泄漏同轴电缆在地铁隧道中的使用

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简介：本文主要介绍怎样经济合理的选用地铁无线通信用漏泄同轴电缆以及漏泄同轴电缆的敷设环境及接续的有关知识。
关键词：漏泄同轴电缆、耦合损耗、传输 1损耗、上行、下行、耦合模式、辐射模式

     目前国内地铁无线通信用漏泄同轴电缆（以下简称漏缆）主要分为：地铁专用无线通信（列车调度）用漏缆、公安、消防专用漏缆、民用通信用（移动、联通）漏缆，随着国民经济的快速发展，城市地铁建设进入了一个高潮时期。上海、北京、广州已经建成数条地铁线路，且仍有数条在建或在很短的时期内将建，深圳、大连、南京、重庆、武汉、天津、沈阳、杭州等城市的地铁建设己经全面启动，西安、青岛等城市的地铁项目也在规划之中。地铁内的移动通信是保证行车安全、提高运输效率和管理水平、改善服务质量等的重要手段。由于漏泄同轴电缆的场强覆盖具有明显的优越性，因而在隧道移动通信中得到了广泛的应用。目前国内地铁无线通信用漏泄同轴电缆（以下简称漏缆）主要分为：地铁专用无线通信（列车调度）用漏缆、公安、消防专用漏缆、民用通信用（移动、联通）漏缆。
    从地铁上下行区间隧道来分析，为了保证正常的无线通信需要，一般情况下，每公里地铁需敷设8公里漏缆。目前国内地铁使用的通信系统主要有：TETRA350, TETRA450, TETRA800, GSM900, CDMA800, DCS1800, PHS1900以及WLAN等，对不同的通信系统应根据系统的具体技术要求，经济、合理的选择漏缆的规格。
    地铁用漏缆进行上下行区间隧道覆盖，首先必须考虑漏缆模式的选取、传输损耗、耦合损耗的取值、大于2米的耦合损耗、隧道因子的影响等问题。下面将从几个方面浅谈漏缆在地铁中应用：
一、漏缆的选用
    1、漏缆特性阻抗的选择：一般取75Ω和50Ω两个标准值。
     考虑到获得最小的导体损耗，对应的特性阻抗公式为：    Zc=77/ ，考虑到获得最大的功率容量，对应的特性阻抗公式为：Zc=30/ 。目前无线通信系统中普遍选用漏缆的特性阻抗为50Ω。主要考虑兼顾了损耗和功率容量的要求。
    2、漏缆场强辐射模式的选用
      漏缆按场强辐射模式大致可分为两类：表面波（耦合）型漏缆和辐射型漏缆。
      表面波（耦合）型漏缆的外导体上开的槽孔的间距远小于工作波长。电磁场通过小孔衍射，激发电缆外导体外部电磁场，因而外导体的外表有电流，于是存在电磁辐射。电磁能量以同心圆的方式扩散在电缆周围，无方向性。
     表面波型漏缆的特点：径向的场强作用距离较短，空间损耗大，因此耦合损耗大，辐射场强小、波动大。50％与95％的耦合损耗概率值离散性较大，一般在10-12dB范围内。但使用频带宽，无谐振频率，设计和使用过程中不必考虑谐振点的影响。由于场强辐射无方向性的特点，开槽的方向不影响接收场强的大小，生产工艺简单、施工过程相对容易。
     辐射型漏缆的外导体上开的槽孔的间距与波长（或半波长）相当，其槽孔结构使得在槽孔处信号产生同相迭加。唯有非常精确的槽孔结构和对于特定的窄频段才会产生同相迭加。
     辐射型漏缆的特点：径向的场强作用距离较大，空间损耗小，因此耦合损耗小，辐射场强大、波动小。50％与95％的偶合损耗概率值离散性较小，一般在3-5dB范围内。但使用频带相对窄一些，有谐振频率，设计和使用过程中必须考虑谐振频点的影响。电缆敷设过程中槽孔的方向对场强影响较大。设计和生产工艺相对复杂。但针对不同的工作频段可以进行适当的场强优化。
因此，根据不同的应用场合及不同的通信系统要求可选择不同类型的漏泄电缆。随着漏缆技术的不断发展，辐射模式漏泄电缆已能满足不同工作频段的通信系统，目前已广泛应用于地铁无线通信系统中。一般而言，漏泄电缆存在耦合和辐射两种漏泄模式，所谓耦合型和辐射型指的是漏泄主要以耦合为主或以辐射为主。
3、单一耦合和不同耦合损耗漏缆的选用
      隧道中漏泄电缆的配置一般有两种方式。一是采用单一耦合损耗的配制方式（仅根据区间长度的不同，从尽量不设区间射频信号放大器的角度去选择不同规格的漏缆）。此方式的特点是施工方便，漏缆不分端别，但场强分布不均匀，整个隧道内场强分布会出现始端（信号源端）信号与漏缆末端信号场强差值较大，此差值是由于漏缆的传输损耗所造成的漏缆中射频信号电平的逐渐下降，从而使泄漏的场强沿漏缆轴向逐渐变小，此差值在理论上等于该漏缆的传输衰减。对射频信号能量所造成的浪费是不可避免的。另一种是采用渐变型耦合损耗漏缆（也称分级补偿漏缆），也就是说由于漏缆的传输损耗所造成的漏缆中射频信号电平的逐渐下降，可以通过逐渐变小的耦合损耗加以分级补偿，最终使隧道中沿漏缆轴向获得的场强非常均匀，离散性小。50％与95％的耦合损耗概率的差值一般在3-5 dB范围内。但此漏缆的设计、研发以及生产过程相对复杂，在实际中很少应用。目前仅大铁路列车无线调度系统用漏缆采用三种不同耦合损耗（85dB, 75dB及65dB)进行分段组合的方式。
   从理论上计算，采用渐变型耦合损耗的漏缆比单一开槽方式的漏缆的传输距离长20％左右，随着漏缆技术的不断发展，渐变型耦合损耗漏缆必将得到广泛应用。
4、根据隧道上下行区间的链路预算选择漏缆的规格：
4.1影响隧道区间上、下行链路的因素

