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云计算-漏泄同轴电缆电容计算.pdf
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云计算-漏泄同轴电缆电容计算.pdf
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第一章绪论
第一章绪论
1.1漏泄同轴电缆简介
漏泄同轴电缆(Leaky
Coaxial
Cable,英文简写LCX),简称漏缆,是同时具
有传输、发射和接收无线电信号能力的一种特殊的射频同轴电缆,专门用于漏泄
通信。普通的射频同轴电缆由于封闭外导体对电磁波的横向屏蔽作用,电缆周围
空间没有信号场强,电磁能量只能在电缆内部沿轴向传输。而漏泄同轴电缆则是
在同轴电缆的外导体表面上按照一定的电磁场规律,周期性或非周期性配置一系
列的开槽口n1,每个开槽口都相当于一个电磁波辐射源,使信号在沿电缆轴向传输
的同时,能把电磁能量的一部分从开槽口辐射到电缆的外部空间,形成满足特定
要求的电磁场环境,达到增加信号覆盖的作用。同样,漏泄同轴电缆也可以通过
开槽口接收其周围空间的电磁场信号,然后传送到固定的接收机,从而可以实现
与外部空间的全方位双工无隙通信乜】。漏泄同轴电缆正是利用同轴电缆外导体上的
缝隙与外部空间辐射或接收电磁波,与外部通信设备进行无线通信的导波装置。
漏泄同轴电缆在无线通信中有着分立式天线无法代替的优势。它既具有传输线特
性又具有无线电发射天线的特性,因而近年来被广泛应用在地铁、隧道、地下商
场、矿井等无线电信号难以传播的闭域空间Ⅲ,用来解决无线通信中的盲区问题。
1.2漏泄同轴电缆的应用
(1)在矿井、隧道、地下商场、地铁等闭域空间通信中的应用
电波在这类场所的传播特性和自由空间不同,一方面直线距离短、弯曲较多
时,有吸收衰减和多径效应,使极化紊乱,传播衰减大大增加,对电磁波有隔断
作用,直射波传播有困难;另一方面,内壁比较粗糙,对电磁波有反射、吸收作
用。无线电信号在其中难以传播或传播距离有限,很难达到要求¨1。因此为了解决
电波在矿井、隧道、地下商场等闭域中的传播问题,采用铺设漏泄同轴电缆是~
个非常有效的方法。当漏泄同轴电缆沿矿井、隧道、地下商场等铺设后,由漏泄
同轴电缆泄露出来的电磁波充满整个空间,达到了增加信号覆盖的功能。在这方
面应用的例子很多,国外比较典型的如英吉利海峡海底隧道中铺设了250公里的
辐射型漏泄同轴电缆。我国大量的煤矿、铁路沿线铺设了漏泄同轴电缆,并且有
更多类似的场所需要铺设漏泄同轴电缆。因此发展漏泄同轴电缆具有十分广阔的
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漏泄同轴电缆静态电容计算
前景。
(2)在地面寻常有限空间的半闭域移动通信中的应用
随着无线通信技术的发展,各种新型通信业务的日益增多,在高楼、大厦等
大的建筑物内,结构复杂多变,无线信号无法覆盖每一个角落;在船舶、炼钢厂
和屏蔽很好的核电场内部,无线信号也难以进入,而这些区域需要无线信号的覆
盖。这些区域的空间限制,电磁波在传播时会产生多径效应,并会被混凝土、钢
铁等隔断、反射和吸收,因此想要在这些区域只用分离式天线就达到足够的无线
信号覆盖,通常是很困难的,必须借助铺设漏缆构建覆盖完备的移动通信网络。
同样在展览大厅、大会会场铺设漏缆后,可以确保移动通信质量,方便灵活,机
动性好‘朝。
目前铁路正在大幅度提速,需要将沿途的信息及时、准确、快捷地传递到列
车司机、控制中心等,这就需要通过漏泄同轴电缆通信系统来实现,以漏泄同轴
电缆组成的无线列车调度系统是提高运输效率和安全行车的重要保证。另外,在
移动通信领域,随着移动通信事业的快速发展,手机频率不断提高,900MHz已不
能满足要求,当前正在向1800MHz,2400MHz发展,SLY-FY-50.42漏泄同轴电缆
正是为配合这方面的需要而开发研制的。
(3)频域覆盖和区域监控
漏泄同轴电缆泄露的电磁波信号的分布范围可以被控制在相对有限的范围
内,可利用漏缆的这一特性对一些区域进行电磁波的覆盖或监控保护,如珍贵自
然资源保护区、军事要塞、博物馆等阳3,同时也在一定程度上减少了电磁污染。例
如用作周界入侵检测传感器的北京安创明圣科技发展有限公司生产的TRX.100lI
型漏泄同轴电缆入侵探测器,是一种室外围界入侵探测设备。特点是:可全天候
