新型動車組5G MIMO組合天線研究

李鵬圖

一、研究的背景與意義

作為5G移動通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的主要場景之一，新一代的智能化軌道交通特別是新型動車組列車將充分利用5G移動通信網(wǎng)絡(luò)提供的大容量、高速度、低時延等通信技術(shù)優(yōu)勢，完成運(yùn)動中的車輛和外界的通信聯(lián)絡(luò)、精準(zhǔn)定位等功能，在這個過程中車載組合天線是必不可少的，它不僅要具備包括2G/3G/4G/5G移動通信系統(tǒng)和WIFI系統(tǒng)在內(nèi)的所有頻段的信號的收發(fā)能力、滿足5G的MIMO多天線配置應(yīng)用，還應(yīng)具備高精度導(dǎo)航定位能力，同時還要考慮作為車載設(shè)備的特殊要求如小型化、集成化、高可靠性的要求。未來新型動車組列車車載天線領(lǐng)域的主要發(fā)展趨勢可以歸納為以下幾個方面：

（1）多系統(tǒng)融合

未來車載通信設(shè)備一定是多種通信系統(tǒng)的融合，新型的動車組MIMO組合天線，通過將移動通信天線、GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航天線、WIFI天線統(tǒng)一集成在一套天線外罩里，使得原本復(fù)雜的分離式設(shè)計(jì)，進(jìn)階為一體式的組合結(jié)構(gòu)方式，且通過調(diào)整通信天線的物理結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步的提高了通信天線之間的隔離度，減少彼此之間的相互影響。

（2）全頻段覆蓋

不管是通信天線還是導(dǎo)航天線都希望能覆蓋全部的工作頻段，天線的寬帶化可以提升系統(tǒng)的兼容性，還可以提升系統(tǒng)的可靠性。移動通信系統(tǒng)將包括2G/3G/4G/5G所有系統(tǒng)的所有頻段和WIFI系統(tǒng);導(dǎo)航天線將涵蓋目前GNSS四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，即美國的GPS、我國北斗、俄羅斯的GLONASS和歐洲的伽利略導(dǎo)航系統(tǒng)，以提高定位精度和系統(tǒng)可靠性。

（3）支持5G移動通信系統(tǒng)的MIMO技術(shù)

隨著5G的快速部署，未來大帶寬大信息容量的通信系統(tǒng)，需要MIMO多天線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信號的多入多出，以成倍的提高信息傳遞容量和速度。

二、主要技術(shù)指標(biāo)

2.1 電氣性能指標(biāo)：

3.2 解決的關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 電氣性能設(shè)計(jì)：

（1）全頻段通信輻射單元技術(shù)：

天線單元的性能指標(biāo)對組合天線的總體性能指標(biāo)起著決定性作用，由于動車組列車通信系統(tǒng)中的天線不僅需要覆蓋5G信號，也需要涵蓋已有的2G/3G/4G系統(tǒng)各頻段，所以天線單元的設(shè)計(jì)需要滿足寬頻帶要求，即頻率范圍自700MHz直至6000MHz的超寬頻帶。為達(dá)到這一目標(biāo)，天線單元由傳統(tǒng)的單錐或雙錐設(shè)計(jì)升級為三錐設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)能有效地提高通信天線的隔離度指標(biāo)，從而提升整機(jī)的輻射效率，由于圓錐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的圓對稱性，天線的全向輻射不圓度指標(biāo)優(yōu)異，保證了各方向信號接收的能力。圖（3a）-圖（3e）為單元方向圖仿真結(jié)果。

移動通信系統(tǒng)天線單元：

（2）MIMO組合天線提高隔離度技術(shù)：

本方案采用最新的陣列組合技術(shù)，通過評估每一個單元的方向圖，優(yōu)化設(shè)計(jì)陣列布局，設(shè)計(jì)重點(diǎn)是保證5G單元之間的隔離度，通過在天線單元之間通過加入隔離器件可以進(jìn)一步提升隔離度，隔離度的提高對MIMO系統(tǒng)的信道容量影響是顯著的。

（3）導(dǎo)航天線低噪聲放大電路的抗干擾技術(shù)：

動車組天線工作環(huán)境中存在復(fù)雜的電磁干擾，根據(jù)指標(biāo)要求和對電路穩(wěn)定性考慮，采用先用電橋整合經(jīng)介質(zhì)濾波器抑制，再經(jīng)兩次的放大管放大，聲表濾波器抑制。最終使用穩(wěn)定系數(shù)較好的放大管進(jìn)行輸出。同時電源輸出上為了保證電路工作電壓穩(wěn)定及靜電保護(hù)，采用TVS管進(jìn)行靜電保護(hù)和穩(wěn)壓管進(jìn)行穩(wěn)壓設(shè)計(jì)。原理如下：

3.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）整體外形設(shè)計(jì)：

由于動車組列車行駛速度高，因?yàn)樘炀€外形設(shè)計(jì)上首先要考慮的是空氣動力特性，在滿足天線性能指標(biāo)、整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和可靠性的前提下，天線整體外觀盡可能設(shè)計(jì)成流線型，前后左右對稱設(shè)計(jì)，能夠保證天線前后面有效降低風(fēng)阻。

（2）結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)：

天線罩選用玻璃鋼材質(zhì)，玻璃鋼具有輕質(zhì)高強(qiáng)，耐腐蝕性能好，電性能好，熱性能良好，可設(shè)計(jì)性和工藝性好等優(yōu)點(diǎn);底板和陣子天線選用鋁合金材料，鋁合金具有比重小，耐腐蝕，導(dǎo)熱性好，導(dǎo)電性能高等優(yōu)點(diǎn);接頭選用黃銅材質(zhì)，黃銅具有較高的強(qiáng)度，塑性好，耐腐蝕，力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)。

（3）IP69K等級防水設(shè)計(jì)：

動車組列車的防水設(shè)計(jì)及其重要，產(chǎn)品所能達(dá)到的設(shè)計(jì)目標(biāo)是IP69K等級，常用的防水設(shè)計(jì)為灌注密封膠、超聲波融合、二次啤塑、啤鑲件和安裝裝O型密封圈。由于O型密封圈具有裝拆方便，動靜密封均可用、動摩擦力小，價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，在慎重權(quán)衡各密封設(shè)計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目采用了O型密封圈的防水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。同時在天線底板上安裝有透氣閥，透氣閥能避免產(chǎn)品戶外使用時產(chǎn)品內(nèi)部積水。如圖（4）所示：

（4）抗振動沖擊的高可靠性設(shè)計(jì)：

針對列車使用環(huán)境結(jié)構(gòu)上薄弱環(huán)節(jié)，采用對插結(jié)構(gòu)、減震結(jié)構(gòu)改善抗振動沖擊性能，并經(jīng)受車規(guī)級試驗(yàn)的嚴(yán)苛考驗(yàn)。

（作者單位：深圳市鼎耀科技有限公司）