用于室内安防的耦合型泄漏电缆辐射特性研究

王文勇，袁明辉，韩 臣

（上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093）

0 引言

泄漏同轴电缆（LCC）是同轴电缆的一种，其外导体上等间距开有泄漏槽孔［1］。电缆内传播的电磁波可由槽孔处泄漏出来。泄漏同轴电缆是一种将信号传输、发射及接收融为一体的低频传输线，具有同轴电缆和小孔衍射的双重功能［2-3］。本文提出把漏缆应用于物联网和智能家居的室内安防，以两根平行铺设的漏缆作为前端分布式传感器，利用漏缆的耦合特性探测电磁场干扰信号，从而实现检测入侵者的目的［4］。

市场上存在很多基于声、光、电、压力等物理原理的周界安防设备，这些系统有各自特点和适用范围，但也都存在着明显缺点，如受气候环境影响较大、误报漏报率高及缺乏精确定位能力等。与其他周界入侵系统相比，泄漏电缆技术具有误报漏报率低、定位精确、安装简便，适合复杂地形安装，可环绕任意形状的境界区域，立体式防护区域覆盖范围界线明显，可做到无死角防范，且报警门限可依据环境任意设置等特点，已成为最具发展前景的安防产品［5］。在泄漏电缆探测技术应用于入侵探测早期，大多用于室外周界入侵检测［6-8］，很少用于室内安防检测，因此将泄漏电缆应用于室内安防具有广阔的发展前景。

1 相关研究

目前泄漏同轴电缆在安防领域的应用主要集中在室外周界入侵探测，电子科技集团50 所和54 所进行过该方面研究，但在泄漏电缆的设计、调制方式、频率优选等方面与国外相比尚有明显不足，大多数产品和技术还存在定位精度不高、实用性不强等缺点［9-11］。武汉多普电子有限公司研发的DP-300 埋地式泄漏电缆入侵探测器采用微机自诊断、自调节技术，再加上入侵特征分析等智能算法的应用，使产品可适用于极端复杂的安装地形，但该探测系统无定位功能［12］。

国内学者针对定位算法也进行了大量理论研究，如何川侠等［13］采用脉冲测距结合IQ 正交解调技术得到矢量回波的最大模值，利用模值确定回波信号的时间延迟，获得入侵位置信息；朱妍静等［14］提出基于卷积神经网络的入侵检测算法，可使泄漏电缆电磁入侵检测系统具有更低的误报率与漏报率，以及更高的定位精度；于慧洁等［15］设计的泄漏电缆入侵探测系统定位精度可达5m，具有全隐藏安装、可准确定位入侵位置及误报漏报率低等优点。由于900MHz 蜂窝状移动通信及3G、4G 技术的需要，国内泄漏同轴电缆研究如今更多地关注于移动通信领域。国外也有较多关于漏缆辐射特性和入侵检测技术的相关论文发表，主要集中在如何设计超宽带泄漏同轴电缆以扩展单模传输频带方面［16-18］。

本文提出的通过埋墙的泄漏同轴电缆作为室内分布式传感器检测有无人体入侵，与传统应用于周界入侵检测的情形在很多方面有较大不同。周界入侵检测防护区域一般较大，正常情况下行人离埋地的泄漏同轴电缆较远，不会触发报警。将泄漏电缆应用于室内物联网和智能家居安防，当两套房屋或住宅相邻时，需要谨慎设计泄漏同轴电缆的辐射模式，否则隔壁房间或住宅的人靠近公共埋墙的泄漏同轴电缆就会误触发警报，不能起到真正的防盗报警作用。通常采用低频信号源（典型值为30MHz），且槽孔大小远小于信号波长，辐射微弱，电磁波有效作用距离只在漏缆附近1～2m 范围内，不会干扰室内无线电的空间秩序。在周界入侵检测的应用中，一般都避免成直角地埋藏泄漏同轴电缆，而在进行室内安防时，墙角拐弯处的防护角度大于270°。因此，本文设计出两种T、F 型槽孔的耦合型漏缆，外导体上的槽口交错排列，从槽口泄漏出的电磁波相互作用，电磁能量以前半圆较大、后半圆较小的方式扩散在电缆周围，应用于室内安防时可满足墙角拐弯处的防护要求，同时优化漏缆的开槽结构，以达到最佳的安防效果。采用的漏缆在槽口形状、大小和横竖排列方式上不同，可适用于不同应用场景［19］。

