張 沖 王均宏 陳美娥 張 展 李 錚

（1.全光網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)代通信網(wǎng)教育部重點實驗室，北京100044；2.北京交通大學光波技術(shù)研究所，北京100044）

引 言

漏泄同軸電纜（Leaky Coaxial Cable，LCX）自提出后被廣泛應(yīng)用于地鐵、隧道、煤礦等特定空間，以取代天線、實現(xiàn)均勻穩(wěn)定的電波覆蓋，它具有傳輸損耗小、信號覆蓋均勻、無盲區(qū)等優(yōu)點［1-3］.漏泄同軸電纜由內(nèi)導體、外導體、內(nèi)外導體間絕緣介質(zhì)構(gòu)成，其外導體上開有周期性縫隙.由于移動通信頻段的不斷提高，漏泄同軸電纜內(nèi)導體及絕緣介質(zhì)的損耗不斷增加，難以應(yīng)用于1GHz以上頻段的無線通信［4］.為了克服漏泄同軸電纜的不足，提出了漏泄圓波導，利用圓波導外壁上所開的周期性縫隙同樣可以形成信號的均勻覆蓋，而在高頻段圓波導具有較低傳輸損耗、較寬頻帶等優(yōu)點.關(guān)于漏泄圓波導的研究很少，現(xiàn)有工作主要是針對基于圓形波導的漏波天線，例如文獻［5-7］采用傅里葉變換和模式匹配的方法討論了基于圓形波導的漏波天線的輻射特性和散射特性等.然而，與漏波天線［8-9］不同，漏泄圓波導將大部分能量集中在波導管內(nèi)傳輸?shù)耐瑫r向外均勻輻射電磁波，可以在空間中形成均勻的電波通道.文獻［10］研究了漏泄圓波導的輻射特性，并給出了漏泄圓波導的頻帶特性.值得注意的是，在實際應(yīng)用中，當漏泄圓波導安裝于環(huán)境中時，若防護不好，容易受到外界復雜環(huán)境的影響.文獻［11］中討論了雪的電磁散射特性對毫米波雷達性能的影響.本文以雪覆蓋為例，研究了雪厚度和含水量對漏泄圓波導輻射特性的影響，并提出了相應(yīng)的解決措施.

1 漏泄圓波導結(jié)構(gòu)及雪模型設(shè)置

將雪視為一種有耗電磁媒質(zhì)，其介電常數(shù)表示為

式中：ε′為相對介電常數(shù)；ε″為介質(zhì)損耗因子；tan δ為損耗角正切.

一般將含水量低的雪視為干雪，干雪的介電常數(shù)與雪的密度、溫度和頻率有關(guān)，其介電常數(shù)的表達式為［12-13］

雪的含水量增大時，水對電磁波的影響不能忽略.為了給出濕潤雪的介電常數(shù)經(jīng)驗公式，在干雪的經(jīng)驗公式基礎(chǔ)上引入雪的含水量參量Wv.高頻段內(nèi)濕雪的經(jīng)驗計算公式為［12］

覆蓋有雪介質(zhì)的漏泄圓波導模型如圖1所示.計算過程中，漏泄圓波導從一端激勵，激勵功率1 W，在圓波導另一端設(shè)置匹配負載，使圓波導工作于單模行波狀態(tài).為了討論方便，圓波導半徑設(shè)置為r＝21mm，與常用的1-5／8″漏泄同軸電纜外導體內(nèi)徑相同，波導內(nèi)填充介質(zhì)的介電常數(shù)εr＝1.26，外導體上開有矩形縫隙，其周期P＝40mm，縫隙在圓周方向的張角2φ0＝35.49°，縫隙寬度w＝3mm.漏泄波導外護套的厚度為2.5mm，相對介電常數(shù)為2.3.本文討論漏泄圓波導工作在3.9GHz和4 GHz兩個頻點的情況，由文獻［9］中公式計算可知漏泄圓波導工作在3.9GHz和4GHz時處于0次基波輻射狀態(tài).0次基波的最大輻射角度θ如圖1所示，其定義為從正z軸方向（波導的軸線方向）開始到輻射主瓣方向之間的夾角.

