关于泄漏同轴电缆辐射模式的研究

关于泄漏同轴电缆辐射模式的研究 工业技术 关于泄漏同轴电缆辐射模式的研究 冯国丽冯帅 (黑龙江信息技术职业学院哈尔滨大学150086) 摘要:根据基本的电磁理论,从理论上对泄漏同轴电缆的辐射模式进行了分析,以 八字开槽为例,推导出其辐射扬的数学表达式,从而得 出了辐射波的产生条件和泄漏同轴电缆的三种工作摸式.讨论了如何抑制高次模 辐射.为泄漏同轴电缆在闭域空间通信提供了理论 基础和可实践的途径 关键词:泄漏同轴电缆辐射模式单模辐射 中图分类号:045.文献标识码:A文章编号:1674—198X(2008)03(c)一0075--02 1前言 泄漏同轴电缆(LeakyCoaxialCabie) 通常简称Icx,是一种配置连续缝隙天线 阵的馈电线.它是根据特定的电磁理论, 在同轴电缆的外导体表面上按照一定的规 律周期性或非周期性配置一系列的开槽 口,每个开槽口都相当于一个电磁波辐射 源,沿着其垂直方向可以辐射具有均匀稳 定电磁场的电波.泄漏同轴电缆同时具有 传输线和辐射天线的双重特性,所以它不 仅能沿着其轴向传输电信号,还能沿着其 径向辐射电磁波.辐射出的电磁波能被它 周围的接收天线接收.同时移动发射机发 射的信号也可以发送给泄漏同轴电缆,然 后传送到固定接收机,从而可以实现与外 部空间的全方位双工无隙通信. 泄漏同轴电缆具有信号覆盖均匀,低 耦合损耗,容易安装和改变通信线路,很 少污染环境等优点,因此在许多无线通信 无法实现的场合或外界传播条件非常恶劣 的情况下,泄漏同轴电缆仍可实现自由通 信.因此它被广泛地应用于地铁,隧道,地 下商场,矿井等闭域空间,具有广泛的应 用前景… 2泄漏同轴电缆的辐射场分析 根据电磁理论,一个均匀无限长磁流, J如果沿其z方向的传播系数为卢,在磁流 源外部一点p(z.,r)处产生的电场为: E=一j?"xFlt11 Flm=' … I~JoTe-Jko~(2) 式中的n称为磁赫兹矢量,n)为角频率, Ji}.,.分别是自由空间的波数和磁导率, R=为观察点P与磁偶极子间 的距离,如图1所示. X \观黜}) , / 一 .. 图1磁流源 如果磁流沿z方向传播,则磁赫兹矢量 只存在z向分量 兀=f喾s 令=一!,z—Z0=rsinht,则 兀:=:Jme-14zJ 一 ~ — JPc.shd, 零阶第二类汉克尔的积分表达式为 ?()=』dt7r 将(5)式代入(4)式,则有 兀一去卅: 再将(6)式代入(1)式,即可求出轴向磁 流产生的向电场: _,华肚 其中日表示一阶第二类汉克尔函数. 泄漏同轴电缆的开槽口产生的辐射场 可以看作由在相同位置的等效磁流产生的 场,若泄漏同轴电缆以P为周期配置开槽, 则磁流-,也是以P为周期的函数,对其进 行傅立叶展开 一.! (z)=?JmP一 上式中的J为-,的幅值,n为整数.将 (8)式代入(7)式,便可得到 (r,z)=量t,日.c2'(r)一(9) 其却:一,8=8+2~n/p, = ?.卢为电磁波的径向传播常数,卢 为n次模空间谐波沿z轴的传播常数,由上 面分析得知它们满足下式的关系 : ?一(10) 如果0,场量将沿径向凋落,无辐射 产生,这时所形成的就是表面波.因此,只 有当>0才会有径向辐射产生,此时即为 辐射工作模式.即辐射波产生的条件是 一 >0(11) 将=2rrf/c,=?代入上式可得 到 一 <f<一(12) 其中,c 为自由空间电磁波的传播速度,在这里只 能取整数,上式说明在周期性开槽的泄漏 同轴电缆的周围存在着无穷多的空间谐波 分量,它们类似于导波结构中的传输模式, 故也将其称为模式…I】. 观察上式,当时?0,上式不成立,空间 谐波不能向外辐射,只有当一1时才能产 生辐射波,上式(12)表示的就是产生辐射波 的频率范围【. 3泄漏同轴电缆的三种工作频段 通过前面的分析,根据多槽孔泄漏的 无线电波的干扰,可把辐射区分为下列3 个频段: (1)卢是虚数且为表面波模的频段; (2)卢是实数且只有单模辐射的频段; (3)卢是实数且有多模辐射组成的频段. 图2空间偕波模式图(下转77页) 科技创新导报ScienceandTechnologyInnovationHerald75 工业技术 保护系统,用TN表示.它的特点如下:一 旦设备出现外壳带电,接零保护系统能将 漏电电流上升成短路电流,这个电流很大, 是TT系统的5.3倍,实际上就是单相对地 短路故障,熔断器的熔丝会熔断,低压断路 器的脱扣器会立即动作而跳闸,使故障设 备断电,比较安全. TN系统节省,工时,在我国和其 它许多国家得到广泛应用,可见比TT系统 优点多.TN方式供电系统中,根据其保护 零线是否与工作零线分开而划分为TN—C 和TN—S等两种. (a)TN—C系统 它是用工作零线兼作接零保护线,可 以称作保护中性线,可用NPE表示,如图2 所示. 