泄漏电缆与地铁覆盖应用

漏泄电缆,最初是为了解决地下隧道之类特殊环境内无线电波难以传输问题而发展起来的。

漏泄同轴电缆,是一种特殊的同轴电缆,与普通同轴电缆的区别在于:其外导体上开有用作辐射的周期性槽孔。普通同轴电缆的功能,是将射频能量从电缆的一端传输到电缆的另一端,并且希望有最大的横向屏蔽,使信号能量不能穿透电缆以避免传输过程中的损耗。但是,漏泄电缆的设计目的则是特意减小横向屏蔽,使得电磁能量可以部分地从电缆内穿透到电缆外。当然,电缆外的电磁能量也将感应到电缆内。

辐射型电缆和天线的差别就像是

长日光灯管...

…和传统电灯泡的差别。

1 漏泄同轴电缆构成

漏泄同轴电缆主要由内导体、绝缘介质、带槽孔外导体和电缆护套等构成。内导体采用光滑铜管或轧纹螺旋铜管,外导体采用簿铜皮,其上开制不同形式的槽孔纵包而成,槽孔形式多种多样,有八字形、U 字形、┙字形、一 字形、椭圆形等,而且槽孔的排列也不尽相同。

2 漏泄电缆工作原理

按漏泄原理的不同,漏泄电缆分为三种基本类型:耦合型、辐射型和漏泄型。其中,漏泄型可以归属辐射型。

2.1 耦合型漏缆

耦合型漏缆有许多不同的结构形式,例如,在外导体上开一长条形槽,或开一组间距远小于波长的小孔,或在漏缆两边开缝。

电磁场通过小孔衍射,激发漏缆外导体的外部电磁场。电流在外导体外表面流动,漏缆好像一条可移动的长天线,向外辐射电磁波。

与耦合模式对应的电流平行于漏缆轴线,电磁能量以同心圆的方式扩散在漏缆周围,并随传输距离的增加而迅速减少,因此这种形式的电磁波又叫“表面电磁波”。这种电磁波主要分布在漏缆周围,但也有少量随存在于附近障碍物和间断点(如吸收夹钳、墙壁处),进而产生衍射。

外导体轧纹且纹上铣小孔的电缆,是典型的耦合型漏缆。一般用于室内分布覆盖。

优点: 无抑制频带，具有全频性能。

缺点: 耦合损耗大。

2.2 辐射型漏缆

辐射型漏缆外导体上,按一定规律连续开制不同形式的槽孔,槽孔有八字形、 斜一字形、横一字形等,而电磁波就是这些槽孔产生的。

外导体上的槽孔间距d与波长λr (或半波长)有关,其槽孔结构使信号在槽孔处符合相位迭加原理。惟有精确的槽孔结构,并对应特定的工作频率,信号在槽孔处才能同相迭加。此时,耦合损耗最低,但频带很窄。高于或低于特定频率,耦合损耗都会增加。

辐射型漏缆的工作频段可由以下不等式确定:



辐射型漏缆泄漏的电磁能量有方向性,相同的泄漏能量可在辐射方向上相对集中,并且不会随距离的增加而迅速减小。

外导体上开着周期性变化的 L 字槽、八字槽,是典型的辐射型漏缆。

为使 TEM 型电磁波在传输过程中向外辐射一部分能量,必须在漏泄电缆外导体上开制槽孔,以便切断流过电缆外导体上的部分电流,从而产生向外辐射的激励。

开槽情况可有以下三种:

(1)与漏缆轴平行开槽

此槽为纵槽,槽孔不截断高频电流,不会形成裂缝电场,因此不会引起辐射效应。

(2)与漏缆轴正交开槽

此槽称为垂直槽或横槽,槽孔截断了高频电流,会在槽孔处形成与电流方向相同(垂直宽边)的电场E,因此会引起辐射效应。

(3)与漏缆轴向成一定角度开槽

此槽为斜槽,槽孔部分截断了高频电流,会在槽孔处形成电场,该电场 E 可以分解为与宽边平行的电场 E2 及与槽孔宽边垂直的电场 E1。电场 E1 与外导体 上高频电流方向有一个夹角θ 。E1 与是辐射电场,会引起辐射效应。

上图左边,说明了同轴电缆外导体上的高频电流和三种开槽情况。上图右边,说明了漏槽孔处形成的电场方向。

漏缆槽孔辐射电场的方向即极化方向,垂直于漏缆槽孔的宽边。因此,当横槽式漏缆水平安装时,则槽孔辐射为水平极化。

2.3 漏泄型漏缆

漏泄型漏缆外导体的开槽方式与辐射型类似,不同之处在于它的外导体由泄漏段和非泄漏段相间组成。

泄漏段相当于天线,只有一小部分能量转换为辐射能。非泄漏段相当于馈线,有着与普通同轴线相同的作用。合理选择泄漏段之间的距离(或非泄漏段的长度),可以达到对不同频段泄漏辐射的满意效果。试验证明,对特定方式的开槽,10~50米的泄漏段间距,可以满足 1000MHz 以下所有通信的需要。

