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双漏缆电磁耦合传感器设计
资料介绍
传统安防警戒领域中使用的传感器常常受到天气、光线、地形等环境因素制约,为了解决这一问题,迫切需要一种新的周界入侵探测系统传感器.基于双根漏泄同轴电缆构建电磁耦合传感器,以阵列天线理论分析其工作原理,并运用电磁仿真软件HFSS分析其端口传输特性,提出了一种新型电磁传感器设计方法.依据国家标准选取工作频率为40MHz的HLRHTCYZ-50-42L型单根漏泄同轴电缆,构建漏泄同轴电缆仿真模型进行电气性能仿真分析和优化,获得了八字槽缝隙的长度和倾角制约耦合损耗和传输损耗的变化规律;进行了单根漏泄同轴电缆电气性能实测,水平和垂直取向方式的耦合损耗(95%)实测值分别为62.6dB和64.3dB.实测结果与仿真结果吻合良好.
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西安电子科技大学学报 自然科学版
）
年
月
２０１８
４
Ａ ｒ．２０１８
ｐ
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ꢀ
第
卷
第
期
４５
２
Ｖｏｌ．４５ Ｎｏ．２
ꢀ
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ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＸＩＤＩＡＮ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ
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ｄｏｉ１０ꢀ３９６９／ꢀｉｓｓｎꢀ１００１２４００ꢀ２０１８ꢀ０２ꢀ００７
－
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双漏缆电磁耦合传感器设计
１
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乔
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１
２
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，
，
官
路 宏 敏
谭 康 伯
蓝 燕 锐
孙
栋
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（
１．
，
；
７１００７１
西安电子科技大学 电子工程学院 陕西 西安
，
中天科技集团 中天射频电缆有限公司 江苏 南通
２．
）
２２６０１０
：
、
、
，
，
摘要 传统安防警戒领域中使用的传感器常常受到天气 光线 地形等环境因素制约 为了解决这一问题
，
迫切需要一种新的周界入侵探测系统传感器 基于双根漏泄同轴电缆构建电磁耦合传感器 以阵列天线理
．
，
论分析其工作原理 并运用电磁仿真软件
，
分析其端口传输特性 提出了一种新型电磁传感器设计方
ＨＦＳＳ
，
型单根漏泄同轴电缆 构建漏泄同轴电
法 依据国家标准选取工作频率为
．
的
４０ＭＨｚ ＨＬＲＨＴＣＹＺ５０４２Ｌ
－ －
，
缆仿真模型进行电气性能仿真分析和优化 获得了八字槽缝隙的长度和倾角制约耦合损耗和传输损耗的
；
，
（
９５％
）
变化规律 进行了单根漏泄同轴电缆电气性能实测 水平和垂直取向方式的耦合损耗
实测值分别为
和 实测结果与仿真结果吻合良好
６２．６ｄＢ ６４．３ｄＢ．
．
：
；
；
；
Ｓ
关键词 电磁耦合传感器 漏泄同轴电缆 耦合损耗 参数
＋
ＴＮ８１１ ．３
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：
：
Ａ
： （ ）
１００１２４００２０１８０２００３７０６
－ － －
中图分类号
文献标识码
文章编号
ꢀꢀ
Ｄｅｓｉｎｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｎｅｔｉｃｃｏｕｌｉｎ ｓｅｎｓｏｒｂａｓｅｄｏｎ
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ｄｏｕｂｌｅｌｅａｋ ｃｏａｘｉａｌｃａｂｌｅｓ
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２
，
，
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，
，
，
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（
ｇ
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， ， ，
２ꢀＺｈｏｎｔｉａｎＲＦＣａｂｌｅＣｏꢀ Ｌｔｄꢀ Ｎａｎｔｏｎ ２２６０１０ Ｃｈｉｎａ
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）
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ｇ
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：
，
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｓｅｃｕｒｉｔ ｉｓｓｕｅｓｏｆｔｈｅｉｍ ｏｒｔａｎｔｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ ｄｉｓｔｒｉｃｔｓａｎｄｎａｔｉｏｎａｌｂｏｕｎｄａｒｉｅｓ
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，
