劉藝平

（煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122）

同軸電纜低輻射結(jié)構(gòu)的研究

劉藝平

（煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122）

利用時域有限差分法（FDTD）設(shè)計并制作了一種基于錐形同軸過渡結(jié)構(gòu)的電磁輻射腔，內(nèi)外導(dǎo)體采用聚四氟乙烯介質(zhì)進(jìn)行支撐。采用DC-3GHz寬頻信號源的激勵，使電磁輻射腔內(nèi)部產(chǎn)生任意頻率的電磁場，通過將細(xì)胞培養(yǎng)裝置放于內(nèi)外導(dǎo)體之間（電磁輻射區(qū)），從而實現(xiàn)對細(xì)胞的電磁輻射試驗。

錐形同軸；電磁輻射腔；FDTD；細(xì)胞；S參數(shù)

0 引言

隨著煤礦技術(shù)手段的迅速發(fā)展，礦用高壓電纜線、各種煤礦電氣設(shè)備及通訊設(shè)施越來越多，各頻段電磁波充斥整個礦井，輻射強(qiáng)度越來越大。電磁輻射對礦用生產(chǎn)設(shè)備的安全可靠運行帶來極大隱患，并且對礦井生產(chǎn)人員的身體健康造成影響。

電磁輻射的傳播分為空間傳播和導(dǎo)線傳播，而電纜的電磁輻射又是空間傳播和導(dǎo)線傳播的結(jié)合。空間傳播是指電磁能量向空中發(fā)散的過程，導(dǎo)線傳播是指電磁輻射通過導(dǎo)線對所連接設(shè)備的影響。近些年，國內(nèi)外關(guān)于有效防止電磁輻射對設(shè)備的安全可靠運行帶來的影響研究越來越多，目前研究主要還是集中于地面設(shè)備受電磁輻射影響的研究。針對煤礦井下設(shè)備受控于防爆型式的限制的研究還很少，但在國家煤礦安全規(guī)程及AQ標(biāo)準(zhǔn)和MT標(biāo)準(zhǔn)中都做出了明確規(guī)定。其中文獻(xiàn)[1]明確規(guī)定設(shè)備應(yīng)當(dāng)滿足電磁兼容要求；文獻(xiàn)[2]給出了安全監(jiān)控系統(tǒng)的輻射試驗要求等級；如何在傳輸中盡量減少電磁輻射對外部設(shè)備的影響，避免天線效應(yīng)變得至關(guān)重要。

在煤礦通信傳輸中大量應(yīng)用的傳輸方式有光纖傳輸、以太網(wǎng)網(wǎng)線傳輸、同軸電纜傳輸?shù)?，不同的傳輸介質(zhì)在不同的環(huán)境中有不同的優(yōu)缺點。比如光纖傳輸存在傳輸速度快，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點，但抗拉、抗壓、抗彎曲等機(jī)械性能不強(qiáng)，在煤礦而惡劣環(huán)境和煤礦工人粗糙作業(yè)的情況下容易發(fā)生通信故障。在煤礦某些測量系統(tǒng)中,由于高頻同軸電纜具有良好的抗拉、抗壓、抗彎曲等機(jī)械性能,當(dāng)記錄設(shè)備距測點較遠(yuǎn),如幾百米甚至幾公里時,這時唯一有效的傳輸媒體當(dāng)首選高頻同軸電纜。同軸電纜不僅對電磁干擾的屏蔽性能和防水性能比較好,更重要的是它具有較寬的頻帶及頻帶的可擴(kuò)展性，針對以上問題，設(shè)計了一種包含錐形同軸[3-4]過渡段的同軸腔，內(nèi)外導(dǎo)體采用聚四氟乙烯介質(zhì)進(jìn)行固定。該同軸腔在外加寬頻信號源的激勵下，使得腔體內(nèi)部產(chǎn)生DC-3GHz的電磁場，通過將細(xì)胞培養(yǎng)裝置放于內(nèi)外導(dǎo)體之間（電磁輻射區(qū)域），從而實現(xiàn)對細(xì)胞的電磁輻射試驗，文獻(xiàn)[5]給出了GSM頻段的電磁場針對細(xì)胞的輻射試驗。采用圓柱坐標(biāo)系時域有限差分法（FDTD）對該電磁輻射腔進(jìn)行建模，2個端口設(shè)置PML吸收邊界條件，采用電場高斯脈沖激勵，計算端口的S參數(shù)。在理論分析的基礎(chǔ)上，對電磁輻射腔進(jìn)行了實際加工與測試。