3 传输损耗和耦合损耗

3.1 传输损耗

漏缆的纵向传输损耗,即传输损耗或传输衰减,是描述漏缆内部所传输电磁能量损失程度的重要指标。

下图以下行信号为例,表明了射频信号经漏缆传输的路由。信源产生的下行射频信号,一边向前传输,一边向外泄漏。

设漏缆的输入功率是Pin,输出功率是Pout,则漏缆传输损耗与漏缆长度有关,单位是 dB/100m,其计算公式为

3.2 耦合损耗

耦合损耗是描述漏泄电缆辐射量与可接收量的综合指标。

耦合损耗值的定义是:漏泄电缆内的信号与离开电缆特定距离(一般为2米) 处的半波长偶极天线所接收的信号之比(dB)。该损耗值是建立在天线距离漏缆为2米的前提下的,假定天线距离是6米而不是2米的话,所测得的耦合损耗会 增加约 5dB。

根据定义,耦合损耗与信号在漏缆中的传输距离无关,而且应由槽孔辐射损耗和空间传播损耗两部分构成。这是因为,槽孔泄漏出来的射频能量,并未被接 收天线所全部接收,其中大部分在空间传播中损耗掉了。接收天线离漏缆愈近, 接收的射频能量愈多。

根据工程测定值,耦合损耗 L0 的计算公式为:

显然,耦合损耗越小(泄漏越多)则传输衰减越大,但可以选择槽孔结构以使耦合能量尽量大,而使因漏泄附加的传输衰减尽量小。

4 泄漏电缆在地铁覆盖中的应用

4.1 地铁隧道结构特点

地铁隧道从结构上分为双洞单线和单洞双线两种基本形式。

双洞单线式隧道，列车的去行和回行区间各自采用单独的隧道，隧道宽度一般为4米，每个隧道洞内只铺设一条轨道。

单洞双线式隧道，列车的去行和回行区间共用同一条隧道，隧道宽度一般不超过9米，每个隧道洞内铺设两条轨道。

除运营线路之外，地铁隧道还包括维修线和折返线，该段线路的距离短、车速慢、话务需求低，可以采用板状天线进行覆盖。

地铁区间隧道是一类特殊的场景，与站厅、站台有很大的差异，其中以下几点会对无线信号引入系统实施产生影响：

1）隧道几乎为全封闭场景，隧道列车高速驶入隧道时，前方空气受到挤压会产生强风；

2）隧道顶部一般为高压电网，给列车提供牵引动力，严禁安装其他设备；

3）隧道两侧安装设备的空间有限，超出安装界限会影响行车安全；

4）无线信号在隧道内传播会产生隧道效应；

5）列车车体对无线信号的穿透损耗较大。地铁列车多为类似K型、D字型列车，车体损耗在15dB以上，但列车车窗玻璃的穿透损耗不超过7dB。

常见列车穿透损耗值

4.2 泄漏电缆的覆盖方案

地铁覆盖项目中，广泛采用在隧道壁敷设泄漏电缆，来完成区间隧道的覆盖。

漏缆覆盖示意图

隧道口设计参考

隧道内设计参考

辐射型漏缆因其方向性好、频率特性优、越抗干扰能力强、耦合损耗小等特点，非常适合在隧道覆盖场景应用。

由于地铁隧道环境复杂，在设计上会面临挑战。比如干扰问题，这包括运营商系统之间，乃至运营商公网与警用专网、地铁调度系统之间的信号干扰问题。

另外一个主要的问题是安装问题，这对覆盖影响也非常大。

比如，前期大连铁塔的地铁覆盖项目中，突破了传统地铁覆盖的设计规范和施工标准，将通信漏缆挂高从1.6米、2米优化调整为2.1米、2.6米,与车窗高度基本同高，大幅减小车体穿透损耗，使信号覆盖能力提升25%，值得借鉴。

5 泄漏电缆安装

5.1 卡具安装

卡具是固定漏缆的关键工具，在不同的区间，不同的环境使用合适的卡具，对漏缆的安装起到关键性作用。

漏缆离墙最低处与墙面、支架的距离对耦合损耗的影响很大，建议大于8厘米（8～15厘米），一般要求卡具底座大于8cm。

地下隧道区间打卡具的一般步骤：

画线：应注意水平，每1m做一个标记。

打孔：垂直于墙壁，孔深一般为5-6cm，一般用6号钻头打孔。

植入膨胀管安装卡具：膨胀管、膨胀螺丝与孔紧密接触，安装好的卡具应该稳固﹑美观，垂直高度水平间距一致。

地面高架区间的卡具直接用螺丝固定于钢铁架上面。

特殊地点的卡具处理

有时安装漏缆需要穿越一些障碍物，卡具应该有灵活的处理方法。

有时漏缆要穿过水管钢管等，此处无法将漏缆卡进卡具，所以水管1m之内不应该安装卡具。

有时漏缆需要跨越凹洞，不能直接转弯。此时需要用钢绞线和吊挂式卡具牵引过去，在转弯处使用两个普通卡具进行固定。

地面高架区间有的地方无法使用钢铁支架。此时需要重新用支架用钢绞线将漏缆引过去，钢绞线上应该使用吊挂式防火型卡具固定漏缆。

5.2 放缆

由于条件恶劣，通常是人工放缆。比较合理的放缆方法应该是反向放置，即：将缆的开始端放于区间开始端，反向将缆放于区间靠墙处，这样可节省人力，也可以防止轨道由于转弯或太长而带来的缆体晃动和缆体太长带来张力过大损坏漏缆，或者是由于人力不够带来缆体磨损。

