通信泄漏同轴电缆的研究与设计（学位论文-工学）

1、杭 州 电 子 科 技 大 学硕 士 学 位 论 文通 信 泄 漏 同 轴 电 缆 的 研 究 与 设 计姓 名 ： 吴 飞 英申 请 学 位 级 别 ： 硕 士专 业 ： 电 路 与 系 统指 导 教 师 ： 官 伯 然20091101杭 州 电 子 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文摘 要随着移动通信技术的发展，通信网络的覆盖已经延伸到各个角落包括地下，如地铁、隧道、矿井等。解决上述空间的信号覆盖问题通常有三种方法：第一种，采用同轴馈电无源分布式天线。这种方案设计比较灵活、价格相对低、安装较方便，但是由于天线的增益有限，单根天线的覆盖范围有限，较适用于短隧道。第二种，光纤馈电有源分布式天线系统。这种方案常用于较复杂的隧道覆盖环境。优点有：在室内，安装的电缆数减少、用光缆可降低电磁干扰、在复杂网络中设计更灵活，但是该系统成本较高。第三种方法，采用泄漏同轴电缆进行信号覆盖。与其他两种方法相比采用泄漏电缆有独特的优点。首先可减小信号阴影及遮挡，在复杂的隧道中，若采用分布式天线，手机与某个特定的天线之间可能会受到遮挡造成信号覆盖不好；其次信号波动范围减小，采用泄漏电缆与采用其他天线系统

2、相比，覆盖区域内信号更均匀；此外泄漏电缆本身是一个宽带系统，可以实现对多种信号同时覆盖，多种不同的无线系统可以共用一根泄漏电缆，从而避免了架设多个天线系统。基于上述优点，泄漏同 轴 电 缆 在 现 代 移 动 通 信 中 发 挥 着 重 要 的 作 用 。 因 此 ， 对 泄 漏 电 缆 的 进 一 步 研 究 也 势 在 必 行 。尽管泄漏同轴电缆在工程实际中的应用已经很普遍，但是当前对漏缆的研究更多的是理论上的实验探索。因此如何将漏缆的理论研究应用到实际，减小实验研究的盲目性，简化漏缆 的 设 计 过 程 对 漏 缆 的 研 究 与 发 展 很 有 意 义 。文中首先概述了泄漏同轴电缆的研究意义和研究背景，介绍了漏缆的分类，研究了漏缆的基本原理，分析了漏缆的主要性能参数。泄漏同轴电缆的理论研究较复杂，其耦合损耗的求 解 具 有 多 参 数 ， 不 可 微 ， 甚 至 不 连 续 的 特 性 ， 其 结 构 参 数 的 优 化 是 一 个 非 线 性 优 化 的 问 题 。传 统 优 化 算 法 （ 如 随 机 搜 索 法 、 梯 度 下 降 法 ）， 可 靠 性 较 强 ， 算 法

3、 很 成 熟 ， 但 是 解 决 目 标 函 数和 约 束 条 件 不 可 微 、 不 连 续 、 高 度 非 线 性 的 问 题 的 能 力 较 弱 。 而 遗 传 算 法 是 一 种 高 效 、 并 行 、鲁棒性很强全局搜索算法，它只要求问题是可计算的，并对目标函数没有可微、连续性等条件的限制，能够有效克服未成熟收敛。基于遗传算法的上述优点和漏缆参数优化的特性，本文 采 用 遗 传 算 法 。接下来本文在详细分析了漏缆的基础理论和遗传算法的基本原理的基础上，运用遗传算法搜索漏缆结构参数，简化漏缆的设计过程。在给定频率和漏缆内外导体直径等参数的情况下 运 用 遗 传 算 法 搜 索 了 两 种 漏 缆 的 结 构 参 数 ， 一 种 是 使 用 频 率 为 800MHz 的 垂 直 开 槽 型 专 用泄 漏 同 轴 电 缆 ， 另 一 种 是 使 用 频 带 为 800MHz2400MHz（ 目 的 是 覆 盖 手 机 的 使 用 频 率 ） 的 垂直开槽型宽带泄漏同轴电缆。通过仿真验证了所设计的两种泄漏同轴电缆，能向四周辐射较为 均 匀 的 电 磁 波 ， 驻 波 比 在 使 用