1 電磁輻射腔結(jié)構(gòu)

1.1 錐形過渡結(jié)構(gòu)

基于同軸結(jié)構(gòu)的電磁輻射腔體特性阻抗設(shè)計為50 Ω，內(nèi)外導(dǎo)體的直徑分別為d=80 mm和D=184 mm，根據(jù)空氣填充的硬同軸線理論[6]，兩者關(guān)系為

該腔體通過特性阻抗為50 Ω的N型接頭與外置信號源連接，同軸輻射腔與N型接頭特性阻抗相同，直徑不同，為了將2種同軸線進(jìn)行連接，采用了長度為L的錐形同軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行過渡，如圖1所示。

圖1 錐形過渡示意圖

1.2 介質(zhì)支撐

為了使輻射腔內(nèi)外導(dǎo)體的相對位置固定，采用聚四氟乙烯介質(zhì)材料進(jìn)行支撐，聚四氟乙烯的相對介電常數(shù)εr=2.03，強(qiáng)度較好，容易成型，且加工誤差較小[6]?？紤]到腔內(nèi)支撐介質(zhì)引起的反射要盡量小，介質(zhì)支撐子設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2所示，介質(zhì)支撐子厚度h=10 mm，d1=5 mm，d2=d3=3 mm。

1.3 腔體結(jié)構(gòu)

利用錐形同軸過渡結(jié)構(gòu)，對電磁輻射腔進(jìn)行了設(shè)計，同軸電磁輻射腔結(jié)構(gòu)如圖3所示，L1和L2表示錐形同軸過渡段的長度，L0表示主同軸段長度，虛線為腔體開口處，為了防止電磁泄露，開口結(jié)構(gòu)如圖4所示，內(nèi)外導(dǎo)體通過聚四氟乙烯介質(zhì)固定，輻射區(qū)位于主同軸段內(nèi)外導(dǎo)體之間，該區(qū)域可以放置細(xì)胞培養(yǎng)裝置，如細(xì)胞培養(yǎng)瓶、培養(yǎng)盒及培養(yǎng)皿等，細(xì)胞培養(yǎng)盒放置于輻射區(qū)如圖5所示。電磁輻射腔結(jié)構(gòu)尺寸見表1所示。

圖2 介質(zhì)支撐子結(jié)構(gòu)

圖3 同軸電磁輻射腔結(jié)構(gòu)

圖4 外導(dǎo)體開口結(jié)構(gòu)

圖5 細(xì)胞培養(yǎng)盒放置于輻射區(qū)

表1 電磁輻射腔結(jié)構(gòu)尺寸mm

2 FDTD計算與測試

2.1 圓柱坐標(biāo)系FDTD公式

由于電磁輻射腔是圓柱形狀，因此相應(yīng)的FDTD方法在圓柱坐標(biāo)系下進(jìn)行計算。根據(jù)圓柱坐標(biāo)系下電場E和磁場H的旋度方程，導(dǎo)出圓柱坐標(biāo)系Er的FDTD迭代式[7]，

