孙美玲，孙文杰
（1.国网江苏省电力有限公司 无锡供电分公司，江苏无锡，214000；
2.电力设备电气绝缘国家重点实验室 西安交通大学，陕西西安，710049 ）
随着无线移动通信技术的日益发展，移动通信范围不断扩大并且向着全天候、无盲区、高可靠的方向发展，各种新型通信业务日益增多，特别是5G 战略的逐步实现，泄漏同轴电缆在构建移动通信网络中显现了极为重要的作用。泄漏同轴电缆是1948 年英国人最先提出的概念[1]；
1956 年美国人率先将泄漏同轴电缆应用于铁路隧道的通信中；
随后英国、日本等国都相继开展了对泄漏同轴电缆的研究工作，我国研制的矿井泄漏通信系统于1989 年10 月首次通过了国家的鉴定。当前泄漏电缆广泛应用在矿井、隧道、地下商场等闭域半闭域空间通信中。
泄漏同轴电缆作为传输线和天线的集合体，已经渗透到生活中的各个方面。张俊华等人对泄漏电缆在室内安装敷设过程注意的事项进行了详细的研究[2]；
冯琳琳等人提出了泄漏电缆在智能高速公路上的应用，为未来智能高速公路的发展与应用提供了理论依据[3]；
西方国家早在三十多年前使用泄漏电缆进行周界报警，高松巍等人对泄漏电缆应用于周界防越报警的可行性进行了验证[4]，利用泄漏电缆的特殊性将其作为一种传感区域的周界变化，应用于频域覆盖和区域监控是近年来泄漏电缆应用的创新；
于慧洁等人利用泄漏电缆的埋地安装，同时利用FPGA 实现了泄漏同轴电缆中信号的发送及处理进而实现了对入侵行为的精确定位[5]。
自从泄露同轴电缆的概念被提出后，人们开始对其场分布进行了大量的理论研究。J. R. Wait 等人对编织型泄漏同轴电缆[6]、螺旋屏蔽型泄漏同轴电缆[7]等的场分布进行了大量计算工作，由于传输衰减十分大，这几种泄漏同轴电缆在实际应用中十分少；
E. Hassan 等人对轴向开槽的泄漏同轴电缆的场分布进行计算分析，结果表明相比于编织型漏缆而言其加工工艺简单但衰减损耗并未减少[8,9]；
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[10]；
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同周期分布、不同形状槽孔对其电气性能的影响及其漏缆的应用。由于漏缆在实际应用中受到各种因素的影响，工程上通常以理论计算为基础，通过仿真分析验证漏缆的设计方案，最终确定漏缆的结构尺寸。对泄漏同轴电缆的仿真分析主要是通过三维电磁仿真软件HFSS 实现的。
本文在泄漏电缆的理论研究现状的基础上，通过仿真软件HFSS 对八字型系列槽孔泄漏电缆的辐射特性进行仿真。
泄漏同轴电缆主要有内导体、介质、外导体以及护套组成，其产品结构如图1 所示。漏缆的分类方法[11,12]有很多种，根据外导体的开槽方式可以分为垂直开槽式、八字开槽式以及椭圆孔形式等；
根据信号的耦合机制又可以分为辐射型电缆和耦合型电缆。泄漏电缆看似结构简单但是理论分析并不容易，当前国内外对泄漏电缆的理论分析大都是基于漏缆的电气性能参数进行的，以分析其使用频带[13～15]、耦合衰减[16]以及传输衰减[17～19]为主。
图1 泄漏同轴电缆产品
（1）耦合衰减特性
泄漏同轴电缆相比于一般同轴电缆的不同之处在于外导体上开了不同形状和大小的槽孔，而漏缆的辐射特性主要就是由这些槽孔决定的。王均宏[16]以圆柱坐标系中的第二类并矢格林函数求解了电缆附近的场分布并计算出了泄漏电缆的耦合衰减为：
式中，rP为标准半波偶极子在距电缆2m 处接收到的功率；
tP为电缆中传输的功率；
lhH为漏缆外导体上各缝隙在空间产生的总场叠加得到的场分布；
0V为场点处电缆内外导体之间的电压；
0Z为电缆的特性阻抗。
（2）传输衰减特性
传输衰减是描述泄漏电缆性能的重要指标，也是限制泄漏电缆传输距离的重要参数，任晓勇等人[17]和王娜等人[18]在计算传输衰减特性的时候并没有考虑从电缆外部的模式衰减。相比而言郭进喜等人[19]建立了泄漏电缆传输衰减的数学模型，将漏缆的衰减分为内部模式衰减和外部模式衰减，内部模式衰减包括导体衰减和介质衰减，外部衰减是指信号辐射引起的耦合衰减。在考虑弱耦合的情况下，其衰减的数学模型为:
式中，1γ为漏缆的传输常数；
1α和 1β为耦合情况下漏缆的衰减常数和相位；
2γ为漏缆外部场的传输常数，2α和2β为漏缆外部的衰减常数和相位；
inZ和Y分别为漏缆的阻抗和导纳；
