漏泄同轴电缆

    简 介：在基站与移动站之间的通讯，通常是依靠无线电传送。目前通讯业的不断发展越来越要求基 站与移动站之间随时随地能接通，甚至要求在隧道中也是如此[1]  。
    然而在隧道中，移动通信用的电磁波传播效果不佳。隧道中利用天线传输通常也很困难，所 以关于漏泄同轴电缆的研究也应运而生。无线电地下传输有着极其广泛的用途，例如：
    ·用于建筑物内、隧道内及地铁的移动通信（GSM，PCN/PCS，DECT…）
    ·用于地下建筑的通讯，例如停车场、地下室及矿井
    ·公路隧道内 FM 波段（88-108MHz）信息的发送
    ·公路隧道内无线报警电信号的转发
    ·公路隧道内移动电话信号的发送
    ·地铁或地铁隧道中的信号传输
    当前无线移动通信朝以下趋势发展：
    ·趋向更高的使用频段：使用频段从 50-150 MHz 扩展至 450-900 MHz 甚至 1800-2200 MHz。
    ·要求通讯接通质量更高：数字化传输、高比特率，等等。
    ·在市区和以下特定范围，具有更佳的综合性能：隧道、地下机动车道、地下停车场等。
    2. 漏缆的工作原理：
    横向电磁波通过同轴电缆从发射端传至电缆的另一端。当电缆外导体完全封闭时，电缆传输 的信号与外界是完全屏蔽的，电缆外没有电磁场，或者说，测量不到有电磁辐射。同样地， 外界的电磁场也不会对电缆内的信号造成影响。
    然而通过同轴电缆外导体上所开的槽孔，电缆内传输的一部分电磁能量发送至外界环境。同 样，外界能量也能传入电缆内部。外导体上的槽孔使电缆内部电磁场和外界电波之间产生耦合。具体的耦合机制取决于槽孔的排列形式。
    漏泄同轴电缆的一个典型例子是编织外导体同轴电缆。绝大部分能量以内部波的形式在电缆中传输， 但在外导体覆盖不好的位置点上，就会产生表面波，沿着电缆正向或逆向向外传播，且相互 影响。
    无线电通信信号的质量通常因为电缆外界电波电平波动情况不同而相差很大。电缆敷设方式 和敷设环境对电缆辐射效果也有影响。大部分隧道内还有各种各样金属导体，比如沿两侧墙 面安装的电力电缆、铁轨、水管等等，这些导体将彻底改变电磁场的特性。
    漏泄同轴电缆电性能的主要指标有纵向衰减常数和耦合损耗。
    2.1 纵向衰减 衰减常数是考核电磁波在电缆内部所传输能量损失的最要特性。
    普通同轴电缆内部的信号在一定频率下，随传输距离而变弱。衰减性能主要取决于绝缘层的 类型及电缆的大小。
    而对于漏泄同轴电缆来说，周边环境也会影响衰减性能，因为电缆内部少部分能量在外导体附近的外 界环境中传播。因此衰减性能也受制于外导体槽孔的排列方式。
    2.2 耦合损耗
    耦合损耗描述的是电缆外部因耦合产生且被外界天线接收能量大小的指标，它定义为：特定 距离下，被外界天线接收的能量与电缆中传输的能量之比。由于影响是相互的，也可用类似 的方法分析信号从外界天线向电缆内的传输。
    耦合损耗受电缆槽孔形式及外界环境对信号的干扰或反射影响。宽频范围内，辐射越强意味 着耦合损耗越低。根据信号与外界的耦合机制不同，主要分有下三种漏缆：
    ·辐射型（RMC） ·耦合型（CMC） ·泄漏型（LSC）
    3 漏缆种类
    3.1 辐射型漏缆（RMC） 辐射型电缆的电磁场由电缆外导体上周期性排列的槽孔产生的。槽孔间距（d）与工作波长（λ）相当（见图 2），辐射型电缆的使用频段可由以下不等式确定：（ -1）（1） =介质相对介电常数考虑下面的情形，电缆的外导体上开了一组周期性槽孔，屏蔽层的辐射机制类似于朝着电缆 轴向的一系列磁性偶极子的辐射。最简单的例子是，外导体上每个相邻小孔间距为半波长距离，例如100MHz 下为 1.5m。
