泄漏电缆传输系统的设计与应用.docx

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泄漏电缆传输系统的设计与应用

泄漏电缆传输系统的设计与应用

摘要：

本文对泄漏同轴电缆传输系统的特点、适用场所和泄漏同轴电缆的结构特点及其主要技术参数作了简要介绍；并以某地铁隧道泄漏电缆传输系统设计为实例，详细说明了链路计算和系统设计方法，最后还介绍了自由空间电磁场场强的测试方法。

关键词：

泄漏同轴电缆，地铁隧道，链路计算，场强测量

Abstract:

inthispaper,theleakagecoaxialcabletransmissionsystemcharacteristics,applicationplacesandleakcoaxialcablestructuralfeaturesandmaintechnicalparameterswerebrieflyintroduced;Andwithasubwaytunnelleakagecabletransmissionsystemdesign,forexample,adetaileddescriptionofthelinkcalculationandsystemdesignmethod,atlast,thispaperintroducestheelectromagneticfieldofthefreespaceofthefieldtestmethod.

Keywords:

leakagecoaxialcable,thesubwaytunnel,linkcalculation,thefieldmeasurement

隧道、地铁、矿井、车站和地下停车场等都是空间狭窄的特殊通信区域，影响无线信号正常传输；此外，由于车体对信号的遮挡，车辆行驶速度快，导至隧道内的通信信号极差，产生通信盲区。

采用泄漏同轴电缆分布覆盖解决方案，可以克服常规天线电磁场分布不均匀和频带窄等诸多弊病。

泄漏同轴电缆还适用于金属框架结构的建筑物，或者信号需要被限制在一个比较小的范围（几米）内。

信号覆盖范围可以被限定在一个特定的区域内，从而可以最大限度降低同频道干扰。

泄漏同轴电缆（LeakyCoaxialCable）简称为“漏缆”。

是一种可以安装在建筑物内及隧道内的无线覆盖设备，它可以解决在室外基站信号无法穿透建筑物的难题。

泄漏同轴电缆的结构与普通同轴电缆基本一致，由内导体、开有周期性槽孔的外导体和绝缘介质三部分组成，如图1所示。

电磁波在泄漏同轴电缆中纵向传输的同时，还通过外导体槽孔向外界辐射电磁波；外界移动设备发射的电磁场也可通过外导体槽孔感应到泄漏电缆内，并传送到无线基站（BTS）的接收端。