工作,不受气候影响,安装隐蔽,可按周界形状轮廓敷设,对防范区内的绿化植
物不需去除,对距泄漏电缆下方0.5米在防范区内的底下活动目标亦有探测功能。
它主要适用于银行、金库、高级住宅、监狱、仓库、博物馆、电站(包括核电站)、
军事目标等重要建筑外围。亦可用于在野外地形较为复杂的地方(如高低不平的
山区及周界转角等),以达到有效安全防范的目的。工作原理为:发射单元产生高
频能量馈入发送用的漏泄同轴电缆中,并在电缆中传输。当能量沿电缆传送时,
部分能量通过泄露同轴电缆的槽孔泄露到外部空间,在被警戒空间范围内建立电
磁场,其中一部分能量被安装在附近的接收用的漏泄同轴电缆接收,形成收发能
量直接耦合。当入侵者进入两根电缆形成的感应区内时,这部分电磁能量受到扰
动,引起接收信号的变化,这个变化的信号经放大处理后被检测出来,并推动报
警指示灯点亮,同时使继电器触点打开口删。
第一章绪论
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采用漏泄同轴电缆作为传感器的导波雷达是防止罪犯的有效手段,可构成安
全可靠的防盗防入侵的报警系统。当漏泄电缆沿线出现入侵者,就会改变电场分
布,经识别判断,然后做出报警。
1.3漏泄同轴电缆的发展
1.3.1漏泄同轴电缆在国外的发展
漏泄同轴电缆最初是由英国人于1948年提出来的。20世纪60年代以后,伴
随着电子信息技术的不断发展,在欧、美、日等国和地区相继研制成功,直至今
日它己成为矿井、隧道通信的一枝独秀阻3。
从国内外研究和应用现状来看,自20世纪六、七十年代,国外(美国、日本、
德国等)就已经开始了漏泄同轴电缆的开发和研制工作,并相继生产出军民两用系
列产品,广泛应用于闭域或半闭域空间移动无线通信,并带来了巨大的经济效益
和社会效益。
日本在六十年代研制成功了颇具特色的八字形开槽口的漏泄同轴电缆,并大
量应用于日本的地下设施和山区铁路,以解决这些区域的通信问题。该电缆是在
其外导体上以一定的周期开设一定大小、角度的八字形槽,使电缆能在工作频段
内辐射出均匀的电磁波。至今,日本各大电气公司都研制了可以使用于900MHz
的超宽带漏泄同轴电缆,其中较具特色的是三菱电线工业株式会社最近研制的150
—900MHz的漏泄同轴电缆。
德国对漏泄同轴电缆的研制也经历了一个较长过程,通过改变外导体开槽方
式,他们研制生产了多种漏泄同轴电缆。AEG
KABEL公司最新研制了一种超宽频
带的漏泄同轴电缆,该电缆具有较宽频带(80MHz--960MHz)、衰减小、耦合损耗
小、辐射电场均匀等特点。该类宽频带漏泄同轴电缆采用竹节式绝缘结构,使介
电常数降至l、2一l、3,因而大大降低了电缆衰减。电缆外导体的开槽方式较为
新颖独特,通过数学计算,在一个周期内把许多狭长槽口排列于不同位置,可以
得到在80MHz、l
50MHz、450MHz、900MHz工作频带内均匀辐射的电磁信号,
而且辐射信号较强,即耦合损耗较小。
美国ANDREW公司研制的超宽带漏泄同轴电缆把皱纹外导体相距1800的两
侧皱纹峰削去,形成两排平行的椭圆形泄漏孔,信号可以从这些泄漏孔中辐射出
来,从而在电缆周围形成一个均匀的电磁场,其工作频率分别为150MHz、450MHz、
900MHz、1
700MHz‘埘。
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漏泄同轴电缆静态电容计算
1.3.2漏泄同轴电缆在国内的发展
我国的信息产业部第二十三研究所从七十年代开始研制、生产漏泄同轴电缆,
至今研制了一系列不同型号、规格的漏泄同轴电缆,但这些宽频带漏泄同轴电缆
目前仅有150MHz、450MHz两个工作频段…1。随着我国900MHz蜂窝状移动通信
的日益发展以及未来3G通信的需求,要求漏泄同轴电缆的工作频率也能拓宽到
900MHz甚至更高频率,以利用漏泄同轴电缆把地面上的移动通信延伸到地下。目
前该所科研人员也正研制这种超宽频带的漏泄同轴电缆。此外,焦作铁路电缆工
厂进行了大量辐射型漏泄同轴电缆的生产制造,并且已经大量地应用于我国的铁
路系统以及国外市场。另外,大唐电信科技股份有限公司、江苏亨鑫和珠海汉胜
等单位对漏泄同轴电缆在移动通信领域中的应用也进行了理论和技术上的研究。
随着我国移动通信建设的发展,我国的漏泄同轴电缆市场不断扩展,国内漏
泄电缆企业逐年增加,当初国外漏泄同轴电缆垄断市场时高不可攀的价格也大幅