ｃａｕｓｅｄｂ ａｔｈｒｅａｔｔｏｔｅｒｒｏｒｉｓｔｓａｎｄｏｔｈｅｒｉｎｓｅｃｕｒｉｔ ｆａｃｔｏｒｓ ｉｔｉｓａｎｕｒｅｎｔｎｅｅｄｔｈａｔｔｈｅｉｎｔｒｕｄｅｒｄｅｔｅｃｔｉｏｎ
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，
ｓｓｔｅｍｉｓｄｅｓｉｎｅｄｂ ｎｅｗｔｅｃｈｎｏｌｏｉｅｓａｎｄ ｍｅｔｈｏｄｓꢀＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｄｏｕｂｌｅｌｅａｋ ｃｏａｘｉａｌｃａｂｌｅ ａｎｏｖｅｌ
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ｇ
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ｙ
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，
ｅｌｅｃｔｒｏｍａｎｅｔｉｃｃｏｕｌｉｎ ｓｅｎｓｏｒｉｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｉｔｓ ｗｏｒｋｉｎ ｒｉｎｃｉｌｅｉｓａｎａｌｚｅｄ ｗｉｔｈｔｈｅａｒｒａ ａｎｔｅｎｎａ
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，
ｔｈｅｏｒ ｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｔｈｅ ｏｒｔｉｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｂ ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｎｅｔｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅ
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ｙ
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，
ＨＦＳＳ ａｎｄａｎｅｗ ａ ｒｏａｃｈｔｏｄｅｓｉｎｉｎ ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｎｅｔｉｃｓｅｎｓｏｒｉｓ ｕｔｆｏｒｗａｒｄꢀＡｃｃｏｒｄｉｎ ｔｏｔｈｅ
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，
ｎａｔｉｏｎａｌｓｔａｎｄａｒｄ ｔｈｅＨＬＲＨＴＣＹＺ５０４２Ｌｌｅａｋ ｃｏａｘｉａｌｃａｂｌｅｗｉｔｈｔｈｅｏｅｒａｔｉｎ ｆｒｅｕｅｎｃ ｏｆ４０ＭＨｚｉｓ
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－
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，
，
ｓｅｌｅｃｔｅｄａｓｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌｉｓｓｉｍｕｌａｔｅｄａｎｄｏｔｉｍｉｚｅｄ ｔｈｅ
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ꢀ
ꢀ
ｃｈａｎｅｓｏｆｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎａｎｄｃｏｕｌｉｎ ｌｏｓｓｗｉｔｈｔｈｅｌｅｎｔｈａｎｄｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎｏｆＬＣＸｓａｅｒｔｕｒｅ
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，
ａｒｅｏｂｔａｉｎｅｄꢀＴｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｓｉｎｌｅＬＣＸａｒｅｍｅａｓｕｒｅｄ ｔｈｅｃｏｕｌｉｎ ｌｏｓｓｅｓ ９５％ ｏｆ
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（
）
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，
ｔｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌａｎｄｖｅｒｔｉｃａｌｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｓａｒｅ６２．６ｄＢａｎｄ６４．３ｄＢ ｒｅｓｅｃｔｉｖｅｌ ꢀＴｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｉｎ
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ａｒｅｅｍｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓꢀ
ｇ
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：
；
； ；
Ｋｅ Ｗｏｒｄｓ ＤＬＣＸＳ ＬＣＸ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｏｓｓ Ｓ ａｒａｍｅｔｅｒｓ
ｐ
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ꢀ
－
ｙ
ꢀ
（
，
），
，
，
漏泄同轴电缆
形状缝隙的同轴电缆
；
简称为漏缆 是一种以同轴线结构为基础 外导体雕刻不同
