裂缝波导管通信技术浅析-NB技术

什么是波导？波导（WAVEGUIDE），用来定向引导电磁波的结构。

在电磁学和通信工程中，波导这个词可以指在它的端点间传递电磁波的任何线性结构。

但最初和最常见的意思是指用来传输无线电波的空心金属管。

这种波导主要用作微波频率的传输线，在微波炉、雷达、通讯卫星和微波无线电链路设备中用来将微波发送器和接收机与它们的天线连接起来。

常见的波导结构主要有平行双导线、同轴线、平行平板波导、矩形波导、圆波导、微带线、平板介质光波导和光纤。

从引导电磁波的角度看，它们都可分为内部区域和外部区域，电磁波被限制在内部区域传播（要求在波导横截面内满足横向谐振原理）。

1893年J.J.汤姆森第一个提出波导的概念。

1894年O.J.洛奇第一个用实验证明了波导。

1897年罗德•瑞利第一个完成了在空心金属圆柱形波导中传播模式的数学分析。

(McLachan, 1947.)通常，波导专指各种形状的空心金属波导管和表面波波导，前者将被传输的电磁波完全限制在金属管内，又称封闭波导；后者将引导的电磁波约束在波导结构的周围，又称开波导。

介质波导采用固体介质杆而不是空心管。

光导纤维是在光频率工作下的介质波导。

微带、共面波导、带状线或同轴电缆等传输线也可以认为是波导。

在波导通信用于实践方面，与之配套的无线设备必须做专门的设计和配套，对于高带宽、高清视频、高可靠性波导管“三高”应用场合，最典型的就是iMAX-8000W系列波导管专用移动通信系统。

波导管的通信原理波导管用来传送超高频电磁波，通过它脉冲信号可以以极小的损耗被传送到目的地，是一种空心的、内壁十分光洁的金属导管或内敷金属的管子；波导管内径的大小因所传输信号的波长而异；多用于厘米波及毫米波的无线电通讯、雷达、导航等无线电领域。

目前常见的有矩形波导管，圆形波导管，半圆形波导管，ku 波导管，雷达波导管和光线波导管。

当无线电波频率提高到3000兆赫至 300吉赫的厘米波波段和毫米波波段时，同轴线的使用受到限制而采用金属波导管或其他导波装置。

波导管的优点是导体损耗和介质损耗小；功率容量大；没有辐射损耗；结构简单，易于制造。

波导管内的电磁场可由麦克斯韦方程组结合波导的边界条件求解，与普通传输线不同，波导管里不能传输 TEM模，电磁波在传播中存在严重的色散现象，色散现象说明电磁波的传播速度与频率有关。

表面波波导的特征是在边界外有电磁场存在，其传播模式为表面波。

在毫米波与亚毫米波波段，因金属波导管的尺寸太小而使损耗加大和制造困难。

这时使用表面波波导，除具有良好传输性外，主要优点是结构简单，制作容易，可具有集成电路需要的平面结构。

表面波波导的主要形式有：介质线、介质镜像线、H-波导和镜像凹波导。

金属管波导中的电磁波可以想象为沿Z字形路径在波导中行进，在波导的壁之间来回反射。

对于矩形波导的特殊情况，可以立足于这种观点的精确分析。

在介质波导中的传播也可以同样的方式看待，波被电介质表面的全内反射限制在电介质的内部。

一些结构，如无辐射介质波导和高保线，使用金属壁和电介质表面来限制波。

iMAX-8000W工作频率是5GHz全频段，频率特点决定了与其配套的波导管主要是金属管波导。

场分布满足波导横截面边界条件的一种可能的场分布称为波导的模式，不同的模式有不同的场结构，它们都满足波导横截面的边界条件，可以独立存在。

最常见的场分布是矩形分布和圆分布，以矩形场分布为例：矩形波导中可以存在无限多个 TMmn 模，波型指数m，n分别表示电磁场沿波导宽边a和窄边b 的驻波最大值的个数，m，n=1，2，… 最简单的是TM11模。