    辐射模式所有槽孔都符合相位迭加原理。只有当槽孔排列恰当及在特定的辐射频率段，才会出现此模式。也只在很窄的频段下，才有低的耦合损耗。高于或低于此频率，都将因干扰因素导致耦合损耗增加。
    电磁波的传播方向如图 4 所示呈放射状发散。
    3.2 耦合型漏缆（CMC） 耦合型电缆则有许多不同的结构形式，例如，在外导体上开一长条形槽，或开一组间距远远小于工作波长的小孔（见图 2.3）。还有就是两侧开缝。
    电磁场通过小孔衍射激发电缆外导体外部电磁场。电流沿外导体外部传输，电缆象一个可移动的长天线向外辐射电磁波。因此，耦合型电缆亦等同于一根长的电子天线。
    与耦合模式对应的电流平行于电缆轴线，电磁能量以同心圆的形式紧密分布在电缆周围，并 随距离的增加而迅速减小，所以这种模式也被称为“表面电磁波”。这种模式的电磁波主要 分布在电缆周围，但也有少量因随机存在于附近的障碍物和间断点（如吸收夹钳、墙壁等） 而被衍射，如一部分能量沿径向随机衍射。
    3.3 漏泄型（LSC） 这种模式可理解为在一根非漏泄电缆中，插入一段漏泄电缆（如图 5 所示）。
    图 5 漏泄型电缆示例
    这一段漏缆等同于一个通过功率分配器与同轴电缆相连的定位天线。其中电缆内部只有一小 部分的能量转变为辐射能。选择相邻漏泄段之间的合适间距，以便为不同频段提供满意的效 果。事实表明，10 至 50 米之间的间距可满足 1000MHz 内的所有情形的通信。
    这样设计的漏缆型电缆，在同样的条件下又可作为连续的补偿馈线，且具有更好的衰减常数和耦合损耗特性。
    漏泄部分相当于有效的模式转换器，可以控制电缆附近的电磁场强度大小，它是漏泄部分长度和电气性能的函数。
    使用漏泄型电缆的系统的一个特点是漏泄部分长度占电缆总长度不到 2%～3%，这样便减少了由于辐射引起的附加损耗。这些模式转换器有很低的插入损耗，通常只有 0.3 或 0.2dB， 因此使用这些模式转换器引起的同轴电缆纵向衰减增加很小。
    例如，图 6 表示的是使用完全相同的等间距的模式转换器后，场强沿电缆长度方向变化的情况。
    图 6 场强沿电缆长度方向变化
    ·X 轴表示的是模式转换器在 X 轴上的位置，用“MC”表示。
    ·虚线表示的是天线接收可能性为 95%时的场强值，包括电缆的衰减和转换器插入损耗。
    ·Px=95%功率接收可能性对应的电平与 Y 轴的交点
    ·P0=输入功率
    ·Prmin=接收功率（灵敏度）
    ·Px 与 P0 之间差为漏缆的耦合损失
    ·95%功率衰减线与接收功率线交点表示电缆传输长度。
    选用依据
    选择适当的漏泄同轴电缆要看其应用的需要，选择最合适的漏泄同轴电缆类型和规格由系统的设计和所有相关参数如使用频率、传输距离等决定[2]  。
    选择漏泄同轴电缆有两个重要指标：传输衰减和耦合损耗。漏泄同轴电缆的系统损耗就是指传输衰减和耦合损耗的总和。传输衰减，也叫介入损耗，主要指传输线路的线性损耗，随频率而变化，以分贝/100米表示。耦合损耗是指通过开槽外导体从电缆散发出的电磁波在漏泄同轴电缆和移动接收机之间的路径损耗或信号衰减。因此系统损耗可以说是整个漏泄同轴电缆的损耗。因此在实际应用中，只要传输衰减能满足操作容限或链路容量的要求，就没必要选择那些传输衰减的漏泄同轴电缆，但对耦合损耗的要求会更严格一点。
    在设计时要计算链路容量就得把所有发射器和接收机之间的增益和损耗加在一起，它还必须包括任何其他因素引起的损耗。如果计算结果为正值，那就表示有足够的容限允许环境发生变化，而系统仍可正常运行。
