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移动通信用皱纹漏泄同轴电缆的开发

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    摘 要 由于无线设备价格的降低,无线通信的应用领域也不断扩大,而且无线通信使用的频率也随着高速数据的传输而不断增高,以致微波波段也已得到广泛使用。漏泄同轴电缆(LCX)是在隧道内及地下街等电磁波无法到达的地方用作收发天线的,不过人们对它的带宽要求已从过去的数+MHz提高到目前的数千MHz。皱纹宽带漏泄同轴电缆(W-LCX)是在现有的皱纹同轴电缆外导体上开出辐射电磁波用的孔而制成的,它采用表面波辐射(耦合模辐射)方式,可望具有宽带特性。W-LCX电缆与以往采用辐射模方式的LCX电缆相比,可以用于带宽极宽的场合,而且柔软性和经济性都很好,因此可望在各种无线通信系统中得到应用。


1.前言


用于敞开空间无线通信的天线系统在用于存在好多遮挡物的空间(例如铁路隧道和公路隧道等内部的所谓无信号区)时,往往会出现电磁波受阻而通信困难的情况。在这种情况下,以往都使用兼具同轴电缆特征和天线特征的漏泄同轴电缆来解决问题。
但是,以往的LCX电缆是一种其外导体槽孔必须按照使用频率而周期性排列的辐射机构,在使用频带外存在谐振点,因此使用带宽有限。
近年来,随着无线通信需求的增加,在地下街和大楼等各种场所,对LCX电缆的需求也不断增加;而另一方面,使用频带则涉及移动电话、列车无线通信、防灾无线通信、无线局域网、特定小功率设备、微弱电波等广阔的范围。于是人们也就对LCX电缆提出了具有宽带特性的要求。
为了获得可用于宽频带的LCX电缆,人们对漏泄孔间隔比使用波长短的,采用表面波辐射方式的LCX电缆进行了研究,并以过去用作移动通信基站馈线的皱纹同轴电缆(WF-H同轴电缆)为基础,研制了在其外导体上开出漏泄孔的W-LCX电缆。


2.W-LCX电缆的结构


W-LCX电缆的结构如图1所示。内导体采用软铜管,绝缘采用超高发泡聚乙烯,外导体采用环形皱纹铜管,护套采用黑色聚乙烯。另外,为了漏泄电磁波,在皱纹铜管外导体上沿电缆长度方向开有2列(对角180°)漏泄孔。
3.漏泄孔尺寸的研究


表示漏泄电缆电气性能的主要指标是反映电磁波漏泄量的耦合损耗和反映电缆内部损耗的衰减量。
漏泄孔的尺寸越大,耦合损耗就越小,而衰减则越大。因此需要对漏泄孔的尺寸与耦合损耗及衰减的关系进行研究。
漏泄孔的尺寸用图2所示的长轴来定义,短轴则取决于皱纹的形状。
3.1 耦合损耗


耦合损耗的测量方法是将长度为50m的电缆笔直地直接敷设在地面上,用1/2波长偶极天线测出接收功率。此接收功率与发送功率之比的50%概率值即取作耦合损耗。此时,设天线和电缆间的距离(垂直方向)为1.5m。
图3示出了漏泄孔尺寸(长轴)与耦合损耗特性的关系(实测例)。从图中可以看出,在各频段都存在相同的趋势,即漏泄孔尺寸(长轴)越长,耦合损耗越小。
3.2 衰减


将长度为50m的电缆笔直地直接敷设在地面上,用网络分析仪测量衰减。图4示出了衰减的频率特性。衰减随频率的升高而增加,而漏泄孔尺寸(长轴)越长,因漏泄功率而引起的衰减就越大,故衰减量也越大。
4.电气特性


根据上面对漏泄孔尺寸与耦合损耗及衰减的关系所进行研究的结果,重点对表2所列的2号试制电缆进一步研究了其详细特性。耦合损耗和衰减的测量则按IEC61196-4标准进行。


4.1 耦合损耗特性


在耦合损耗测量中,为了减小地面的影响,将50m长的电缆敷设在1.5m高处。电缆和天线间相隔2m(水平方向)。将1/2波长偶极天线沿电缆移动50m,同时测量耦合损耗的变化水平。耦合损耗的标称值以电缆两端除去5m后,电缆余下部分接收功率的50/95%概率值表示。表3是耦合损耗一览表。从表3可以看出,在各频段下都可看到20~30dB程度的变化,变化周期随着频率的升高而变短。
4.2 衰减特性和电压驻波比(VSWR)特性


衰减特性的测量结果表明,W-LCX50-7S皱纹漏泄电缆的衰减随频率的升高而增加,与常规的皱纹同轴电缆WF-H50-7S相比,其衰减值只增加了电磁波漏泄的部分。
VSWR特性的测量结果表明,在100~2500MHz频段内,W-LCX50-7S电缆的VSWR均小于1.15,不存在大的谐振点。


4.3 耦合损耗的频率特性


用图5的方法对耦合损耗的频率特性进行了测量。测量时使用了1300MHz用的1/2波长偶极天线。
耦合损耗在1300MHz附近最小,在此频率两侧,耦合损耗缓慢地增加。
4.4 长度方向的方向性


测量方法如图7所示。长度方向的方向性用一个比值,即与以电缆中央为中心旋转时最大接收功率的比值来表示。
结果表明,辐射能量集中在馈电侧方向和模拟负载方向周围。


4.5 横向方向性


横向方向性的测量用图8所示的方法进行。横向方向性也用一个比值,即与以电缆轴为中心旋转时最大接收功率的比值来表示。测量结果表明,在W-LCX50-7S电缆的四周都有强的电磁场方向和零电磁场点。
5.敷设方法的影响


采用表面波工作方式的W-LCX电缆与采用辐射模工作方式的LCX电缆相比,前者易受周围环境的影响。因此通过改变电缆与地面间的距离,对耦合损耗及衰减进行了测量。如在离地高度为0.1m,频率为900MHz的情况下测量了耦合损耗和衰减。将测量结果与上述在1.5m时测得的值进行了比较,并将其列于表4。可以看出,与高度为1.5m时相比,在高度为0.1m时,由于地面的影响,耦合损耗增加5dB(50%概率值时),衰减则增加0.3dB/100m。
6.结束语


通过在过去成绩显著的皱纹同轴电缆的外导体上开出漏泄孔而制成了利用表面波辐射方式工作的宽带漏泄同轴电缆。在研究中,已弄清了耦合损耗、衰减、频率特性和方向性等,并对地面等产生的影响也进行了研究。
结果表明,W-LCX电缆具有极宽的带宽,而且由于经济性优异,今后可望用于各种通信系统中。

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