基站→移动手机（下行链路） 移动手机→基站（上行链路）   
A．基站设备输出功率 A．移动手机输出功率   
B．分路器损耗 B．人体损耗（腰部）   
C．POI插损 C．车体损耗   
D．射频电缆,跳线及接头损耗 D．漏缆空间耦合损耗（ 95%）   
E．漏缆传输损耗 E．漏缆空间耦合修正值   
F．漏缆空间耦合损耗（ 95%） F．漏缆传输损耗   
G．漏缆空间耦合修正值 G．射频电缆,跳线及接头损耗   
H．车体损耗 H．POI插损   
I．人体损耗（腰部） I．分路器损耗  
  4.2根据移动台的位置对耦合损耗修正：
  一般情况下，漏缆耦合损耗的定义为距离漏缆2米处的空间损耗。对漏缆而言，当电波传输的距离很小时，其耦合损耗与距离的计算公式为：Lc=L2m+10Lg(d/2)。
  假设某规格漏缆700MHz工作频率的耦合损耗为70dB，其耦合损耗与距离的关系如下：

距离 2m 3m 4m 25m 35m   
漏缆耦合损耗 700MHz 70dB 71.76dB 73dB 80.97dB 82.43dB
        表1：漏缆耦合损耗与距离的数值关系
  由此可见离开漏缆越远，衰减速率越快，衰减深度越深。