    对漏泄同轴电缆而言，耦合损耗设计一般在55～85分贝之间。在狭长系统如隧道或地铁内，因为隧道或地铁本身能帮助提高漏泄同轴电缆的耦合性能，因此耦合损耗设计一般为75～85分贝，在这种条件下，把传输衰减减到最小非常重要。在建筑楼宇内，漏泄同轴电缆耦合损耗设计一般在55～65分贝之间，因为楼内漏泄同轴电缆单向长度在50～100米之间，因此传输衰减就不那么重要了，更重要的指标是漏泄同轴电缆能尽量多地发射信号，并穿透周围地区。
    一个准备扩展的系统，可以选择传输衰减较小的漏泄同轴电缆。比如在办公楼内有一根顺电梯上行的漏泄同轴电缆，几个楼面共用一个接头，在这种情况下，若选择传输衰减低的漏泄同轴电缆，今后就可以提供更高频率上的服务或扩大服务覆盖区。
    在特定区域内增加线路可以扩大覆盖面。在较高频率上增加服务则会产生较高的损耗，所以选择漏泄同轴电缆时应考虑在各种频率上均能降低损耗的漏泄同轴电缆。有些宽带漏泄同轴电缆覆盖了几乎所有主要的频率，从900MHz上的蜂窝系统到1900MHz上的PCS服务，包括用于应急服务的超高频系统。这些系统可以通过组合器或者交叉波段耦合器把信号组合到一根漏泄同轴电缆线上。漏泄同轴电缆通常有较高的带宽，并能在同一根电缆上在完全不同的波段上和所有距离内提供各种服务。
    在实际应用中，频率反应和带宽非常重要。一个带宽中每个信道仅20千赫的系统，可以使用任一种电缆或天线。现在，新的PCS系统带有象CDMA这样的解调配置，要求1.2兆赫的带宽，这时选择漏泄同轴电缆就要注意带宽应与解调配置相匹配。
    在长达2～3公里的隧道中，应每隔一定距离安装同轴的双向放大器，把信号放大到合理的程度。总的原则是电缆信号下降20分贝时，放大器就应介入补偿20分贝的损耗。在装有蜂窝系统的大楼，楼顶天线与楼内放大器连接可放大信号25～30分贝。漏泄同轴电缆可从这个放大器一直铺设到要求的覆盖区，那儿另外安装一个放大器将信号提高25～30分贝。在实际应用中，一个或两个放大器都可以，只要足以补偿路径损耗就行。
    远程监测用来跟踪无人值守的大系统，对许多放大器都可以进行远程监测。在远程站点，一台PC机和一个软件程序往往同时监测几个系统，这在安装多台放大器和其他设备的隧道内尤其实用。由于系统能及时发现问题所在，故可以在短时间内修复系统，不会影响正常的运行。
    射频同轴电缆的电压驻波比很重要，但对漏泄同轴电缆而言并不是决定性的因素。市面上的漏泄同轴电缆电压驻波比大多数在1.3以上，使用在现今的系统上已经足够了。
    3. 专用频带漏泄同轴电缆与宽频带漏泄同轴电缆的比较
    专用频带漏泄同轴电缆与宽频带漏泄同轴电缆相比，它是一种特别设计的漏泄同轴电缆，通过特别设计外导体上开槽的形状、大小和节距，以实现漏泄同轴电缆在某一频率具有非常稳定的系统损耗，简单地说，通过特别设计，漏泄同轴电缆纵向传输的衰减可以通过增加耦合损耗来补偿，补偿效果是使漏缆性能优化至使用频率。
    专用频带漏泄同轴电缆与宽频带漏泄同轴电缆相比有以下不同点：
    宽频带漏泄同轴电缆的特点是：
    宽带性能在任何单一频率均能维持；
    有密集的狭孔；
    极受环境影响。
    专用频带漏泄同轴电缆的特点是：
    在特定的频率下运作性能；
    相对少受环境因素影响；
    在平行于漏泄同轴电缆方向，交叉极化较低，因此当使用数字通信系统时误码率较低，当使用模拟通信系统时将信号的扭曲最小化，并且传输损耗很小。
    在垂直于漏泄同轴电缆方向，相邻极化信号具有非常平的频率响应，在整个频段内波动非常小。
    避免了过多的交叉极化，因此不会产生“双线效应”或反射交叉极化，减少了损耗。
