计算机论文：基于HFSS的L型泄漏同轴电缆仿真研究

　　计算机论文：基于HFSS的L型泄漏同轴电缆仿真研究

　　0 引言

　　泄漏同轴电缆简称漏缆，是在射频同轴电缆的基础上在外导体上开出一系列槽孔形成的一种既有传输线又具有天线功能的特殊通信工具。泄漏同轴电缆已从最初解决隧道、地下矿井通信问题[1]渗透到地铁的通信系统、无线移动通信系统、安全监测系统等闭域或半闭域的空间通信上[2-5]。自从泄漏同轴电缆的概念被提出后，人们就开始了对其进行场分布的理论研究。J. R. Wait等人对编织型泄漏电缆]、螺旋式屏蔽漏缆等的场分布进行了大量的研究工作[6-8]，由于这几种泄漏同轴电缆的传输衰减十分大，因此实际应用十分少；E. Hassan等人对轴向开槽型式的泄漏同轴电缆的场分布进行了计算分析，相比于编织型漏缆，其加工工艺简单但衰减损耗并未减少[9-10]；Richmond等人计算了泄漏同轴电缆不同开槽周期下的传播常数、传输阻抗等电气性能[11]；S. T. Kim等人计算研究了不同倾斜角度不同开槽周期槽孔的泄漏同轴电缆的传输特性。

　　当前，国内外学者对泄漏同轴电缆的研究也更多放在周期分布不同形状槽孔对其电气性能的影响及泄漏电缆的应用。由于泄漏电缆在实际应用中受到多种因素的影响，因此工程上通常以理论计算

　　为基础，通过仿真分析验证泄漏电缆的设计方案，最终确定泄漏电缆的结构尺寸。对泄漏同轴电缆的仿真论文分析主要通过三维电磁仿真软件HFSS[12-14]来实现。本文首先简单介绍了泄漏电缆的电气性能参数，随后以L型泄漏同轴电缆为例，通过Ansoft公司的HFSS软件对泄漏电缆进行电磁仿真，探究槽孔几何参数对泄漏电缆耦合衰减的影响。

　　1 电气性能参数

　　泄漏同轴电缆的电气性能参数主要有使用频带、耦合损耗及传输损耗。当前对泄漏同轴电缆的理论研究大多针对前两者。

　　1.1使用频带

　　具有周期性槽孔结构的泄漏同轴电缆外表面会产生无穷多的空间谐波。这其中的大多数空间谐波只能以表面波的形式存在，只有在谐波阶数m≤－1时才可能产生辐射波。此时的频率范围为：

　式中，c为真空中的光速；εr为绝缘介质等效介电常数；p为槽孔的周期长度。

　　如果不采取任何措施，在频率

　　内将只存在一次谐波的辐射；如果超过此范围，将存在高次谐波辐射，进而使得场值发生较大的波动。为了拓展辐射的带宽，则必须抑制－1次空间谐波辐射带宽内的高次谐波，抑制的阶数越多，则频带将会越宽。

　　1.2 耦合损耗

　　耦合损耗电气指标是表征泄漏电缆辐射能力强弱的物理量，其定义为：

　　式中，pr为距离泄漏电缆2m标准半波长偶极子天线接收到的功率；pt为与天线正对出泄漏电缆的传输功率。

　　当接收天线与电缆间的距离r变化时，耦合损耗也将发生变化，即耦合损耗的大小是建立在移动接收机天线与泄漏电缆的距离基础上的。槽孔的长度、倾斜角度和周期都是决定耦合损耗大小，影响泄漏电缆辐射能力强弱的因素。

　　1.3传输损耗

　　传输损耗包括导体损耗、介质损耗和辐射损耗，该损耗限制了泄漏电缆的纵向传输距离。泄漏电缆的纵向传输损耗系数是描述电缆内部所传输电磁波能量损失程度的重要指标。给定频率的泄漏电缆传输损耗系数为