4、频 带 内 小 于 1.3， 且 其 95%置 信 度 耦 合 损 耗 和 50%置 信 度 耦合损耗与理论计算结果基本相符，达到预期设计目标 55dBw 可将条件放宽为 3P1P； 开 槽 口角度应在零度到 360 度之间。染色体仍然采用二进制编码，编码长度 20。随机生成初始种群，种群数量为 50，遗传50 代。遗传操作过程为：比例算子选择，单点交叉，基本位变异。根据（5.5）式的目标函数定义如下自适应函数：1(1 c f P, P1, w, )11 Lc0 Lc P, P1, w, （5.6）Q c 是 f (P, P1, w, ) 的 预 估 值 ， 即 为 耦 合 损 耗 设 计 的 目 标 值 Lc0， Lc 为垂直开槽型宽带泄漏同轴电缆耦合损耗。用惩罚函数 Q 来处理约束条件 (w P1) 和 (3P1 P) ，确保开槽口宽度和开槽周期符合实际设计需要。 和 是罚因子用于控制惩罚函数强度。可以将 取一个较大的值较快满足 (w P1) 的条件，再全力搜索满足条件 (3P1 P) 的值。5.3 仿 真 及 结 果 分 析取 f1 800MHz ， 外 导 体 直 径 32mm

5、， 内 导 体 直 径 12mm， Z0=50， 半 波 偶 极 子 天 线 在 距电缆 R=2m， 一 个 周 期 内 开 三 个 槽 。 由 遗 传 算 法 得 到 漏 缆 结 构 参 数 为 ： =77.4， w=0.06513m取 65mm，P=0.51604m 取 516mm，P 1=0.09863m 取 99mm。41表 5-1 遗 传 算 法 参 数表 5-2 漏 缆 结 构 参 数 搜 索 结 果根 据 遗 传 算 法 得 到 的 设 计 参 数 ， 如 图 5.2 建 立 模 型 ， 加 圆 柱 形 辐 射 边 界 ， 半 径 为 800MHz杭 州 电 子 科 技 大 学硕 士 学 位 论 文时的四分之一波长，根据计算机硬件能力，通过多次试算，确定建立 3 个周期的仿真模型，仿真漏缆的驻波比和电场分布。图 5.2 宽 带 漏 缆 HFSS 仿 真 模 型 图42染色体长度 20种群数量 50遗传代数 50交叉概率 0.8变异概率 0.02开槽口角度 74.4开槽口宽度 w 65mm开槽周期 P 516mm开槽周期 P1 99mm杭 州 电 子 科 技 大 学 硕 士

6、 学 位 论 文仿真结果如下：图 5.3 0.82.4GHz 漏 缆 电 压 驻 波 比由电压驻波比曲线图可见，漏缆在 8002400MHz 的整个设计频带内驻波比都小于 1.3,满足标准要求。我国手机常用的频段主要有 CDMA 手机占用的 CDMA1X，8 00MHZ 频段；G SM 手机占用的 900/1800/1900MHZ 频段；近两年的 GSM1X 双模占用的 900/1800MHZ 频段；3G 占用的 900/1800/1900/2100MHz 频段。本章设计漏缆的使用频带就是要覆盖以上几个频段。下图为这几个频点的漏缆内外部求解空间的电场分布图。因为外部接受终端是接受漏缆外的泄漏辐射场信号，漏缆外部辐射场才能体现漏缆的辐射性能。43杭 州 电 子 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文（ a） 泄 漏 电 缆 内 外 部 求 解 空 间 横 截 面 电 场 分 布(b) 泄 漏 电 缆 内 外 部 求 解 空 间 X-Z 截 面 电 场 分 布(c) 泄 漏 电 缆 内 外 部 求 解 空 间 Y-Z 截 面 电 场 分 布图 5.4 800MHz 泄 漏 电 缆 电 场