当今，宽频泄漏电缆已经成为室内无线通讯系统的重要组成部分，包括第二代和第三代商业网络、紧急服务通讯网络、WLAN、WiMAX和移动电视等。

泄漏同轴电缆具有同轴电缆和天线的双重作用。

与传统的直放站＋转发天线、馈电系统相比,泄漏电缆分布式天馈系统具有以下特点：

（1）信号覆盖均匀，尤其适合地下停车场、隧道、矿井等狭小空间；泄漏电缆和传统天线辐射的电磁场分布相比，就像长日光灯管与电灯泡照明的亮度分布相比那样；如图2所示。

（2）泄漏电缆是一种宽频带系统,其频段覆盖在45MHz－2GHz以上，适应现有各种无线通信体制，即可同时提供多种通信服务覆盖，例如可同时用于：

CDMA800、SM900、GSM1800、WCDMA、1/4〞1/2〞7/8〞1-1/4〞1-5/8〞

WLAN等多种不同频段的无线通信系统；图1各种规格的泄漏电缆

（3）在障碍物多的复杂空间环境下，泄漏电缆通信的信号稳定、性能优异；

（4）泄漏电缆的始端与末端的场强差异较大；（5）泄漏电缆价格较贵，但当多系统同时接入时可大大降低总体造价。

图2泄漏电缆与传统天线辐射电磁场分布比较

一.泄漏电缆的主要技术特性

1.1泄漏电缆分类

根据信号泄漏机理，泄漏电缆可分为：

耦合型、辐射型和分段型三种类型。

1.耦合型泄漏电缆：

耦合型漏缆外导体上的槽孔间距远小于工作波长。

电磁波通过槽孔衍射；外导体表面波的二次效应电流，在电缆周围激发出电磁场，电磁场能量以同心圆的方式扩散，它辐射的电磁能量是无方向性的，并随着距离的增加迅速减小。

耦合型漏缆适合于宽频谱传输。

典型的耦合型漏缆结构是外导体上有轧纹，纹上铣椭圆形孔。

由于耦合型漏缆的传输频带宽，因此地铁专网无线通信系统一般都选用耦合型漏缆，在地铁里，一根漏缆可传输多路公网（GSM/CDMA等）信号。

耦合型泄漏电缆一般有两类，一类是耦合损耗小而线路损耗较大，另一类是耦合损耗大而线路损耗小，可根据不同情况和不同用途选取。

2.辐射型泄漏电缆：

辐射型漏缆的典型结构是在外导体上开着周期性变化的一字、八字形槽孔。

槽孔间隔约等于1／2工作频率波长，槽孔结构使得在槽孔处的信号产生同相迭加，但只在相应波长的窄频段才会产生同相迭加效应，因此工作频带较窄。

辐射型漏缆电磁能量相对集中在槽孔方向，并与电缆轴心垂直，辐射能量有方向性，并且不会随距离的增加而迅速减小。

耦合损耗在某一频段内保持稳定，适用于800－2200MHz频段。

3.分段型泄漏电缆：

分段型漏缆是每隔一定距离在外导体上开槽口（分段槽孔），分段的距离使电缆的线路损耗在某一频带内最小，并可随着电缆线路损耗的增加而增加开口数量，即不断增加泄漏量，从而增加传输距离。