同样，还可以存在无限多个 TEmn模，m，n=0，1，2,…但不能同时为零。

矩形波导中的最低模式是TE10模，其截止波长最长λC=2a，因此，就有可能在波导中实现单模传输。

TE10模又称为矩形波导中的主模，是矩形波导中最重要的波型。

实际应用中矩形波导都工作在TE10模。

可见，波导管中能传输的最大波长取决于波导管的尺寸。

由于波导管的几何尺寸不能做的过大，所以波长在厘米波段，波导管的应用最广。

波导管的应用波导管可分为普通波导管和裂缝波导管两种。

普通波导管是一种空心的、内壁十分光洁的金属导管或内敷金属的管子，波导管用来传送超高频电磁波，常见横截面形状有矩形和圆形，通过它的脉冲信号可以以极小的损耗被传送到目的地。

波导管内径的大小因所传输信号的波长而异。

波导管在电路中呈现高通滤波器的特性：允许截止频率以上的信号通过，而截止频率以下的信号则被阻止或衰减。

在不同种类的波导管中，裂缝波导管应用最为广泛：由于铜价高昂，铝相对较便宜，且易于加工和运输，所以目前裂缝波导管的材料以铝合金为最多，与iMAX无线系统配合使用最多的是矩形铝合金波导管。

目前，波导管应用最多的是地铁的通信与控制系统。

与国家高速铁路信号系统车地无线信号双向传输采用 GSM-R 模式不同，在地铁信号中，多采用定向天线、漏滞电缆和裂缝波导管模式三种模式中，裂缝波导管模式因其传输频带宽、传输损耗小、可靠性高、抗干扰能力强得到较广泛应用。

随着我国城市化的发展，城市的人口逐渐增多、出行压力逐渐增大。

在这种情况下，地铁成为了人们日常出行非常重要的一种方式，并因此带动了很多城市地铁工程的建设。

在地铁无线通信技术不断应用、发展的情况下，波导管是非常重要的信号传输设备，需要我们通过对该设备的良好运用更好的实现地铁的高效、稳定运行。

在地铁运行中，信号系统可以说是保障地铁安全、稳定运行的重要保障，要在实际工程建设中能够充分联系实际，通过对波导管技术的良好应用，在保证数据传输具有良好效率、质量以及抗干扰能力的同时实现列车的安全运行。

在实际将其应用在无线数据传输任务时，不但具有着较高的可靠性以及较低的损耗，且能够具有着非常高的抗干扰性。

在实际应用中，可以通过在波导管设备附近安装无线接收器对其裂缝辐射信号进行接收，并在一定处理之后使其能够获得更为有效的数据信息。

一般情况下，在对波导管进行配套时具有着同轴电缆、漏隙波导管、双面法兰、无线接入设备以及末端负载等传输单元。

波导管在地铁信号系统中的应用工程技术样例在目前的地铁信号系统中，为了能够使系统具有更高的稳定性、使列车在行车过程中具有更为安全的特征，就需要对无线通信技术进行严格的把握、并提出更高的要求。

采用最先进并可靠的无线通信技术，并通过波导管的应用负责对系统无线信号进行传输，是信号的通信质量的基本保证。

波导信息网络用于确保列车和本地ATS(Automatic Train Supervision)——列车自动监控系统、控制中心之间的车地双向连续传输信息。

波导信息网络是由多个波导信息网通讯单元和车载的波导信息网移动站组成：波导信息网基站和轨旁ATP(AutomaticTrainProtection)／ATO(AutomaticTrainOperation)——列车自动防护／列车自动驾驶是有线连接，轨旁ATP／ATt之间通过光纤、尾纤、光配线架、光端机等形成区间链路。