    减少了多径效应产生的问题。
    可优化于几段系统频率，在这些频率上与宽带漏泄同轴电缆相比具有更加优化的电气性能。
    4. 选用漏泄同轴电缆的理论根据漏泄同轴电缆在系统设计时需要考虑的主要因素有：漏泄同轴电缆的系统损耗、各种接插件及跳线的插损、环境条件影响所必须考虑的设计裕量、设备的输出功率、中继器的增益以及设备的工作电平。其中，漏泄同轴电缆的系统损耗由漏泄同轴电缆本身的传输衰减和耦合损耗两部分组成，对于指定的工作频率其大小主要由漏泄同轴电缆的规格大小来确定，规格大的漏泄同轴电缆系统损耗较小，传输距离相对长。
    在设计时，首先，考虑到移动终端的输出功率相对于固定设备较低，所以一般以移动终端的发射功率来确定漏泄同轴电缆的覆盖长度。根据设备的输出功率电平（手机为2W）和系统要求的场强（典型值﹣85dBm----﹣105dBm）确定出系统所允许的衰耗值αmax. 。
    第二，选定漏泄同轴电缆的耦合损耗值Lc，同时计算出某一规格的漏泄同轴电缆在指定工作频率上的某一长度L所对应的传输衰减α×L, α为该漏泄同轴电缆的衰减常数。从而确定该漏泄同轴电缆的系统损耗值αs=α×L+Lc 。
    第三，系统设计时还必须根据工作的环境留出一定的裕量M，此裕量牵涉的因素一般有以下几点：
    耦合损耗提供的数字为一统计测量值，必须考虑其波动性；
    按50%耦合损耗值设计时，需留出10dB的裕量；
    按95%耦合损耗值设计时，需留出5dB的裕量；
    跳线及接头的插损必须予以考虑；
    地铁系统车体的屏蔽作用和吸收损耗也要考虑，根据经验其推荐值 10dB到15dB
    第四，确定漏泄同轴电缆的覆盖距离：
    因为系统损耗为αmax. =αs +M=α×L+Lc+M
    则L=(αmax.－Lc－M)÷α
    此L值即为漏泄同轴电缆的覆盖距离。
    下面举一个实际例子予以说明：
    假设漏泄同轴电缆的规格为HLHTAY-50-42
    频率为900MHz
    耦合损耗为76dB（95%）
    漏泄同轴电缆的衰减常数α为27dB/KM
    手机输出功率为2W（33dBm）
    工作电平为－105 dBm
    耦合损耗的波动裕量为5dB
    跳线及接头损耗为2dB
    车体影响为10dB
    则αmax.=33 dBm－（－105 dBm）=138 dB
    αs　=27dB/KM×L+76dB
    M　=5 dB+2 dB+10 dB=17 dB
    所以　L=（138 dB－76 dB－17 dB）÷27 dB/KM
    =1.67KM
    =1670米
    此结果说明在以上假设条件下，该种规格漏泄同轴电缆的覆盖距离为1670米，如果还不能满足覆盖长度的要求，则必须考虑加中继器来延长覆盖距离。
    5.结论
    工程中对漏泄同轴电缆的选用既要考虑到工程敷设的环境因素，又要兼顾使用的设备参数以及工程系统扩展的需要，然后理论计算选用比较实用的漏泄同轴电缆规格，这样既能满足工程系统要求，又能节约工程成本。

    漏泄同轴电缆是具有信号传输作用，又具有天线功能，通过对处导体开口的控制，可将受控的电磁波能量沿线路均匀的辐射出去及接收进来，实现对电磁场盲区的覆盖，已达到移动通信畅通的目的。
    绝缘采用高物理发泡的均匀细密封闭的微泡结构，不仅较之传统的空气绝缘结构在特性阻抗、驻波系数、衰减等传输参数更加均匀稳定，而且可抵御在潮湿环境中潮气对电缆的侵入可能传输性能的下降或丧失，免除了充气维护的烦恼，大大提高了产品的使用寿命和稳定可靠性，是当今世界上的射频和漏泄同轴电缆结构。