A leaky coaxial cable (LCX) is one of the important RF devices, which is widely used in various communication fields such as tunnel or railway communication, guided transportation systems, intruder detection, and mobile communication in large buildings, etc. In general, LCX plays two roles at the same time: One is a wave-guiding cable, which should be capable of transmitting wave through its entire length without too much attenuation, and the other is an antenna, which must be able to radiate or leak electromagnetic energy into the vicinity of cable maintaining stable signal level and low coupling loss. According to the aspect of radiation, LCXs are classified into two major groups; a coupled-mode LCX and a radiating-mode LCX. A radiating-mode LCX can radiate EM wave out of the cable, but a coupled-mode one leaks the energy into its vicinity. Therefore, with the radiating-mode cable, we can enlarge the coverage providing sufficient signal level to receivers.
To obtain better physical insight into LCXs and to provide more accurate and efficient cable design methods, we have widely investigated the prominent characteristics of LCXs. In chapter 2, the electrostatic problem of an axial slotted coaxial cable is considered. Through our analysis, the electrostatic potential distribution and the capacitance of this LCX are examined. In chapter 3, a wave propagation of the LCX with infi-nite axial slot is studied. Through solving the eigenvalue problem of the wavenumber matrix, we can derive accurate propagation constants of a monofilar- and a bifilar mode. In chapters 4 and 5, we scrutinize various characteristics of widely used radiating-mode LCXs. LCXs with the periodic slots are considered in chapter 4. We can derive accurate three dimensional full-wave solutions both inside and outside of the cables. Especially, we can successfully deal with LCXs with finite number of slots on their outer conductor, which is impossible for the existing other methods. Furthermore, coupling loss around the LCXs is readily obtainable, and we show that inspecting the far-field radiation pattern can reveal the whole properties of coupling loss in a near-field region. In chapter 5, to provide more flexible design ways of LCXs, we investigate the LCXs with aperiodic slots and analyze the effect of cables’ various design parameters to their distinctive features as an antenna and a cable, simultaneously.
For all of the analysis, we use the Fourier transform based mode-matching technique, which presents rigorous and numerically efficient solutions. To verify our approach, we use several commercial software tools and perform experiments, which show excellent agreement with our theory and assert that our approach is quite accurate and efficient. Consequently, we expect that our approach can practically be used in the design and manufacture of various LCXs.
누설 동축 케이블은 터널, 철도 통신으로부터 침입자 감지 및 대형 빌딩 내부에서의 통신에 이르기까지 여러 중요한 분야에서 널리 사용되고 있다. 일반적으로 누설 동축 케이블은 전송선과 안테나로써의 두 가지 역할을 동시에 수행한다. 케이블 내부에서 신호 전송에 따른 감쇄와 케이블 외부에서 결합손실(coupling loss)이 가능한 한 모두 낮도록 설계되어야 하는데, 이 두 가지 특성은 서로 상충하며, 공학적으로 적절한 타협점을 찾아 설계된다.
누설 동축 케이블의 물리적 특성에 대한 깊은 이해와 더욱 정확하며 효율적인 설계·해석 방법을 얻기 위해, 본 논문에서는 퓨리에 변환(또는 급수)에 기반한 모드 정합법을 응용하여 다양한 누설 동축 케이블의 특성들을 고찰하였다. 2장에서는 축 방향으로 긴 슬롯을 갖는 동축 케이블의 정전기(electrostatic) 문제를 라플라스 방정식을 이용하여 해석함으로써, 케이블의 규격과 전기적 특성들이 포텐셜의 분포 및 정전용량에 미치는 영향들을 분석하였다. 3장에서는 결합모드(coupled-mode) 구조에 대하여 살펴보았다. 미지의 전파 상수로 구성된 행렬의 고유치 문제 해석을 통해, monofilar 모드와 bifilar 모드로 구분되는 두 모드의 서로 다른 전파 양상을 해석하였다. 4장에서는 복사모드(radiating-mode) 구조로 분류되는 주기적으로 뚫린 유한 슬롯을 갖는 누설 동축 케이블 내부에서의 전파 특성과 외부에서의 복사 특성을 함께 살펴보았다. 특히 레지듀(residue) 계산과 SDP(steepest descent path) 적분을 통한 복사 패턴뿐만 아니라, sin 변환을 통한 근역장(near-field)에서의 결합 손실까지 효율적으로 계산함으로써 슬롯의 치수 및 배치 등이 케이블의 성능에 미치는 영향을 살펴보았다. 5장에서는 임의의 위치에 뚫린 유한 개의 슬롯을 갖는 케이블에 대한 해석 방법을 제시함으로써, 좀 더 현실적이며 융통성 있는 설계 방법을 제공하였다.
모드 정합법을 이용한 해석 결과가 CST MWS, Ansoft Maxwell과 같은 상용 해석 툴 및 실제 실험 결과와도 잘 부합함을 보임으로써, 본 논문의 해석방법이 정확하면서도 실용적임을 입증하였다. 이러한 특성은 실제 필드에서 누설 동축 케이블의 설계 및 제작에 있어서도 성공적으로 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