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　　式中，α1为导体损耗系数，取决于导体的阻抗和尺寸，粗电缆的导体损耗显然较小；α2为介质的损耗系数，由介质的相对介电常数和损耗因子决定；α3为辐射损耗系数，取决于电缆的槽孔结构（大小及倾斜角度等），也受传输频率及电缆周边环境影响。

　　2 仿真模型建立

　　HFSS软件是Ansoft公司开发的一款三维电磁仿真软件，采用有限元分析的方法，具有计算结果准确、用户界面简洁直观等优点。使用HFSS时首先需要建立几何模型，在模型的基础上设置边界条件和激励，同时设置其它参数，生成网格划分后可进行场的求解。本文主要对L型槽孔的泄漏同轴电缆进行仿真研究，其槽孔的形状结构如图1所示。p为槽孔的周期，初始值设为440mm；cl、cw、cd、cc、ch确定了槽孔的几何形状，初始值分别设置为cl＝80mm、cw＝4mm、cd ＝0mm、cc＝14mm、ch＝14mm。

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　　图1 槽孔形状图

　　Fig.1 Slot shape chart

　　L型泄漏同轴电缆的仿真几何图如图2所示。泄漏电缆长度设为4m，内外导体选用金属铜且内导体半径为8.65mm；介质选用相对介电常数为1.26的发泡聚乙烯且半径为21.50mm；由于外护套对仿真结果没有很大的影响，因此在模型建立过程中忽略外护套。设泄漏同轴电缆的工作频率为450MHz，特性阻抗为50Ω，通过与泄漏电缆中心距离2m的半波偶极子天线测量其耦合损耗。

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　　图2 仿真模型图

　　Fig.2 Simulation model diagram

　　3 仿真结果分析

　　L型泄漏同轴电缆的电场分布如图3所示，在槽孔处的磁场分布明显大于非开槽处。周向不对称槽孔的泄漏同轴电缆可激励场的周向和轴向分量，在本尺寸结构的泄漏同轴电缆中周向的磁场分量要大于轴向的磁场分量，这种差异在很大程度上取决于槽孔的周期分布和槽孔的结构尺寸。

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　　图3 泄漏电缆的电场分布图

　　Fig.3 Electric field distribution diagram of leaky cable

　　采用控制变量的方法，改变槽孔的周期分布距离，得到泄漏同轴电缆耦合损耗的仿真数值如图4所示。通过耦合损耗的变化图可知，在一定范围内增加槽孔的周期会使得耦合损耗减小。

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　　图4 槽孔周期对耦合损耗的影响

　　Fig.4 Effect of slot period on coupling loss

　　依次改变槽孔的结构参数cd、cc、ch，可得到泄漏同轴电缆耦合损耗的仿真数值，见表1～3。

　　表1 槽孔参数cd对耦合损耗的影响

　　Tab.1 The effect of slot parameter cd on coupling loss

　　表2 槽孔参数cc对耦合损耗的影响

　　Tab.2 The effect of slot parameter cc on coupling loss

　　表3 槽孔参数ch对耦合损耗的影响

　　Tab.3 The effect of slot parameter ch on coupling loss

　　由表1～3可知，增加槽孔参数cd，即改变标准的L型槽孔时，耦合损耗会增加；增加槽孔参数cc和ch时，耦合损耗会相应减小。同时发现，结构参数中，对耦合损耗影响最大的参数是ch，ch值越大，槽孔的对称性破坏得越严重，泄漏电缆向外辐射的能量也越多，因此耦合损耗也会越低。

　　4 结语

　　本文在总结了泄漏同轴电缆的电气性能参数的基础对L型泄漏同轴电缆进行仿真研究，分析了槽孔的周期分布和几何参数结构对耦合损耗的影响。由仿真结果可知，在一定范围内增加槽孔的周期会使得耦合损耗增加；周向结构参数ch对其影响最大，在一定范围内增加ch会使得泄漏同轴电缆的耦合损耗减小。本文为实际工程中的产品设计奠定了一定的仿真基础，同时对U型槽孔的设计有一定的参考意义。