为保证网络安全性，波导信息网基站和波导信息网移动站之间的无线网络不能采用开放式的IEEE802.11协议wifi标准，推荐采用iMAX无线系统独有的、更专业的、专网协议PowerX无线技术，该技术基于TDD（时分双工）的OFDM（正交频分复用）和MIMO，对信号的处理更高效。

1、波导管配置原则：根据工况情况的不同，在实际对波导管进行配置时，主要按照以下原则开展工作：1)、要保证无线频率具有更为全面的覆盖，在保证传输信号具有良好强度的同时获得更高的信号传输质量；2)、以科学、合理的方式对系统进行设计与规划，争取在使用最小数量接入设备的情况下完成系统配置需求，以此起到降低成本的作用；3)、在联系工程实际情况的基础上保证在每一个波导管区段位置，都能够具有一定的富余功率，并保证在实际运行当中避免频繁更换设备。

同时，在实际配置工作中，需要对该问题引起充分的注意：在同一个无线接入设备中，其接入波导管的最大数量为4段，需要保证其长度在500m左右，以此对信号的传输速率以及传输质量作出保障。

而如果根据实际工程需求需要对波导管长度进行增加，则需要根据实际长度做好检验工作，在保证其不会对数据传输产生影响后才能够正式配置。

因iMAX-8000W系统信号强与灵敏度高，在保证系统性能及带宽的条件下，与之配套的裂缝波导管可以按照每基站500米部署。

对于该种连接方式来说，非常适合应用在双线单隧道的情况下，可以说是非常实用、经济的一种连接方式。

而如果隧道类型为双线，则需要在充分联系实际情况的基础上对其进行连接，并对不同长度波导管的数量进行灵活的选择。

无论我们如何选择，都需要保证能够将数据传输质量放在第一位，避免单纯为了节约成本出现传输质量得不到保证的情况。

2、波导管安装注意事项在地铁工程中，可以根据施工现场环境情况对安装位置进行灵活的选择，不仅可以在隧道顶部安装，也可以在地面位置安装。

1）、隧道顶部：安装在隧道顶部时，一般都是利用膨胀螺栓，在顶部安装支架，将波导管放置在支架上。

在安装时，每一段波导管在靠近墙壁的一侧安装固定支架，每隔4m设置一个滑动支架，支架与法兰盘的距离要保持在200m以上，以此起到节约建设成本的作用。

每一段波导管之间，也要保持60到70厘米的间距，以节约原料。

在站台附近，要在波导管的末端安装相应的天线，使用同轴电缆连接。

2）、地面：同样是采用支架固定的方式，对波导管进行安装。

可以根据现场环境，设置可以自由调整高度的支架，确保其可以满足相应的技术要求。

在安装过程中，要每隔3m设置一个滑动支架，其余技术要求与顶部安装相同。

与波导管安装方式对应的是iMAX-8000W车载客户端系统的安装方式，即地铁车辆上无线设备WCS的安装方式，分别是车顶安装与车底安装，具体位置要根据接入业务的不同与管理方的要求进行调整。

同时，防水工作也是必须能够引起重视的一项工作，需要避免水流对设备产生影响，并保证波导管在安装中同列车无线天线能够具有恒定的距离。

一般来说，为了能够获得更好的数据传输效果，需要保证漏隙波导管和无线天线的距离在30到40厘米之间。

与iMAX-8000W配套的天线是专门定制化的平板天线或全向天线。

3、波导管与设备联调测试当对波导管设备安装完毕之后，则需要结合iMAX专用的波导通信系列产品——iMAX-8000W系列波导管专用移动通信系统对其做好调试，以此保证波导管在实际应用中能够具有更好的传输性能，保证对于无线信号的传输能够满足工作要求。

1）、传输测试：该项工作开展的目的，主要是验证目标波导管所具有的衰减量。

具体方式上，是在波导管中对一个强度、频率已知的连续信号进行接入，并在波导管终端位置同样安装测量仪器对其信号进行检测。

在该项测试开展过程中，则需要保证测试的完整性以及全面性，使其能够对所有波导管的区段良好覆盖。