表1是耦合型漏缆和辐射型漏缆两种泄漏电缆特性的比较。

1.2泄漏电缆的主要技术参数

1.频率范围：

漏缆的工作频带宽度。

通过不同的外导体开槽设计，可以使漏缆在不同的工作频带上获得优化。

频率分段范围的规定：

L：

70–300MHzT：

300–500MHzC：

800–1000MHz

P：

1700–2000MHzU：

2000–2300MHzS：

2300–2400MHz

2.耦合损耗Lc：

耦合损耗Lc是漏泄电缆区别于普通同轴电缆的一个重要指标，它是指泄漏电缆内的传输功率Pt与自由空间接收到的信号功率Pr之比。

是表征泄漏电缆与外界环境之间相互耦合程度的一个特征参数。

耦合损耗的定义和测量方法在IEC61196-4和GB/Tl7737.4同轴通信电缆第4部分：

辐射电缆分规范中有明确规定。

Lc＝10lg（Pt/Pr）-----------------------------------------------------------------

（1）

式中：

Lc——耦合损耗，单位dB；

Pt——漏泄电缆内的传输功率，W；

Pr——标准偶极子天线的接收功率，W。

式

（1）表明，当泄漏电缆内传输同样大的功率Pt，自由空间获得的接收功率Pr越大时，耦合损耗Lc就越小；也就是说，耦合损耗Lc越小，自由空间获得的辐射能量越大。

耦合损耗Lc与泄漏电缆外导体的槽孔设计和传输频率密切相关。

3.传输损耗：

传输衰减又称线路损耗或插入损耗，是指漏缆传输线路的线性损耗，以dB/100m表示。

它随频率而变化，通常传输频率越高，漏缆的传输损耗越大。

4.漏缆总损耗：

漏缆总损耗是指传输损耗＋耦合损耗的总和。

是链路设计的依据。

系统链路计算时，漏缆的总损耗不得超过系统允许的最大损耗。

例如，如果系统允许的最大损耗的典型值为120dB，应扣除系统共用器、环境屏蔽和其他因素引起约15dB左右的衰减损耗，因此，漏缆的总损耗应不超过105dB。

通常长度越短，漏缆总损耗也越小。

图3漏缆总损耗α=传输损耗+耦合损耗Lc

图3是两条尺寸相同，但耦合损耗不同的漏缆总损耗图。

漏缆②的耦合损耗（实线）小于漏缆（虚线）①，于是漏缆②的传输衰减就会大于①。

随着漏缆长度的增加，漏缆②的总损耗会超过漏缆①。

正常情况下的系统总损耗会随传输距离增加而增大，采用分段型可变衰耗泄漏电缆可显著地增加泄漏电缆的可用长度。

5.实际环境中的系统总损耗在实际环境中（如隧道、建筑物或地下车库内），需考虑周围环境内导体的反射或界面的吸收损耗。

可通过以下途径处理：

◆安装时使用使用图4所示的非金属支架，因为金属支架会影响漏缆内的驻波。

图4泄漏电缆的非金属安装支架

◆保留15-17dB的衰减损耗储备。

泄漏电缆的安装位置对耦合损耗的影响很大。

安装时，漏缆的轴线与墙壁或金属桥架应保持有20cm以上的距离。

不同开放空间的隧道或地下停车场、矿井等安装环境，会产生不同的多径效应，取决于隧道的形状、尺寸和材料等因素。

表2是耦合型泄漏电缆的主要技术特性；表3是辐射型泄漏电缆的主要技术特性；表4是分段型泄漏电缆的主要技术特性。

1.3耦合损耗的测量

耦合损耗Lc源自电缆内的信号功率Pt与自由空间一个半波偶极子接收天线收到的信号功率Pr的比值：

Lc=10lg（Pt/Pr）（单位dB）。

依照国际电工技术委员会标准IEC61196-4《同轴通讯电缆（第4部分:

辐射电缆分规范）》和GB/T17737.4介绍的自由空间测量方法如下：

测量时将一个半波偶极子天线与漏缆保持D＝2m，并沿漏缆方向移动。

耦合损耗的采样值随测量位置的变化而变化。

测量数据还与半波偶极子天线与漏缆的相互方位（正交、垂直或平行）有关。

根据IEC61196-4规定，耦合损耗值是空间测量数据的平均值。

图5是耦合损耗的测试及计算图。

如果接收天线D的距离是6m，测得的耦合损耗会增大5dB（即信号电平减小5dB）。

图5耦合损耗的测试及计算图

Lc＝Pin－[PR（d）－（Pin－Pout）d]--------------------------------------

（2）

在IEC61196-4和GB/Tl7737.4标准中，泄漏电缆的长度至少要10倍于测量频率下的波长，同时为确保测量有效，在95%覆盖接收率时，每半波长需要进行10次测量，才能作为计算耦合损耗的依据。

由于要求的测量点太多，因此耦合损耗的测量依靠人工是不可能实现的，必须借助计算机和自动测量系统耒完成。

由于某一处漏泄电缆内的传输功率等于电缆输入功率减去电缆输入端到该处的功率衰减，因此，局部漏缆的耦合损耗ac（z）计算公式如下：

ac（z）=Ne-（a×z）-Nr（z）--------------------------------------------------------------（3）

式中：

ac（z）：

局部漏缆的耦合损耗，单位dB；

Ne：

漏缆输入端的电平，单位dBm；

Nr（z）：

测量天线处的接收电平，单位dBm；

a：

漏缆的衰减常数（传输损耗），单位dB/km；

z：

漏缆输入端到接收天线的距离，单位km。

耦合损耗Lc可由ac50和ac95两个典型值来表征，

◆ac50（即50％覆盖率）耦合损耗：

是指在50%覆盖区测得的局部漏缆的耦合损耗平均值；

◆ac95（即95％覆盖率）耦合损耗：

是指在95%覆盖区测得的局部漏缆的耦合损耗平均值。

ac50和ac95之间的差值，可以帮助系统设计员评估并计算连接的可用性。

二.泄漏电缆传输系统的设计

由于漏泄同轴电缆能保证信号覆盖的连续性和均匀性，因此可以在任何地方、甚至存在电磁波干扰或没有电磁波的地方都可实现无线通信，例如：

隧道、矿山、地铁、建筑大楼和大型复杂的地下停车场。

耦合型宽带泄漏同轴电缆可覆盖从900MHz的蜂窝系统到1900MHz的PCS（个人通讯服务）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（合波器）或者交叉波段耦合器把信号合成到一根泄漏同轴电缆。

