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双漏缆电磁耦合传感器设计

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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

Ａｒ．２０１８

ｐ

ꢀ

第

卷

第

期

４５

２

Ｖｏｌ．４５Ｎｏ．２

ꢀ

ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＸＩＤＩＡＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ

ꢀ ꢀ ꢀ

：

ｄｏｉ１０ꢀ３９６９／ꢀｉｓｓｎꢀ１００１２４００ꢀ２０１８ꢀ０２ꢀ００７

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ｊ

双漏缆电磁耦合传感器设计

１

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乔

１

２

，

官

路宏敏

谭康伯

蓝燕锐

孙

栋

ꢀ

（

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

４０ＭＨｚＨＬＲＨＴＣＹＺ５０４２Ｌ

－－

，

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

６２．６ｄＢ６４．３ｄＢ．

．

：

；

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

ꢀꢀ

：

Ａ

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１００１２４００２０１８０２００３７０６

－－－

中图分类号

文献标识码

文章编号

ꢀꢀ

Ｄｅｓｉｎｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｎｅｔｉｃｃｏｕｌｉｎｓｅｎｓｏｒｂａｓｅｄｏｎ

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ｄｏｕｂｌｅｌｅａｋｃｏａｘｉａｌｃａｂｌｅｓ

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１

２

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ＧＵＡＮＧＱｉａｏＬＵＨｏｎｍｉｎＴＡＮＫａｎｂｏＬＡＮＹａｎｒｕｉＳＵＮＤｏｎ

２

，

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，

；

１ꢀＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｉｎｅｅｒｉｎＸｉｄｉａｎＵｎｉｖꢀ Ｘｉａｎ７１００７１Ｃｈｉｎａ

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２ꢀＺｈｏｎｔｉａｎＲＦＣａｂｌｅＣｏꢀ Ｌｔｄꢀ Ｎａｎｔｏｎ２２６０１０Ｃｈｉｎａ

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，

ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｓｅｃｕｒｉｔｉｓｓｕｅｓｏｆｔｈｅｉｍｏｒｔａｎｔｆａｃｉｌｉｔｉｅｓｄｉｓｔｒｉｃｔｓａｎｄｎａｔｉｏｎａｌｂｏｕｎｄａｒｉｅｓ

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，

ｃａｕｓｅｄｂａｔｈｒｅａｔｔｏｔｅｒｒｏｒｉｓｔｓａｎｄｏｔｈｅｒｉｎｓｅｃｕｒｉｔｆａｃｔｏｒｓｉｔｉｓａｎｕｒｅｎｔｎｅｅｄｔｈａｔｔｈｅｉｎｔｒｕｄｅｒｄｅｔｅｃｔｉｏｎ

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，

ｓｓｔｅｍｉｓｄｅｓｉｎｅｄｂｎｅｗｔｅｃｈｎｏｌｏｉｅｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｓꢀＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｄｏｕｂｌｅｌｅａｋｃｏａｘｉａｌｃａｂｌｅａｎｏｖｅｌ

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ｙ

ꢀ

，

ｅｌｅｃｔｒｏｍａｎｅｔｉｃｃｏｕｌｉｎｓｅｎｓｏｒｉｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉｔｓｗｏｒｋｉｎｒｉｎｃｉｌｅｉｓａｎａｌｚｅｄｗｉｔｈｔｈｅａｒｒａａｎｔｅｎｎａ

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ｙ

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，

ｔｈｅｏｒｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｔｈｅｏｒｔｉｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｂｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｎｅｔｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅ

ꢀ ꢀ ꢀｐ ꢀ ꢀ ꢀｙ

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ｇ

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，

ＨＦＳＳａｎｄａｎｅｗａｒｏａｃｈｔｏｄｅｓｉｎｉｎｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｎｅｔｉｃｓｅｎｓｏｒｉｓｕｔｆｏｒｗａｒｄꢀＡｃｃｏｒｄｉｎｔｏｔｈｅ