这种供电系统的特点如下: 由于三相负载不平衡,工作零线上有 不平衡电流,对地有电压,所以与保护线所 联接的电气设备金属外壳有一定的电压. 如果工作零线断线,则保护接零的漏 电设备外壳带电. 如果电源的相线碰地,则设备的外壳 电位升高,使中性线上的危险电位蔓延. TN—C系统干线上使用漏电保护器 时,工作零线后面的所有重复接地必须拆 除,否则漏电开关合不上:而且工作零线在 任何情况下都不得断线.所以,使用中工作 零线只能让漏电保护器的上侧有重复接地. PEN线中的电流在有爆炸危险的环 境中会引起爆炸. C方式供电系统只适用于三相载 *TN— 基本平衡情况.. 3.3TN-S系统 它是把工作零线N和专用保护线PE严 格分开的供电系统,称作TN—S供电系统, 如图3所示 TN—S系统的特点如下: 系统正常运行时,专用保护线上没有 电流,只是工作零线上有不平衡电流.PE 线对地没有电压,所以电气设备金属外壳 接零保护是接在专用的保护线PE上安全 可靠., 工作零线只用作单相照明负载回路. 专用保护线PE不允许断线,也不允 许进入漏电开关. 干线上使用漏电保护器,工作零线不 得有重复接地,而PE线有重复接地,但是 不经过漏电保护器,所以TN—S系统供电 干线上也可以安装漏电保护器. 3.4TN-C-S系统 在系统某一点起,PEN分为保护线和 中性线,分开后,中性线(N)对地绝缘(注: PEN线分开后,不能再合并).TN—C—S供 电系统是在TN—C系统上临时变通的作 法.所以TN—C—S系统只是一种临时性的 供电系统. 3.5fT系统 IT系统的电源不接地或通过阻抗接 地,电气设备的外壳可直接接地或通过保 护线接至单独接地体.如图4所示. IT系统的特点如下: 单相接地第一次故障时,故障电流小,可 不切断电源,警报设备报警,通过检查线路消 除故障,供电连续性较高. 可采用剩余电流保护器(RCD)进行人 身设备和安全保护. 如果消除第一次故障前,又发生第二 次故障,如不同相的接地短路,故障电流很 大,非常危险,因此对一次故障探测报警设 备的要求较高,以便及时消除和减少出现双 重故障的可能性,保证IT系统的可靠性. 4结语 通过对以上几种接地系统的分析,结 合石油钻井行业的特点:要有连续性,有 易燃易爆气体存在的可能,供电距离较 短,有专职维护服务人员等.我们觉得IT 系统和TN—s系统应该是比较符合石油钻 井行业对接地系统的要求的. 参考文献 【1】周超,王常余编着.注册电气工程师自学 问答.机械工业出版社. 【2】吴明柱.低压供电系统接地制式分类.山 西气象,2003年第一期. (上接75页) 8 乍6; ?-- 一 ll ,4 蠢_ : 2 0ic O2 f=2OOMHz f=6OOMHz一一 f=1O00MHz 4681O12 观察点与电缆唯点离r(m) 图3不同频率下的辐射场 从上图可以看出,当,>时,电磁波仅以 表面波的形式存在,当,>时,一1次模的波开 始辐射.随着频率的增加,一2,一3,越来越多 的高次模开始出现.此时,多个模式的波同 时存在,这也就是我们所说的多模辐射. 4泄漏同轴电缆三种辐射模式的仿真 根据电磁理论,经过数学推导与计算 的出单模泄露同轴电缆八字开槽产生辐射 场的数学表达式,得出了辐射波产生条件. 下面就不同的工作频率仿真得到电缆周围 的场强分布. 图3是在沿电缆轴向500m处,工作频 率分别为200MHz,600MHz,1000MHz时, 场强随观察点到电缆垂直距离变化的仿真 图.通过比较可明显看出当工作在表面波 区域(,=200MHz)时,场强随径向距离的增 加而迅速减小. 5结论 本章首先从理论上对泄漏同轴电缆的 辐射模式进行了分析,推导出其辐射场的 数学表达式.通过具体的仿真实例形象地 说明了泄漏同轴电缆分别工作在单模,多 模和表面波这三种工作频段的区别.从仿 真结果我们也可以看出,当泄漏同轴电缆 工作表面波频段时,场强随着径向距离的 增大而迅速减小,空间传输距离很短;当 工作在多模辐射频段内时,场强波动较 大;而在单模辐射的频带内,可以产生均 匀稳定的电磁波,因此辐射型泄漏同轴电 缆应工作在单模辐射频段内.这些结论为 泄漏同轴电缆的在闭域区间的应用提供了 理论基础和可实践的途径. 科技创新导报ScienceandTechnologyInnovationHerald77