能在同一根电缆上完成不同波段的各种服务。

在长达2～3公里的隧道中，应每隔一定距离安装一台双向放大器，把信号放大到合理的程度。

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时，可以把接收信号电平放大25～30分贝。

只要足以补偿路径损耗就行。

泄漏同轴电缆的耦合损耗设计一般选择在55～85分贝之间（与漏缆的槽孔参数有关）。

对于狭长的隧道系统来说，无线电波在隧道中传播时具有隧道效应，信号传播是墙壁反

射与直射的结果，其中直射为主要分量。

因此隧道本身也能帮助提高泄漏同轴电缆的耦合性能，所以耦合损耗设计一般选择为75～85分贝（即辐射量可小一些），这样有利于增长漏缆的覆盖长度。

对于地下停车场和建筑楼宇内，漏泄同轴电缆的单向长度一般都较短，在50～100米之间，传输衰减（线路损耗）一般都不会大。

因此泄漏同轴电缆的耦合损耗设计一般选择在55～65分贝之间（即辐射量可大一些），让漏泄同轴电缆能尽量多的发射信号功率，并能穿透周围界面。

泄漏同轴电缆系统设计时需要考虑的主要因素有：

耦合损耗、传输衰减（线路损耗）、系统总损耗、各种接插件及跳线的插损、环境影响、射频功放的输出功率、中继器的增益以及移动设备的最低工作电平。

规格尺寸大的漏泄同轴电缆系统的传输损耗较小，可获得较长的覆盖长度。

2.1系统设计步骤：

1.确定移动终端设备参数：

由于移动终端的输出功率较低，因此一般以移动终端的发射功率来确定漏泄同轴电缆的最大覆盖长度。

根据设备的最大输出功率电平（手机为2W）和系统要求的最低接收场强（典型值为﹣85dBm～﹣105dBm）确定系统允许的最大总损耗值αmax.。

2.选定漏泄同轴电缆的耦合损耗值Lc：

确定选定泄漏同轴电缆在指定工作频率上规定长度L所对应的传输衰减为α×L。

α为该漏泄同轴电缆的线路损耗（dB/100米）。

从而可确定该漏泄同轴电缆的系统总损耗值αs=α×L＋Lc。

（α为线路损耗，dB/100米；L为漏缆长度，m；Lc为耦合损耗，dB。

）

3.根据工作环境应留出一定的损耗裕量M：

损耗裕量M涉及的因素一般有以下几点：

◆漏缆提供的耦合损耗数据为统计平均值，必须考虑其波动性；

◆按50％覆盖率的耦合损耗值设计时，需留出10dB的裕量；

◆按95％覆盖率的耦合损耗值设计时，需留出5dB的裕量；

◆应考虑跳线及接头的插损；

◆地铁系统车体的屏蔽作用和吸收损耗也要考虑，

上述各项的环境影响，根据经验M的推荐值为15dB到17dB；

4.确定泄漏同轴电缆的最大覆盖距离：

因为系统允许的最大总损耗为：

αmax.＝αs＋M＝α×L＋Lc＋M

则漏缆的最大覆盖距离L=（αmax.－Lc－M）÷α-------------------（4）

2.2某地铁隧道泄漏电缆链路计算

地铁隧道长2800米，传输900MHz波段的GSM移动通信信号；系统覆盖要求：

90%的车内覆盖电平应达到-85dBm。

采用无线直放站作为GSM信号源。

1.漏泄同轴电缆选用的依据

漏泄同轴电缆选用的依据是：

使用频率、传输距离、传输衰减和耦合损耗。

本方案选用HLHTAY-50-42（1-5/8”）辐射型宽频带异型槽泄漏电缆，技术参数为：

..