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，

ｎａｔｉｏｎａｌｓｔａｎｄａｒｄｔｈｅＨＬＲＨＴＣＹＺ５０４２Ｌｌｅａｋｃｏａｘｉａｌｃａｂｌｅｗｉｔｈｔｈｅｏｅｒａｔｉｎｆｒｅｕｅｎｃｏｆ４０ＭＨｚｉｓ

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ｙ

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，

ｓｅｌｅｃｔｅｄａｓｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌｉｓｓｉｍｕｌａｔｅｄａｎｄｏｔｉｍｉｚｅｄｔｈｅ

ꢀ ꢀ ꢀｐ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀｐ

ꢀ

ｃｈａｎｅｓｏｆｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎａｎｄｃｏｕｌｉｎｌｏｓｓｗｉｔｈｔｈｅｌｅｎｔｈａｎｄｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎｏｆＬＣＸｓａｅｒｔｕｒｅ

ｇ ꢀ ꢀ ｐｇｇ ꢀ

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ꢀ

，

ａｒｅｏｂｔａｉｎｅｄꢀＴｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｓｉｎｌｅＬＣＸａｒｅｍｅａｓｕｒｅｄｔｈｅｃｏｕｌｉｎｌｏｓｓｅｓ９５％ｏｆ

ꢀ ꢀ

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（

）

ꢀ

，

ｔｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌａｎｄｖｅｒｔｉｃａｌｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｓａｒｅ６２．６ｄＢａｎｄ６４．３ｄＢｒｅｓｅｃｔｉｖｅｌ ꢀＴｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｉｎ

ꢀ ꢀ

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ａｒｅｅｍｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓꢀ

ｇ

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：

；

；；

ＫｅＷｏｒｄｓＤＬＣＸＳＬＣＸｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｏｓｓＳａｒａｍｅｔｅｒｓ

ｐ

ꢀ

－

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

ＬｅａｋＣｏａｘｉａｌＣａｂｌｅＬＣＸ

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

，

：

Ｅｍａｉｌｕａｎｉａｏｓｔｕ．ｘｉｄｉａｎ．ｅｄｕ．ｃｎ．

－ｑ＠

ｇ

作者简介

官

乔

ꢀ

：：／／

ｈｔｔ

ｐ

／

／／

ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔｋｃｍｓｄｅｔａｉｌ６１．１０７６．ＴＮ．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

（

，）

ＭｕｌｔｉｌｅＩｎｕｔＭｕｌｔｉｌｅＯｕｔｕｔＭＩＭＯ

ｐｐ ꢀ ｐｐ

－－

，

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

（

，

ＤｏｕｂｌｅＬｅａｋＣｏａｘｉａｌＣａｂｌｅｓＳｅｎｏｒＤＬＣＸＳ

ꢀ

），

，

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

；

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

，



，

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

．

Ｌ_ｃ

＝

（／），

其中

，

Ｐ_ｒ

，

Ｐ_ｔ

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

１０ｌｏＰＰ_ｔ

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

．

，

（

Ｌ_ｃ９５％

）

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

（，，）

Ｅｒｚ



（，，）（

Ｅｒｚｅｘ

ｐ－ｊ

），

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ꢀ

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１

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ꢀ_ｚ

ｐ



，，

ｋ

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，

Ｅ_Ｐｒ

（，，）

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

．Ｅ_Ｐｒ



ｚ



级数及周期缝隙电场分布的表达式依次为

∞

２ｍ

（，，）

Ｅｒｚ

ｐ

（，，）

，

ｚ

ꢀ

）

（）

２

Ｅ

ｒ

ｍ

ｐ

ｚｅｘ

＝

ｐ－ｊ

（



∑

ｍ

＝－∞

ｐ

∞

（，，）

Ｅｒｚ



（）

ｚ

ｐ－α

（，）（

ｅｘ

ｐ－ｊ _ｍ

），

ｚ

ꢀ

（）

３

ｅｘ

＝

Ｅ

ｍ

ｐ

ｒ



∑

ｍ

＝－∞

，

ｍ

／

Ｐ．

＋

，

（）

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

．

＝

图

八字槽漏泄同轴电缆缝隙电场及电流分析

２

ꢀ

：／／

ｈｔｔｐｗｗｗ．ｘｄｘｂ．ｎｅｔ

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