c为的耦合系数。
（3）使用频带
根据空间谐波的辐射理论知道漏缆希望频带宽带限制在-1 次模辐射的区域即单模辐射区域可以产生均匀、稳定的电磁场来传递信号[14,15]。周焱等人[13]分析了开设八字槽扩展频段的带宽。对频带特性的分析通常是分析每个模式的波，对于不同开槽形式的同轴电缆代入式（3）中分析带宽。
式中，0a为某一常数，mZ为第m个开槽口与开槽组中点之间距离，m为第m个槽，p为开槽周期。通过计算得到在一个周期内开不同对数的八字槽可以扩展不同倍数的频带。
通过上述的三个电气性能参数的分析，可以知道使用频带与槽孔的排列方式有着密切的联系，但是与槽孔的大小及形状的联系不大；
耦合衰减参数与槽孔的大小、形状及排列方式都有着比较大的关系；
传输衰减参数与槽孔的关系联系不大，主要是由漏缆的导体和介质决定的[20]。为研究槽孔对漏缆的影响，因此后文主要通过仿真软件对耦合衰减进行仿真研究。
当前对泄漏同轴电缆的仿真研究主要是借助于Ansoft 公司的HFSS 软件，该软件采用有限元分析的方法进行电磁场的设计和分析。其设计的主要流程如图2 所示[21]。
图2 仿真模型图
泄漏同轴电缆相比于一般同轴电缆的不同点就在于外导体上开设了不同形状的槽孔，槽孔的形状及大小与泄漏电缆的电气性能有着紧密的关系，每种槽孔都具有其各自的特点[22]，李明儒等人通过HFSS 软件对八字型槽孔泄漏同轴电缆的耦合损耗进行了仿真研究[23]，本文在此基础上对八字型、双八字型以及三八字型槽孔泄漏电缆进行仿真，图3给出了槽孔的形状示意图。
图3 槽孔形状示意图
郭进喜等人总结比较了两种泄漏同轴电缆辐射特性的仿真模型[24]，本文采用模型一的方法以型号为SLDY-50-42 的泄漏同轴电缆为原型对泄漏电缆的电气性能进行分析。仿真模型的示意图如图4 所示，仿真模型的基本参数设置为中心频率450MHz；
漏缆的内外导体选用铜且内导体半径为8.65mm；
介质选用发泡聚乙烯其相对介电常数为1.26 且半径为21.50mm；
漏缆长为4m；
槽孔的周期p= 430mm；
默认八字型槽孔中p1=p2=p/2 = 215mm 双八字型和三八字型槽孔中 /8d p= ；
槽孔长 80mma= ；
槽孔宽 7mmb= ；
槽孔倾斜角 =15α°；
仿真耦合损耗时采用与漏缆中心距离2 米的半波偶极子天线进行测量，设偶极子天线距泄漏电缆中心的垂直距离为z；
辐射边界采用扇形的模型与漏缆和偶极子天线的距离大于四分之一波长。
图4 仿真模型图
图5 给出了泄漏同轴电缆时的场分布图，可以看出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以激励场的周向和轴向分量，在本尺寸结构的泄露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。
图5 泄漏电缆的电场分布图
仿真计算得到的耦合衰减变化曲线如图6 所示。
图6 耦合衰减仿真结果图
通过仿真结果可以看出耦合衰减在65dB～75dB 之间，符合标准对泄漏同轴电缆耦合衰减的要求，并且发现在偶极子天线的移动过程中，耦合衰减处于波动的状态，测得的数值具有统计学概念，因此工程上取 95%cA或 50%cA作为耦合衰减的参考值。
对双八字型槽孔的泄漏电缆改变槽孔参数d，得到的耦合衰减见表1。
表1 不同d值时泄漏电缆的耦合衰减
在一定范围内减小槽孔参数d 值，泄漏电缆的耦合损耗将会减小；
当减小至0 时双八字型泄漏电缆变成了单八字型，因而对于单八字泄漏电缆增加其槽孔的宽度后，电缆向外辐射的能量更多，耦合衰减将会变小。
对默认参数的单八字型、双八字型以及三八字型槽孔的泄漏电缆进行扫频仿真，频率范围在0.4GHz～1.0GHz，得到的耦合损耗如图7 所示。
图7 不同频率下三种槽孔漏缆的耦合衰减图
通过得到的结果明显可以看出双八字型以及三八字型槽孔在高频下的耦合衰减更小，因此泄漏电缆若要应用在宽频条件下应采用双八字型或者三八字型槽孔。
本文介绍了当前泄漏同轴电缆的理论研究与应用发展现状，通过仿真软件HFSS 得到了八字型、双八字型以及三八字型槽孔泄漏同轴电缆的耦合衰减值。对八字形槽孔而言，在一定范围内减小槽孔参数d 值，漏缆的耦合衰减值将会减小；
相比于单八字槽孔，双八字和三八字槽孔的漏缆更加适用于宽频条件下。本文为实际工程中的产品设计奠定了一定的仿真基础，对八字型系列槽孔的设计具有一定的参考意义。