◆工作频率：

900MHz

◆耦合损耗Lc：

该电缆的50%覆盖率的耦合损耗为72dB，在保证90%覆盖概率时，耦合损耗增加9dB，即90%覆盖概率时的耦合损耗为72+9＝81dB。

◆标称传输衰减α为2.34dB/100m；

2.移动终端技术参数

◆手机最大输出功率为2W（33dBm）

◆90%的车内覆盖电的接收电平为-85dBm

3.系统损耗裕量M

◆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

系统损耗裕量M＝5dB＋2dB＋10dB＝17dB

4.系统允许的最大总损耗值αmax.：

系统允许的最大总损耗值：

αmax.＝手机发射功率（33dBm）–接收功率电平Pr（-85dBm）＝118dB

5.计算漏缆最大长度：

漏缆最大长度L＝（αmax.-Lc-M）÷α＝（118dB－81dB－17dB）÷23.4dB/km

＝0.879km＝854米。

此结果说明在以上条件下，该种规格泄漏同轴电缆的最大覆盖距离为854米，由于地铁隧道长为2800米，，必须由四段700米泄漏同轴电缆组成，中间需用双向（收、发）中继放大器来完成全部覆盖距离。

6.计算泄漏电缆需要的输入功率Pt：

接收电平Pr＝Pt—Lc－M－α；

则：

Pt＝Pr＋Lc＋M＋α----------------------------（5）

式中：

Pr：

接收电平，-85dBm；

Lc：

耦合损耗，81dB；

M：

损耗裕量，17dB；

α：

传输衰减＝2.34dB/100m×700m＝16.38dB

∴Pt＝－85dBm＋81dB＋17dB＋16.38dB＝29.38dBm（即1w）

考虑到需要抑制上行信号的噪声和抑制下行信号交互调制产生的噪声，实际需要的发射功率还需提高50％，即33dBm。

如果需转发4路载波信号，4路载波信号用合波器合成一路输入到漏缆，4合1合波器的衰耗为8dB，则每路双向射频功放的功率输出应为33dBm＋8dB＝41dBm（12w）。