2 结构模型设计

泄漏同轴电缆结构与普通的同轴电缆基本一致，泄漏电缆为同轴设计，由内导体、绝缘介质（泡沫聚乙烯）、开着周期性槽孔的外导体和热塑性护套几部分组成［20］，如图1所示。内外导体由氯化聚乙烯（PEC）管组成，绝缘介质的相对电容率为1.39，介质衰耗因数为0.000 5。槽孔的大小、形状、周期和排列方式等会影响漏缆的辐射特性。其典型结构参数为：外导体外半径c=0.462 5cm，外导体内半径b=0.362 5cm，内导体半径a=0.083cm，缝长为0.8cm，缝宽为1.2cm，缝隙间距L=20cm，工作频率为30MHz（波长10m）。

Fig.1 Parameters of coupled leaky cable图1 耦合型漏缆参数

由于漏缆是周期性结构，由若干个如图2 所示的缝隙单元构成。以E 型槽孔为例，每个单元中央位置都在外导体上开有一定结构的缝隙。其中，漏缆周期为L，槽孔宽度为w，开槽角为δ。

Fig.2 Parameters of leaky unit图2 漏缆缝隙单元参数

3 泄漏电缆辐射场模型

在同轴电缆的外导体上等间距开了一系列相同尺寸结构的槽孔，由于槽孔间距L（典型值为20～30cm，也可根据应用需求采用其他值）远小于传输的电磁波波长，因此漏缆产生的电磁辐射可近似看作小孔衍射。根据小孔衍射原理，通过小孔辐射出去的电磁能量随着径向距离的增加而快速减小，小孔辐射出去的电磁波在垂直方向上为0级衍射，信号最强。在两边对称的角度上依次出现信号逐次递减的第2、3 衍射级，类似于主瓣和旁瓣结构，同一或相邻泄漏电缆上相邻槽的衍射波相互耦合，如图3 所示。其中，θ0是径向与法向量的夹角（θ0=0 时一致），θ是向量与法向量的夹角。

Fig.3 Radiation field model图3 辐射场模型

两根相邻漏缆通过小孔衍射出来的电磁波在漏缆周围耦合形成辐射场。点P 处的场强等于各邻槽辐射场强的叠加其中为点P 从相邻槽孔Qi辐射的场强（i=1…N）。考虑到小孔衍射的有限辐射距离，本文只计算两根漏缆上两个相邻槽孔之间的辐射。点P 从相邻槽孔Qi辐射的场强倾斜因子

4 仿真分析与实验

在室内应用中应优化两个关键性能参数，一个是前后瓣抑制比，另一个是前瓣辐射角，前瓣3dB 发散角θ3dB与全辐射角θ 如图4 所示。为了获得室内安防中不同应用场景所需的辐射场分布，外导体上设计出几种不同结构的槽孔（如水平和垂直放置的E-/H-/F-/T-/椭圆形）。

Fig.4 3dB divergence angle θ3dB and total radiation angle θ of anterior lobe图4 前瓣3dB 发散角θ3dB与全辐射角θ

4.1 双根LCC 辐射特性

横竖两种开槽方向的E/H/F/T/椭圆型槽孔辐射特性方向图如图5 所示。由图可以看出：①竖放E/F 型槽口的后瓣远小于前瓣，适用于对后瓣有严格要求的场景（如两个相邻房间的隔离墙或薄的外墙等）；②横放的F/T 型前瓣发散角θ 较大（>270°），没有后瓣，适用于探测角度大的场景（如柱形结构的外角安防）；③各种开槽均能满足前向探测角度为180°的要求，但是H 型/椭圆型槽口以及横放的E/T 型槽口后瓣较大，不适用于对后瓣有严格要求的场景。

Fig.5 Radiation characteristics of E/H/F/T/elliptic slotted holes in both vertical and horizontal directions图5 横竖两种开槽方向的E/H/F/T/椭圆型槽孔辐射特性方向图