其余分量Hr、Eφ、Hφ和Ez、Hz的FDTD迭代式可用同樣方法得到，其中△r、△z、△φ和△t分別為空間步長和時間步長。

2.2 FDTD計算與測試

圓柱坐標(biāo)系下對電磁輻射腔進(jìn)行FDTD建模如圖6所示，電磁輻射腔的中軸線置于z軸上，原點為軸線中心點。FDTD計算空間為內(nèi)外導(dǎo)體之間的區(qū)域，包括介質(zhì)支撐子，根據(jù)計算空間的大小，空間網(wǎng)格單元尺寸△r=1 mm，△z=2 mm，△φ=π/30。

時間步長△t滿足圓柱坐標(biāo)系FDTD時間步長計算法則，其中r=0.5△r。

激勵源采用高斯脈沖電場激勵如式（4），其中n為計算時間步數(shù)

腔體2個端口設(shè)置PML吸收邊界，內(nèi)外導(dǎo)體表面設(shè)置PEC理想導(dǎo)體邊界，如圖6所示。PML吸收層中各點的電導(dǎo)率依據(jù)公式（5）來選取[8]，

圖6 電磁輻射腔FDTD計算模型

式（5）中σ*max的取值滿足

式（5）中ρ為進(jìn)入到PML層的深度；δ為PML層的厚度；σ*max為固定參數(shù)，取值與PML層的反射系數(shù)R有關(guān)，此處取R=10-2；此處m的取值選取4，設(shè)置PML的層數(shù)為9層，PML吸收層中的電導(dǎo)率在PML與計算空間交界處為0，與PEC層的交界處為最大值。

對表1給出的電磁輻射腔結(jié)構(gòu)的S參數(shù)進(jìn)行FDTD計算，并對電磁輻射腔進(jìn)行實際制作，S參數(shù)的FDTD計算與測試如圖7所示。從圖中可以看出，在DC-3GHZ頻段內(nèi)的計算與測試結(jié)果具有較好的一致性，且S11值均小于-10 dB。

圖7 S參數(shù)的FDTD計算與測試

3 結(jié)論

利用FDTD方法設(shè)計并制作了一款基于錐形同軸結(jié)構(gòu)的電磁輻射腔，腔體內(nèi)外導(dǎo)體采用聚四氟乙烯介質(zhì)（加阻燃抗靜電進(jìn)行支撐)。該同軸腔在外加可調(diào)寬頻信號源的激勵下，使得腔體內(nèi)產(chǎn)生DC-3GHz頻段內(nèi)任意頻率的電磁場，采用圓柱坐標(biāo)系FDTD方法對該電磁輻射腔進(jìn)行了建模，2個端口設(shè)置為PML吸收邊界，計算了DC-3GHz頻段的S參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，對電磁輻射腔進(jìn)行了加工與測試，測試結(jié)果顯示，所設(shè)計的同軸結(jié)構(gòu)電磁輻射腔端口反射系數(shù)均小于-10 dB，與理論計算取得了較好的一致性。同軸電纜低輻射結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)必將使得在礦用通信設(shè)備的通信介質(zhì)的選用上有了更加多的考慮和選擇。為煤礦安全生產(chǎn)提供更加安全的電磁環(huán)境。參考文獻(xiàn)：

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【責(zé)任編輯：解連江】

Study on low radiation structure of coaxial cable

LIU Yiping
(China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute,Fushun 113122,China)

This article designs an electromagnetic radiation cavity based on the taper coaxial line using FDTD method,the inner and outer conductor is supported by PTFE.Using DC-3GHz wideband signal source,the electromagnetic field was produced in the cavity,cell culture box can be placed in area between the inner and outer conductor to achieve the electromagnetic radiation test of cells.

taper coaxial;electromagnetic radiation cavity;FDTD;cell;s-parameter

TD613

B

1671－9816（2017）04－0058－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.04.017

劉藝平.同軸電纜低輻射結(jié)構(gòu)的研究［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（4）：58-60.

2016-11-10

劉藝平（1978—），男，工程師，碩士，現(xiàn)在煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司從事防爆產(chǎn)品檢測技術(shù)工作。