圖1 覆蓋有雪介質(zhì)的漏泄圓波導模型

由公式（2）～（8）計算得到3.9GHz與4GHz頻點處不同濕度的雪的介電常數(shù)，如表1和表2所示.從表中可以看出，工作頻率固定時，雪的相對介電常數(shù)ε′與損耗角正切tanδ隨含水量增大而增大；雪的含水量固定時，干雪的相對介電常數(shù)與頻率無關(guān)，介質(zhì)損耗因子隨著頻率的增大而增大，濕潤雪與濕雪的相對介電常數(shù)隨頻率的增大而減小，且介質(zhì)損耗因子隨著頻率的增大而升高.

表1 雪在不同濕度情況下的介電常數(shù)，頻率3.9GHz

表2 雪在不同濕度情況下的介電常數(shù)，頻率4GHz

2 雪覆蓋對漏泄圓波導輻射特性的影響

圖2為工作在3.9GHz頻率下的漏泄波導表面電場沿軸向的分布情況，d為離開波導表面的距離.從圖中可以看出，波導附近的電場分布呈現(xiàn)40 mm的周期性規(guī)律，與縫隙周期P＝40mm相吻合，且對應(yīng)于縫隙口面處的電場強度隨離開波導表面距離的增大而迅速減小.

圖2 波導附近電場隨距離波導表面距離的變化

圖3為工作在3.9GHz頻率下的漏泄波導分別處于自由空間、濕潤度3%和10%的50mm雪層覆蓋三種情況下，距離波導表面80mm處的電場沿軸向的分布，波導開有13個縫隙周期.從圖中可以看出，漏泄波導近場受雪影響所導致的衰落比較明顯，隨著雪含水量的增大電場分布波動比較劇烈；受波導兩端截斷的影響在場分布上形成的紋波較大，使距離波導80mm處電場的周期性規(guī)律變得不明顯.從圖中也可以看出，濕雪時由于遠處場傳播損耗增加，波導終端影響減弱，此時場分布40mm的周期性較為明顯，如圖中短橫線虛線所示.

當雪層厚度固定為50mm時，不同濕潤度雪覆蓋下的漏泄圓波導的遠場方向圖如圖4所示.從圖中可以看出，漏泄圓波導的主瓣增益隨濕潤度的增大明顯降低.該現(xiàn)象可以解釋為雪中含水量增大時，雪的介質(zhì)損耗因子增大，導致能量損耗增大，使得遠場增益降低.

圖3 距離漏泄圓波導外80mm處的電場分布，雪層厚度50mm

圖4 不同濕潤度的雪覆蓋時漏泄圓波導的遠場方向圖，雪層厚度50mm，工作頻率3.9GHz

圖5給出了不同厚度的濕雪覆蓋下的漏泄圓波導的遠場方向圖，雪的濕潤度為10%（雪中含水量較大），漏泄波導工作頻率為3.9GHz.從圖中可以看出，與自由空間中的漏泄圓波導增益相比，雪中含水量較大時，漏泄圓波導的遠場增益數(shù)值下降8dB左右，同時遠場增益隨著雪的厚度增大而降低.因此在實際應(yīng)用中應(yīng)該盡量避免濕度比較大的物體覆蓋在漏泄波導表面.

圖6為4GHz時不同厚度、不同濕潤度雪覆蓋下的漏泄圓波導的遠場方向圖.從圖中可以看出，與3.9GHz頻率情況類似，漏泄波導的增益隨雪層厚度或濕潤度的增大而降低.

圖5 不同厚度的濕潤度為10%的雪覆蓋時漏泄圓波導的遠場方向圖，工作頻率3.9GHz

圖6 不同厚度不同濕潤度的雪覆蓋時漏泄圓波導的遠場方向圖，工作頻率4GHz

3 抵抗惡劣環(huán)境的防護措施

依據(jù)上述討論我們發(fā)現(xiàn)，雪對漏泄波導的近場場強及遠場增益影響較大，對含水量較大的雪層影響尤為顯著.因此，將漏泄波導用于戶外通信時，需要考慮類似惡劣環(huán)境對漏泄波導的影響.為了降低雪對漏泄波導的影響，提出了一種在漏泄電纜表面預先覆蓋一層介質(zhì)層的方法，用于阻隔外界環(huán)境與漏泄波導的直接接觸，從而降低外界環(huán)境的影響，其結(jié)構(gòu)圖如圖7所示.