度下降,厂商的利润空间被大幅度压缩。但相关厂商看到未来3G市场巨大的发展
潜力,对漏泄同轴电缆的市场前景仍旧十分看好,市场竞争有进一步加剧的趋势。
1.3.3漏泄同轴电缆在今后发展中的技术瓶颈
随着通信量的迅速增加,资源越来越短缺,漏泄同轴电缆作为封闭区域空间
或者半封闭区域空间的通信,需要有更高的频带域和更宽的频带范围。但增高频
率、拓展频带,会导致超出单模辐射区域,辐射的电磁波不稳定,并且高频时漏
缆在损耗明显增大,对周围环境也有严重的电磁干扰问题。这些都极大地限制了
漏缆的更广泛的应用。
目前解决宽频带通信的方法是同时使用几种不同工作频带的漏泄同轴电缆,
但是这种方式存在着搭建费用昂贵、通信效率低、不安全、不稳定等缺点。因此,
研制和开发一种漏泄同轴电缆能够覆盖各个所需频段(80MHz"一2200MHz)是迫切
急需的。
1.4计算同轴线电容值的发展
随着同轴电缆的应用越来越广泛,计算它的特性参数变得十分重要,因此已
有很多学者研究了一些方法的计算同轴线电容。目前计算同轴线电容的主要方法
可总结为一下几种,文献《共形同轴线电容的变分解》n21中采用变分法求解电容,
先假设电位分布与同轴线的横截面曲线共形,再利用Ritz法进行计算,并用此方
法分析了圆形、正多边形和椭圆形共形同轴线,得到了很好的近似解;文献《任
意共形同轴线电容的变分式》n31中基于连续函数的变分极值理论,从基本三角形和
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任意三角形出发导出了任意共形同轴线电容的变分解析闭式;文献《用多级理论
分析圆柱一正N边形内导体同轴传输线》n钔使用多级理论法计算同轴线电容,精
确度很高;文献《椭圆同轴开槽线的精确分析》n习应用保角变换的方法,导出了椭
圆同轴开槽线的电容计算式;文献《漏泄同轴电缆电容的有限差分法求解》u剐用
有限差分法对同轴电缆和外导体开有连续缝隙的同轴电缆的电容进行了计算。文
献【12】-【15】给出的方法计算精度很高,可应用各种截面形状的电容值计算,但都只
能应用在二维平面计算。文献【16】中采用有限差分法应用在二维平面计算电容,但
从理论上看出此方法可以扩展为三维平面的有限差分计算电容。而本文讨论的漏
泄同轴电缆是外导体周期性开缝隙,并且缝隙在外导体表面有倾斜角度,所以不
能简单地等效为二维平面进行计算,必须采用三维结构计算,并采用有限差分方
法。
1.5研究意义和章节安排
(1)本课题的产生
我们看到煤矿事故频发,而其中技术原因是无法对井下的生产和生活进行全
面监控。井下是一个完全的闭域空间,单纯的无线通信方式无法实施,点对点的
有线通信方式又无法对井下所有作业点和作业面进行全方位全程实时监控。只有
铺设漏泄同轴电缆,并配备相应的监控和传输用传感器,可以达到实时监控井下
所有区域的生产和生活,从而保证了井下的安全生产和生活。所以说,用于井下
通信漏泄同轴电缆对矿山的安全生产起着至关重要的作用。另外,在国防通信中
使用漏泄同轴电缆,不仅可以提高通信的可靠性和实时性,而且因为通信线路在
军事设施的内部,所以还具有隐蔽性好、不易被打击、抗干扰能力强、发射功率
大等特点,也可以作为日常通信的备用和应急线路。因此,漏泄同轴电缆在国防
通信中也有重要地位。再者,我国地铁、隧道、高速铁路等交通运输沿线多处于
闭域或半闭域空间,经常遇到通信不畅存在很大地交通隐患。在上述设施内架设
漏泄同轴电缆可大大减少交通事故,还可以为交通指挥调度提供强有力的通信技
术保证。由此漏泄同轴电缆具有广泛地应用前景,大量地生产需求。
我国现在所使用的漏泄同轴电缆多是国外公司研发,建设成本很高。而国内
在此领域的研究与国外相比仍差距很大,因此深入全面地研究漏泄同轴电缆的基
础理论具有重要的意义。分析国外各种漏泄同轴电缆的研究,J.R.Wait、D.A.Hill
和D.B.Seidel研究了外导体为螺旋绕包线的同轴电缆的各种电特性,以及外导体为
稀疏编织线的同轴电缆的电特性n卜驯。但实际应用中,外导体为螺旋绕包线或稀
疏编织的同轴电缆的传输损耗非常大,所以现在已经很少使用。E.E.Hassan、
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programxh
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