-26)得到
(4-27)
而((4-23)可表示為
(4-28)
而導體衰減可由下式得到
(4-29)
將(4-27)和(4-28)代入(4-29)中得到導體衰減
(4-30)
圖4-16導體衰減與頻率的關系圖
上式中為漏纜的特性阻抗，通常取或者。由(4-21)和((4-22)可知，成正比關系，工作頻率越高，導體衰減越大。由于銅管具有高的電導率，內外導體通常選取銅管為材料以降低導體衰減。圖4-16為導體衰減與頻率的關系圖，計算時內外導體材料都采用銅管，的單位換算成dB/Km。從圖中可以看出導體衰減隨頻率增大緩慢上升，所以在實際應用時為保證漏纜的傳輸功率需再傳輸線路中加入中繼器。
4.3.3介質衰減
當泄漏同軸電纜介質層的介質為非理想介質時，會產生介質衰減，它包括兩部分，一部分是由介質的電導率引起的，另一部分則是由介質極化阻尼引起的，表現為不再是純實數，而是一個復數，稱為復介電常數，記為，可表示如下
由麥克斯韋方程有:
為此，可定義等效介電常數
其中
稱之為介質的損耗角正切，由于微波波段的比大得多，所以可近似表示為
根據傳播常數方程，有
上式中只為工作模式的介質波長。當損耗較小時，，且工作頻率遠高于截止頻率時，(3-42)中最后一個因子可用近似處理，則有
將上式的實、虛部分開即得
式((3-44)就是介質衰減的表達式，對于TEM來說， (3-44)變為
由上式可知，當漏纜傳輸TEM模時，介質衰減與頻率和損耗角正切成正比。為降低漏纜的介質衰減，需選取恰當的介質使得損耗角正切盡量小，通常選取泡沫狀聚乙烯作為漏纜的絕緣介質。
_
圖3-17介質衰減和頻率的關系
圖3-17為介質衰減和頻率的關系圖，計算時采用聚乙烯為絕緣層材料，其損耗角正切為，介質衰減采用dB/Km作單位，從圖中可以看出介質衰減隨頻率直線上升，其上升的速率要比導體衰減快很多，在較低的頻段介質衰減相對于導體衰減來說是很小的，但當頻率接近2GHz時，介質衰減于導體衰減大致相當。
4.3.4輻射衰減
泄漏同軸電纜的輻射衰減是指同軸電纜開縫后，由于輻射的存在使得傳輸衰減增加的部分，它可由輻射衰減，來衡量。它取決于電纜的縫隙結構(尺寸和傾斜角度)，同時還受頻率和周邊環境的影響。
當LCX電纜只輻射基模時，電纜周圍的輻射功率是均勻的，耦合損耗與輻射衰減間的關系用式(3-47)表示
的單位是dB/Km，r為漏纜和接收天線的距離，通常取1.5m或2m。圖3-18為禍耦合損耗和輻射衰減以及頻率的關系圖，從圖中可以看出禍合損耗隨輻射衰減增大急劇下降。這可解釋為漏纜的輻射衰減越大，其輻射能力越強，向外部空間輻射的能量越多，因此禍合損耗越小，從而在漏纜周圍空間的電波覆蓋范圍越大。此外，輻射衰減一定時，漏纜的禍合損耗還受頻率影響，頻率越高，耦合損耗越小。
圖3-18耦合損耗和輻射衰減以及頻率的關系
4. 4泄漏同軸電纜的總損耗
4. 4. 1總損耗的定義
漏纜總損耗指標是鏈路設計的依據，它定義為電纜傳輸損耗與耦合損耗之和，它可以用下式表示
式((3-48)中為耦合損耗，為傳輸衰減，為電纜的總長度。漏纜總損耗不得超過允許的系統損耗(發射功率-接收靈敏度)。以蜂房系統為例，其許可的系統損耗典型值為130dB，而共用器、屏蔽和其它因素引起的衰減會有15dB左右，因此，考慮系統余量，漏纜總損耗應不超過105dB。上述耦合損耗是建立在天線離漏纜為2米的前提下的，如果假定天線距離是6米，所測得的耦合損耗會高大約5dB。
圖3-19給出兩條尺寸相同但漏泄量不同的漏纜的總損耗示意圖，其中漏纜①的輻射大于漏纜②，禍合損耗小于②，但傳輸損耗于大于②�？梢钥闯�，隨著長度的增加，輻射較大的漏纜①的總損耗將超過漏纜②并且其動態變化比較大。
圖3-19兩根漏纜總損耗的比較
4. 4. 2總損耗的動態范圍
由移動臺相對于漏纜的位置變化而引起的移動臺和基站之間的環路損耗之變化相當大。只有基站和移動臺時，總損耗的波動變化不是問題，因為基站和移動臺都有很大的動態適應范圍:自動增益控制(AGC)可以補償遠近效應以及因屏障和名徑引起的瑞利衰落。
但是一旦引入中繼器(尤其是光中繼)，上行信號的動態范圍就成了問題:如果信號電平太低，可能被噪聲淹沒;如果信號太強，會引起波帶內的互調�？梢栽谥欣^設備端下功夫:如采用低噪聲放大器以增加靈敏度;采用選頻中繼器以抑制互調干擾;或在寬頻中繼器中采用前饋技術增加線性。
總損耗的動態范圍對于系統設計是十分重要的，各收發信機都對其有要求。所以，使漏泄電纜的總損耗動態范圍盡量小是有利的。影響總損耗的動態范圍有兩個因素:傳輸衰減的漸增;禍合損耗的抖變(瑞利衰落)。下面分別介紹這兩種因素引起的動態范圍。
沿著漏纜軸向向前，總損耗(傳輸損耗和耦合損耗之和)在增加。因此，沿軸向逐步減小耦合損耗以補償縱向傳輸衰減，電纜的可用長度會顯著增加。按耦合損耗逐步遞減(相對漏泄量遞增)的原理分段設計槽孔結構(譬如槽孔由稀變密)可以減小全段漏纜的總損耗動態范圍—即沿線的實際場強分布較之常規漏纜會比較均勻。
圖3-20總損耗動態范圍的減小
如圖3-20所示，①為未補償時的傳輸損耗和總損耗曲線，可見動態范圍很大，②為對漏纜進行分段補償后的傳輸損耗和總損耗曲線。在各段距離內，漏蘭外導體開縫周期不同，在近距離段開縫周期較大，耦合損耗較大，在遠
距離段開縫周期較小，藕合損耗較小。耦合損耗在各段距離的交界處由高到低突變，由禍合損耗和輻射衰減的關系可知，輻射衰減必然由低到高突變，因此傳輸損耗也在各段距離交界處由低到高突變，但是傳輸損耗和耦合損耗之和隨著軸向距離的增加變化的幅度會降低，因此圖示的總損耗的動態范圍
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