圖7 漏泄波導表面覆蓋泡沫塑料的結(jié)構(gòu)圖

為了降低介質(zhì)層本身對漏泄波導近場的影響，覆蓋在漏泄波導表面的介質(zhì)層需要滿足以下兩個條件：

1）介質(zhì)的介電常數(shù)接近于空氣；

2）介質(zhì)損耗較小.

文中介質(zhì)層采用介電常數(shù)為1.06的泡沫塑料.以4GHz工作頻點為例，圖8中的三條曲線分別為漏泄圓波導工作在自由空間中、表面直接覆蓋雪層、以及表面覆蓋塑料泡沫及雪層三種情況下受雪層影響的遠場方向圖，介質(zhì)層厚度為40mm，雪層厚度40mm.從圖中可以看出，直接曝露在雪層中的漏泄圓波導的遠場增益比自由空間中的要低9.7dB，而當漏泄圓波導外面覆蓋一層塑料介質(zhì)層后，其遠場增益比自由空間中的漏泄波導的增益低1.1dB左右，即相對于直接曝露在雪層中的漏泄波導增益提高8.6dB.該現(xiàn)象說明，漏泄波導外覆蓋的泡沫塑料介質(zhì)層增強了漏泄圓波導對外界惡劣環(huán)境的抵抗能力.

圖8 濕潤度3%的雪覆蓋下，漏泄圓波導覆蓋與不覆蓋塑料介質(zhì)的遠場方向圖，雪層厚度40mm，工作頻率4GHz

當雪含水量進一步增大到10%時，表面覆蓋有泡沫介質(zhì)層的漏泄圓波導在雪影響下的遠場方向圖與在自由空間及直接曝露在雪層中的漏泄波導的遠場方向圖如圖9所示，介質(zhì)層厚度40mm，雪厚度40mm.從圖中可以看出，對于含水量達到10%的雪層來說，漏泄圓波導表面覆蓋的泡沫塑料介質(zhì)層依舊能夠大幅度改善漏泄波導的遠場特性.為了研究泡沫塑料介質(zhì)對漏泄波導輻射特性的影響，圖9同時給出了在漏泄圓波導和雪層中間加一層空氣的情況.從圖中可以看出，漏泄波導與雪層中間添加塑料泡沫時的遠場增益與漏泄波導與雪層中間存在空氣時的增益相近.由于空氣對波導近場的影響很小，因此泡沫塑料對波導表面的近場影響不大.

為了解釋增加泡沫層可改善漏泄波導輻射特性的原因，圖10給出了漏泄圓波導徑向（離開波導表面的方向）的場分布，波導分別工作在自由空間、表面直接覆蓋濕雪、表面覆蓋塑料泡沫和雪層、表面覆蓋空氣和雪層四種情況，介質(zhì)層、雪層與空氣層的厚度分別為40mm，波導長度為1.3m.從圖中可以看出，漏泄波導徑向場分布是按指數(shù)規(guī)律衰減的，越靠近波導表面場強越強.對于同樣一條吸波帶（雪覆蓋層），放在強場地方和放在弱場地方，相當于同一電阻通過的電流強弱不同，其吸收能量的大小不同.因此，如果將濕雪直接覆蓋在漏泄波導表面（場強很強，如圖2所示），其吸收的能量要比將其放在離開波導表面一段距離處（場強較弱，如圖2所示）吸收的能量大很多.對于遠場來說，相當于輻射源的功率不同，因此輻射場的大小也不同.

圖9 濕潤度10%的雪覆蓋下、漏泄圓波導覆蓋與不覆蓋塑料介質(zhì)的遠場方向圖，雪層厚度40mm，工作頻率4GHz

圖10 覆蓋與不覆蓋泡沫塑料介質(zhì)的漏泄圓波導中間一個縫隙處的電場隨垂直距離的變化情況

4 結(jié) 論

本文研究了漏泄圓波導應(yīng)用于戶外環(huán)境時，外界復雜環(huán)境對漏泄波導輻射特性的影響.以雪覆蓋為例，研究發(fā)現(xiàn)雪的厚度和濕潤度增大將大幅度降低漏泄波導的近場電場強度和遠場增益.為了降低積雪對漏泄波導輻射特性的影響，可通過在漏泄波導表面覆蓋一層泡沫塑料層的方法，來有效降低積雪對波導輻射場的影響.

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