为验证以上仿真得到的场分布和辐射方向图的正确性，可与文献［21］中相同参数仿真得到的方向图进行对比。图6 为本文采用仿真软件HFSS 与文献［21］中用FDTD分析法仿真得到漏缆不同槽孔间距的二维辐射方向图对比。从图中可以看出，两者方向图基本一致，因为仿真软件HFSS 采用FEM 算法可能导致图形并不是完全吻合，但图形反映出的一致性充分说明使用仿真软件HFSS 可避免繁琐的理论计算，能快速、准确地得出结论，从而在实际应用中发挥指导作用。

Fig.6 Comparison of the direction diagrams of plane E and plane H between literature［21］and this paper图6 本文与文献［21］E 面及H 面方向图对比

从横竖两种放置方向的E 型、H 型、F 型、T 型和椭圆型辐射方向图可以看出：竖放E 型前后瓣抑制比最大，横放F型辐射角最大，因此本文接下来将对这两种开槽结构进行优化计算。

4.2 参数优化分析

基于耦合型竖放E 型和横放F 型的两种几何结构槽孔漏缆模型，以前后瓣抑制比η 与前瓣3dB 发散角θ3dB为优化目标进行优化分析。图7 是开槽角δ 对辐射性能的影响，可以看出，当开槽角为125°时，前后瓣抑制比η 与前瓣3dB发散角θ3dB同时达到最大。

Fig.7 Effect of the slot angle δ on θ3dB、η and θ图7 开槽角δ 对θ3dB、η 与θ 的影响

图8 是槽孔间距L 对辐射性能的影响，可以看出，当L/λ=0.02 时，前后瓣抑制比η、前瓣3dB 发散角θ3dB与全辐射角θ 同时达到最大。

Fig.8 Effect of slot spacing L on θ3dB、η and θ图8 槽孔间距L 对θ3dB、η 与θ 的影响

图9 是两根耦合漏缆间距（即漏缆间距D 与漏缆开槽间隔L 的比值）对辐射性能的影响，可以看出，当D/L 的值为1.5 时，前后瓣抑制比η、前瓣3dB 发散角θ3dB与全辐射角θ 同时达到最大。

图10 是槽孔横向位移x 与漏缆开槽间隔L 的比值对辐射性能的影响，可以看出，当x/L 的值为0.15 时，前后瓣抑制比η、全辐射角θ 同时达到最大。

Fig.9 Effect of distance between two leaky cables D on θ3dB、η and θ图9 两根漏缆间距D 对θ3dB、η 与θ 的影响

Fig.10 Influence of the ratio of lateral displacement x to slotting interval L on θ3dB、η and θ图10 槽孔横向位移x 与漏缆开槽间隔L 的比值对θ3dB、η 及θ 的影响

以本文中计算的漏缆为例，采用波长为10 m 的30MHz低频探测信号，分析横放E 型和竖放F 型开槽角δ、槽孔间距L、漏缆间距D 及槽孔横向位移x 对辐射性能的影响，从而确定当槽孔宽为8cm，长为12cm，槽孔间距L 为20cm，两根漏缆间距D 为30cm，槽孔横向位移x 为3cm 时，漏缆的辐射性能（即前后瓣抑制比η、前瓣3dB 发散角θ3dB和全辐射角θ）达到最优。

5 结语

本文利用仿真软件HFSS 分析横竖两种放置方向的E型、H 型、F 型、T 型和椭圆型共5 种槽孔的辐射场分布，并分析槽孔参数（开槽角δ、槽孔间距L、相邻漏缆间距D 和横向位移x）对前后瓣抑制比及前瓣发散角的影响，得出E 型漏缆前后瓣抑制较小，可避免较薄墙体处走动引起的误触发；F 型漏缆全辐射角较大，可在墙角拐弯处形成全防护。本文研究结果对适用于不同室内安防场景的泄漏电缆设计提供了一定依据。计算结果表明，耦合型泄漏电缆可应用于室内安防入侵探测，由于室内环境的约束，信号处理系统与泄漏电缆相隔只有几米，泄漏出来的电磁波可能会对信号处理系统产生电磁干扰，接下来要深入研究泄漏电缆对信号处理系统的干扰，以及如何减小这种干扰。