Ｌｅａｋ ＣｏａｘｉａｌＣａｂｌｅＬＣＸ
ｙ
ꢀ
ꢀ
［
］
１２
－
，
，
工作时 一方面沿其内外导体轴向空间传输电磁波信号 其作用和普通同轴
．ＬＣＸ
［
］
３４
－
，
电缆一样 另一方面也通过外导体上的缝隙向外辐射电磁波 其作用和普通天线一样
因其具有传
．ＬＣＸ
：
：
：
２０１７０９２８
－
收稿日期
网络出版时间
２０１７０５１９
－
－
ꢀꢀꢀꢀ
－
（
）
基金项目 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目
ＪＢ１６０２０５
：
（
１９９０－
），
，
男 西安电子科技大学博士研究生
，
：
Ｅ ｍａｉｌ ｕａｎｉａｏ ｓｔｕ．ｘｉｄｉａｎ．ｅｄｕ．ｃｎ．
－ ｑ ＠
ｇ
作者简介
官
乔
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： ：／／
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ｐ
／
／ ／
ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔｋｃｍｓｄｅｔａｉｌ６１ ．１０７６ ．Ｔ Ｎ ．２０１７０９２８ ．２２１０ ．０１４ ．ｈｔｍｌ
网络出版地址
（
西安电子科技大学学报 自然科学版
）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ ꢀꢀꢀꢀ
第
卷
４５
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ ꢀꢀꢀꢀ
３８
，
、
输线和天线的双重作用 广泛应用于地铁 矿井和地下停车场等无线通信基站电磁波信号无 法 覆盖 的区
［
］
５６
，
－
，
新近也应用于人体姿势识别 以提供医疗
域
解决了常规天线辐射的电磁波信号覆盖的盲区问题
．ＬＣＸ
［］
７
（
， ）
ＭｕｌｔｉｌｅＩｎｕｔＭｕｌｔｉｌｅＯｕｔｕｔ ＭＩＭＯ
ｐ ｐ ꢀ ｐ ｐ
－ －
，
关怀辅助功能
和多输入多输出
技术相结合 为无线信道
．ＬＣＸ
［
］
８９
－
容量的提升开辟了新途径
．
、
，
为了解决恐怖威胁等不安全因素导致重要设施 区域和国界的安防警戒问题 迫切需要应用新技术和新
，
、
、
、
方法设计入侵探测的系统 基于
．
的周界入侵探测系统 具有安全隐蔽 随形安装 全天候工作 全空间警
ＬＣＸ
［
］
１０１３
，
－
，
、
、
、
戒等特点 受到了美国 日本 加拿大 以色列等国家相关研究机构和学者的重视
国内相关研究所也进
，
行了基础性探索 然而各国公共安全标准存在的差异性 导致现有基于
．
的周界入侵探测系统的设计与
ＬＣＸ
，
实现呈现出不同的设计和实现方法 同时 科技发展提供了采用新技术方法的可能性 笔者基于双根
构
．
．
ＬＣＸ
（
，
ＤｏｕｂｌｅＬｅａｋ ＣｏａｘｉａｌＣａｂｌｅｓＳｅｎｏｒ ＤＬＣＸＳ
ꢀ
），
，
建电磁耦合传感器
以阵列天线理论分析其工作原理 并运
ꢀ
ｙ
ꢀ
ꢀ
，
仿真分析其端口传输特性 提出了一种新型电磁传感器 依据国家标准选取
．
用
ＨＦＳＳ
ＨＬＲＨＴＣＹＺ５０４２Ｌ
－ －
，
进行电气性能仿真分析和优化 给出了八字槽缝隙物理尺寸制约
型号的单根
耦合损耗和传输损
ＬＣＸ
ＬＣＸ
；
耗的变化规律 并进行了单根
电气性能实测 实测结果与仿真结果吻合良好
．
ＬＣＸ
．
理论分析
１
ꢀ
，
、
漏泄同轴电缆结构如图 所示 由内向外依次是内导体 发
１
图
漏泄同轴电缆结构示意
１
ꢀ
、 ，
泡绝缘介质层 雕刻有缝隙的外导体 节距
表示一组缝隙的
Ｐ
，
ｚ
，
，
α
，
ｗ
，
ｌ
周期长度
表示电磁波传输的坐标方向
为漏缆横截面的圆周坐标方向
为缝隙倾角
为缝隙宽度
、
，
、
、
为缝隙长度 通常也会在外导体外侧加一层护套来保护内部金属结构以防腐蚀 变形 可埋设于土壤 墙体
．
沥青和水泥路面等严酷环境
．
单根八字槽缝隙漏缆的场分析
１．１
ꢀ
， 、
对于漏泄同轴 电 缆 而 言 主 要 的 电 气 参 数 包 括 耦 合 损 耗 工 作 频 带 和 传 输 损 耗 等 耦 合 损 耗
．
Ｌｃ
＝
（ ／ ），
其中
，
Ｐｒ
，
Ｐｔ
表示距离漏缆
２ｍ
处的偶极子天线的接收功率
表示漏缆内传输的电磁波功
１０ｌｏ Ｐ Ｐｔ
ｒ
－
ｇ
，
率 漏缆的耦合损耗沿轴向起伏变化 通常以概率的方法来表示整根漏缆的耦合损耗 用符号
．
，
（
Ｌｃ ９５％
）
来表
，
征局部耦合 它表示
的局部耦合损耗的测量值均小于此值
９５％
．
，
对于周期性缝隙结构 根据
，
定理 电场分布的表达式为
Ｆｌｏｕｅｔ
ｑ
（， ， ）
Ｅ ｒ ｚ
（， ， ） （
Ｅ ｒ ｚ ｅｘ
ｐ －ｊ
） ，
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ꢀ
（）
１
＝
ꢀｚ
ｐ
， ，
ｋ
ｚ ＝ －ｊαα
，
ＥＰ ｒ
（， ， ）
是关于 的周期函数
（， ， ）
的傅里叶
其中
和 分别是衰减常数和传播常数
ｚ
ｚ
．ＥＰ ｒ
ｚ
β
β
级数及周期缝隙电场分布的表达式依次为
∞
２ｍ
π
（， ， ）
Ｅ ｒ ｚ
ｐ
（， ， ）
，
ｚ
ꢀ
）
（）
２
Ｅ
ｒ
ｍ
ｐ
ｚ ｅｘ
＝
ｐ －ｊ
（
∑
ｍ
＝ －∞
ｐ
∞
（， ， ）
Ｅ ｒ ｚ
（ ）
ｚ
ｐ －α
（， ） （
ｅｘ
ｐ －ｊ ｍ
） ，
ｚ
ꢀ
（）
３
ｅｘ
＝
Ｅ
ｍ
ｐ
ｒ
β
∑
ｍ
＝ －∞
，
ｍ
β
／
Ｐ ．
＋
β
，
（）
其中
假设漏泄同轴电缆是无限长的 八字槽缝隙的电场如图 所示
２ｍ
２ａ
．
＝
π
图
八字槽漏泄同轴电缆缝隙电场及电流分析
２
ꢀ
：／／
ｈｔｔｐ ｗｗｗ．ｘｄｘｂ．ｎｅｔ
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