（6）GSM信号源和第一个放大器之间允许的最大纵向衰减为：

LossLong＝33+85-17-81＝20dB。

因此，第一个放大器的增益应为20-25dB。

2.3系统设计

图6是由四段700公尺泄漏电缆组成的双轨地铁隧道无线通信系统。

宽带双向射频功率放大器的功率增益为25～30分贝。

系统设计还需考虑下面一些问题：

◆接地的考虑

◆馈线或漏缆的接地

◆接地点的选择

◆隧道的环境影响

◆产品手册的误差范围

◆垂直极化方式下的耦合损耗指标

◆直流阻断器的考虑

◆功分器选择

◆合波器/耦合器的选择

◆泄漏同轴电缆的终端匹配电阻。

三.泄漏同轴电缆在自由空间电磁波场强的测量

场强是电磁场强度的简称，它是天线在空间某点的感应电信号大小，以表征该点的电磁场强度。

单位为微伏/米（μv/m）。

3.1场强测量

接收天线与漏缆的相互方位有：

水平、垂直和水平正交三种。

场强的测量数据不仅与测量位置的电磁场强弱有关，还与接收方位有关，如果接收天线的方位与被测漏缆轴线平行，可获得最大的感应信号。

如图7（C）所示。

图7接收天线的极化方向与漏缆相对的三种测量方位

场强一般可用射频（RF）有效值型电平表（电压表）来测量。

图8是场强测量原理图。

当线路匹配良好时，仪表读取的电平值是仪表输入端口（一般50Ω或75Ω）所取得的射频电压Er（dBμv）。

Er可用下式表示：

Er=E+Ga+20lgLe-Lf-6---------（6）

式中：

Er：

仪表输入口读取的电平（dBμV）；

E；电场强度（dBμV/m）；

Ga：

接收天线增益（dB）。

如果采用半波长偶极天线时Ga=0dB；图8电场强度测量原理

Le：

接收天线有效长度（λ/π）；

Lf：

接收馈线损耗（dB）；

6：

从终端值换算为开放口的校正值（dB）。

而电场强度E（dBμV/m）则可从（6）式求出，即：

E=Er-Ga-20lgLe+Lf+6------------------------------------（7）

举例说明：

测试频率：

228.25MHz（λ=1.31m）

则20lgλ/π=20lg1.31/π≈-7.6dB；

接收天线为全向半波长偶极天线，Ga=0dB；Lf选用衰减10dB/100m型电缆，实用长度10m时的衰减为1dB；仪表指示电平为15dBμV。

将上列数据代入（7），即可求得：

可求得：

场强E=Er-Ga-20lgle+Lf+6=15-0-（-7.6）+1+6=15+7.6+1+6=29.6dBμV/m。

3.2场强仪

场强仪是由电平表和天线组成的仪器。

场强仪的量值是以μV/m作单位。

从原理上来说，电平表（或电压表）它量度的是仪表输入端口的压值，而场强仪所量度的是天线在自由空间中某一点感应的电压。

目前市面上的场强仪，是将电平表的技术指标与天线分开。

如日本安立公司ML524场强仪主机就是按一个电平表给出技术指标，频率范围、灵敏度、电平测量范围、电平测试精度。

天线MP534A、MP666A作为选件，按频段给出技术指标和天线增益。

国内无线领域常用的是南韩生产的PTK3201场强仪，它也是按电平表给出指标，频率范围0.1～2000MHz，灵敏度0.3mV等都是以仪器输入端口给出，有一根鞭装天线，没有天线系数，只能定性地测量信号场强的相对大小，如果要测定dBμV/m场强，则要选配测量天线。

由此可见，电平表Er（以dBμV作单位）和场强仪E（以dBμV/m作单位）是有很大区别的。

可用式（7）换算。

请注意：

Er（电平）和E（场强）是两个不相同的数值，不能互相替代。

场强仪，它与天线关系非常密切，如果要求一定的测量精度，那么从式（7）可知，它直接与天线增益Ga有关，再则与天线的工作频率范围有关，这是最起码的要求，因此不能随便找一根天线接在电平表上就行了。

在实践中，这种天线称为测试天线，它有严格技术指标，如频率范围，天线增益以及阻抗、驻波比、波束的前后比等等。

为适应它的频率范围，其形状大有区别，有鞭状天线，半波振子天线，对数周期天线，环行天线等。

3.3谱分析仪与场强仪

以前场强仪总是将天线配套供给。

随着电子技术和电子测量技术的发展，特别是20世纪80年代以来，频谱分析仪的大量使用，传统的场强仪已越来越少，它的功能己被频谱仪代替。

频谱仪本身就是测量频谱范围内的信号电平，如果在频谱仪上加上标准测试天线不就是可测量场强了吗！

比较好的频谱仪，可以将天线系数存在机内，使用时直接显示场强数值μV/m。

如安捷伦公司、安立公司的频谱仪大都有天线系数存储功能。

结束语：

在山区隧道和地铁、矿井等场合进行无线通信，无线电波传播会受到阻碍，尤其是短波和超短波受到的传输衰减更大。

测试表明，一台在中等开阔地、有效通信距离为5千米的无线电台，放到矿井下或坑道里，它的有效通信距离只能为20来米。

增大无线电台的发射功率固然可以增大通信距离，但通信效果并不明显。

有专家作过试验，即使将无线电台的发射功率加大100倍，在矿井下或隧道中，它的传播距离也不过只能增加1/5罢了。

何况，在矿井下是不允许随意增大发射功率的，不然容易因电火花引发爆炸事故。

那么，在隧道、矿井内实现无线电通信，路在何方？

经过科学家们的研究，终于找到了利用泄漏同轴电缆进行无线电通信的良方。

泄漏电缆隧道无线通信覆盖系统主要得益在于：

（1）可减少信号阴影和遮挡区域。

在复杂的隧道中如果采用分布式天线，手机与某特定天线之间可能会受到遮挡，导致覆盖不好。

（2）信号波动范围减少。

与其它天线系统相比，隧道内信号覆盖连续、均匀。

（3）可对多种服务同时提供覆盖。

泄漏电缆本质上是一种宽带系统，多种不同的无线系统可以共享同一套泄漏电缆系统。

（4）泄漏电缆覆盖设计是一项非常成熟的技术，其设计方案相对简单。

因此，泄漏同轴电缆无线传输系统已在铁路和公路隧道、地铁、矿井、车站和地下停车场等地方获得广泛应用。

注：

文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。