7、分 布44杭 州 电 子 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文（ a） 泄 漏 电 缆 内 外 部 求 解 空 间 横 截 面 电 场 分 布(b) 泄 漏 电 缆 内 外 部 求 解 空 间 X-Z 截 面 电 场 分 布(c) 泄 漏 电 缆 内 外 部 求 解 空 间 Y-Z 截 面 电 场 分 布图 5.5 900MHz 泄 漏 电 缆 电 场 分 布45杭 州 电 子 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文（ a） 泄 漏 电 缆 内 外 部 求 解 空 间 横 截 面 电 场 分 布(b) 泄 漏 电 缆 内 外 部 求 解 空 间 X-Z 截 面 电 场 分 布(c) 泄 漏 电 缆 内 外 部 求 解 空 间 Y-Z 截 面 电 场 分 布图 5.6 1800MHz 泄 漏 电 缆 电 场 分 布46杭 州 电 子 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文（ a） 泄 漏 电 缆 内 外 部 求 解 空 间 横 截 面 电 场 分 布(b) 泄 漏 电 缆 内 外 部 求 解 空 间 X-Z 截 面 电 场 分 布(c) 泄 漏 电 缆 内 外 部 求 解 空 间 Y-

8、Z 截 面 电 场 分 布图 5.7 1900MHz 泄 漏 电 缆 电 场 分 布47杭 州 电 子 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文（ a） 泄 漏 电 缆 内 外 部 求 解 空 间 横 截 面 电 场 分 布(b) 泄 漏 电 缆 内 外 部 求 解 空 间 X-Z 截 面 电 场 分 布(c) 泄 漏 电 缆 内 外 部 求 解 空 间 Y-Z 截 面 电 场 分 布图 5.8 2100MHz 泄 漏 电 缆 电 场 分 布由图 5.4图 5.8 中的 (a) 和( b)可 见 ， 在 几 个 手 机 的 使 用 频 点 上 ， 漏 缆 的 在 开 槽 口 附 近电场场强较强，变化较大，但是偏离开槽口后场强趋于均匀；其中的图(c)进一步验证了离开开槽口后电场辐射的均匀性。实际运用中电磁信号的接收装置离漏缆都有一段距离（一般都在 1m 以 外 ） ， 因 此 开 槽 口 附 近 的 电 磁 波 动 对 漏 缆 的 使 用 不 构 成 影 响 。在距漏缆 2m 处 加 半 波 偶 极 子 ， 漏 缆 一 端 为 端 口 1， 偶 极 子 为 端 口 2， 将 偶 极 子 沿

9、 z 轴移48杭 州 电 子 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文动进行扫描，仿真漏缆的耦合损耗，结果如下图所示：(a) (b)(c) (d)(e) (f)49杭 州 电 子 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文(g) (h)(i)图 5.9 800MHz2400MHz 漏 缆 耦 合 损 耗 仿 真 结 果根据遗传算法得出的设计参数求出根据 4.1 节的分析求出 Z 从-2m 到 2m 漏缆在800MHz2400MHz 耦合损耗的理论计算值如图 5.10 所示。(a) (b)50杭 州 电 子 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文(c) (d)(e) (f)(g) (h)51杭 州 电 子 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文(i) (j)(k) (l)图 5.10 800MHz2400MHz 漏 缆 耦 合 损 耗 理 论 计 算 结 果由图 5.9 和图 5.10 可得出所设计漏缆在整个设计频段上 50%置信度耦合损耗 Lc50 和95%置信度耦合损耗 Lc95 的 仿 真 结 果 和 理 论 计 算 结 果 ， 列 于 表 5-3。比较可知理论与仿真结果基本相符。达到 55dBLc85dB 的预期目标。根据 2.2.3 节的分析求出所设计漏缆的传输衰减，见表 5-3。传输衰减会随着使用频率的升高而增大,因此工作频率较高的漏缆在设计时要 注 意 选 择 适 当 的 内 外 导 体 半 径 ,同 时 选 择 介 电 常 数 较 小 的 绝 缘 介 质 ,从 而 降 低 传 输 衰 减 ,确保传输距离。52表 5-3 漏 缆 耦 合 损 耗 理 论 计 算 结 果 和 仿 真 结 果 比 较5.4 本 章 小 结杭 州 电子 科 技 大 学 硕 士学 位 论 文本章根据拓宽频带后的漏缆耦合损耗理论计算公式构造遗传算法自适应函数，搜索了一种使用频带为 800MHz2400MHz 的垂直开

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