如果多根电缆同时放置（民网﹑专网﹑公安消防），最好分别做上标记，以防发生混淆。

在漏缆头部应该朝下放置，并用绝缘胶带封好，防止隧道中水气进入漏缆，从而影响性能。

5.3 架缆

架缆的注意点:

漏缆外导体上有一系列的开孔，为得到最小耦合损耗和最小场强波动，尽量将漏缆的开孔方向朝着移动设备。

对外导体双面开槽的漏缆，应注意开孔方向不要正对墙面或天花板顶。

有些地方，如凹区、人防门、高架区间等无法使用普通卡具进行漏缆延伸的，建议采用钢绞线与吊挂式卡具。

每根缆应该根据设计图纸确定区间连接器安装点（一般根据漏缆纵向衰减计算），交叉放好，避免损坏。

架好的漏缆中间没有弯曲﹑下垂和突然性拐弯，笔直向前面延伸，开槽方向应垂直墙面向外。

5.4 连接器安装

连接器是漏缆与终端或与其他射频电缆连接的主要手段，连接器制作的好坏直接影响通信系统的各项性能。

7/8"射频连接器的安装

1/2"射频连接器的安装

漏缆连接器的安装

连接器的热塑处理

不同接口连接处的防水制作

5.5 接地卡的使用

弹簧型接地卡的安装

1) 为防止静电积累, 要进行漏缆两端接地。

2）对于整个系统，要规划好接地点必须前后是一致的，特别是铁路系统经常会有几种地电势，比如：铁轨，设备，水接地等。

5.6 直流隔断器的安装

直流隔断器是地铁通信系统中常用的一个附件，起到阻隔整个通路直流电流的作用。

直流隔断器安装的最佳位置为区间漏缆的中间。也可以安装在站台的跳线、射频电缆与漏缆连接处，但必须安装在两站台接地之间。

电缆回路中形成直流电流的原因有：

漏缆为两点接地，接地电压的不同可导致直流电流的产生。

列车动力供电回路的电流会产生变化，与漏缆回来产生感应电流，形成直流电流。

以上两种电流的存在，会对漏缆与设备回路（漏缆、漏缆连接器、设备接口等）造成损坏，减少其使用寿命。

安装直流隔断器可以有效阻隔直流电流，保护漏缆及设备。

随着地铁系统的完善，两点接地的电压差很小，列车动力供电回路的电压不大于1500V，而且变化不大，所以直流电流很小。

直流隔断器只是可用附件，而非必须使用附件。但是在高铁系统中，我们强烈建议使用。

目前大多数地铁隧道通信中，为了维护安装方便，一般将直流隔断器安装于与基站连接的跳线一段，另一端与合路器相连。

5.7 衰减器的安装

衰减器一般安装于隧道中间漏缆接头处。衰减器通常有两个作用：

在短隧道中，由于漏缆比较短，在用跳线等射频电缆连接处，信号电平仍然比较大，上下行基站的信号就会发生干扰。此时应该安装衰减器进行信号衰减，避免干扰。

利用衰减器形成的电平差进行隧道中间前后基站的信号切换。

5.8 其他附件

避雷器：安装于室内与室外接续处，如室外天线与室内通信设备连接处。

定向耦合器：常用于对规定流向信号进行分离，即取出一部分信号能量。一般安装于机房通信机柜中，或站厅站台通信回路中。

功分器：用于支路的功率分配。

5.9 漏缆与射频电缆连接

漏缆与其他射频电缆连接时，必须要注意射频电缆的弯曲半径问题。

连接时跳线需要做成“滴水弯”形状。这样的好处在于隧道中如果水气比较严重，积水会顺着跳线往下流出，而不是流进连接器。由于1米跳线的最小弯曲半径为55mm，所以左右两端的漏缆的连接器之间应该间隔合适的距离：太近，两根漏缆的信号会相互干扰；太远，跳线的弯曲半径又太小，容易损伤跳线；一般为40cm-50cm。

跳线除上面的弯曲形状，还可以做成反“Ω”形状。前者主要好处在于可以减少前后漏缆对跳线形成的张力，当开通测试时发现此处连接器没有接好，弯曲部分可以作为预留长度打开，防止跳线不够长。

但是在有些情况下，跳线做成反“Ω”形状会更合理，如站台爬架处漏缆与7/8"馈线的连接。

在地铁中，列车的速度快，隧道的空间小，列车经过时会形成很大的气流，所以在漏缆连接器等比较重的地方，必须有加固措施。

在隧道中一般用两个卡具对漏缆连接器处进行固定同根缆上的两个加固卡具之间一般间隔25cm。

在滴水弯处，上端交叉处用扎带扎紧，下端用固定螺丝固定于墙壁之上。

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