    图4：隧道区间中漏缆对地铁列车的覆盖示意图
  考虑到移动台在列车上，因此我们要选择3米以内的耦合损耗修正值。
    对上下行区间隧道进行链路预算时，一般的设备参数如下（仅供参考）：
  指标的要求：
1、最高车速为80 km/h;
     2、各运营商基站机顶输出功率：GSM900是35dBm,CDMA是36dBm,3G系统是36dBm, PHS系统是36dBm，地铁用WLAN系统是27dBm；
     3、手机上行发射功率：GSM900 2W,  CDMA200mW;
     4、隧道区域边缘场强：GSM下行信号电平≥-85dBm,CDMA下行信号电平≥-90dBm, 3G下行信号电平≥-90dBm, WLAN下行信号电平≥-80dBm；
     5、站厅公共区及出入口通道区域边缘场强：GSM下行信号电平≥-75dBm,CDMA下行信号电平≥-85 dBm, 3 G下行信号电平≥-80dBm, WLAN下行信号电平≥-80dBm,PHS下行信号电平≥-72 dBm；
6、系统的工作频率为600~2400MHz；
7、隧道内车门关闭的情况下，车内移动手机的车体损耗为10dB,人体损耗5dB；
8、多系统接入平台（POI ）的插损（根据实际情况计算）；
9、分布系统中的损耗（根据实际情况计算）；
  通过以上对漏缆性能多方面的分析，我们能经济、合理的选用地铁内不同无线通信制式用漏缆的规格。下面是采用焦作RF电缆公司生产的SLYWY-50-42C漏缆对地铁内各通信系统信号覆盖进行下行链路的预算：
  各通信系统的下行链路预算过程如下：
              表2：隧道区间最远有效覆盖距离预算
二、漏缆的敷设环境：
    1、安装漏缆时应选用非金属阻燃材料支架，从理论和实际测试结果分析，周期性的金属支架会在一定程度上影响漏缆的电压驻波比指标。
    2、漏缆应安装在距隧道壁10cm以上的距离，以消除对耦合损耗的影响。
    3、漏缆护套表面的盐份、金属粒子、水分及油污将会增加漏缆的传输衰减，对电压驻波比及耦合损耗也会造成影响。
    4、安装辐射型漏缆时，由于场强的泄漏有方向性，建议漏缆外导体上的槽孔方向应朝向移动台，以消除辐射场强大的波动。
三、漏缆的接续
由于电缆制造长度和敷设长度的不一致，因此在施工现场必须对电缆进行接续。按照地铁具体情况，接续分以下四种类型：
1、表面波（耦合）型漏缆的接续
    目前地铁用表面波（耦合）型漏缆主要是外导体轧纹铣槽漏泄同轴电缆，由于该漏缆连续铣槽，无周期性节距，无谐振频率的特点，安装接头时无需考虑开槽对接续的影响。
2、单一开槽辐射型漏缆的常规接续
  从漏缆辐射电波的原理可知，在单一开槽辐射型漏缆外导体上周期性地槽孔，可以看成小的行波天线，因此该漏缆辐射的电波也可以看成这些行波天线辐射电波的向量叠加。当漏缆接续时，如果槽孔的周期性被突然破坏，则外部电磁场由于相位不一致而造成电磁场的跌落。
  单一开槽辐射型漏缆的常规接续通常采用固定连接器的方法，即把要接续的两段漏缆的内、外导体进行可靠的连接，并使槽孔的节距保持不变，因而使得场强无跌落。
3、单一开槽辐射型漏缆的软电缆（调相电缆）连接
根据漏缆辐射电波的原理，为了使其辐射的电磁场相位一致，两电缆相邻槽孔的相位差的最佳值为：
φopt=mл+2лL *(1/λg–1 /P)
式中m－正整数（相邻槽孔平行选择偶数，反之为奇数），L－相邻漏缆第一个槽孔中心距离，λg－漏缆内工作频率对应的波长，P一漏缆外导体上开槽孔的节距。
为了使两漏缆相邻槽孔间达到最佳相位差，需要用软电缆（调相电缆）进行调整。设该软电缆内的波长为λs，长度为Lx，两相邻电缆第一个槽孔到电缆端头的距离分别为11和12，则两电缆相邻的槽孔的相位差ф为：ф＝（11+12）／λg*2л+ Lx/λs*2л
令以上两相位差公式相等，可得知：
Lx= λs (m/2-L/p)＋λs /λg *(（L-（11+12）)
从理论计算、工程设计以及现场施工得知最佳的调相电缆长度为2米左右。
4、渐变型辐射漏缆的软电缆（调相电缆）连接
    当隧道较长时，需采用不同开槽方式的漏缆进行连接，这样可补偿由于传输损耗造成的列车电台接收电平的降低，从而提高列车电台的接收电平，保持信号的稳定性。根据单一开槽辐射型漏缆接续的分析，可以得出渐变型辐射漏缆接续时的调相电缆的长度：
Lx=λs (m/2-1/p)+ λs /λg *(（kL-（11+12）)
校正系数k是频率和天线与电缆间的距离函数。需要通过对漏缆的实测而推出。