450 MHz頻段動(dòng)車車頂天線性能與干擾隔離研究

董根才，李 毅，竇埡錫，蔣志勇，藺 偉

隨著移動(dòng)視頻監(jiān)控、自動(dòng)駕駛、列車狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、鐵路物聯(lián)網(wǎng)和旅客多媒體等新型鐵路業(yè)務(wù)的不斷出現(xiàn)，鐵路GSM-R系統(tǒng)面臨承載能力不足和產(chǎn)業(yè)鏈逐漸萎縮的問(wèn)題，需要向鐵路下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)演進(jìn)［1］。

目前動(dòng)車組上安裝有多個(gè)車載設(shè)備，包括列控車載ATP、調(diào)度通信CIR、地震預(yù)警、列控設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)（DMS）等。各設(shè)備間相互獨(dú)立，通過(guò)GSM-R車載終端連接車頂GSM-R天線，與地面設(shè)備進(jìn)行車地通信。因此，在動(dòng)車組第一節(jié)車廂有限的車頂平面上安裝了多根GSM-R天線。天線間的耦合干擾和系統(tǒng)間的雜散干擾會(huì)導(dǎo)致通信鏈路的可靠性降低，影響車載設(shè)備的正常工作［2］?，F(xiàn)有動(dòng)車組通過(guò)合理規(guī)劃GSM-R天線的間距，保證了足夠的天線隔離度，從而降低了車載設(shè)備間的干擾［3］。

我國(guó)規(guī)劃將450 MHz頻段用于陸地移動(dòng)通信業(yè)務(wù)，目前尚未分配，可申請(qǐng)作為我國(guó)鐵路下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)頻段。但450 MHz頻段與900 MHz頻段GSM-R系統(tǒng)相比，電磁波的波長(zhǎng)更長(zhǎng)，在現(xiàn)有動(dòng)車組天線布局方案下，天線之間的隔離度降低，可能導(dǎo)致車載設(shè)備間的干擾增大，影響行車安全。此外，由于天線性能如輻射方向圖、電壓駐波比（VSWR）等隨著列車車頂金屬面的大小、彎曲度、距空調(diào)箱的距離等參數(shù)的不同而變化，導(dǎo)致出廠測(cè)試正常的天線安裝在動(dòng)車組上后可能無(wú)法正常工作［4］。因此，有必要研究450 MHz頻段車載天線的性能及天線間的合適距離。

1 單天線輻射性能研究

天線的輻射性能受周圍環(huán)境的影響很大。天線安裝到動(dòng)車組車頂后，由于受金屬平面反射等影響，其輻射方向圖與在自由空間或電波暗室內(nèi)相比會(huì)發(fā)生較大變化；此外，其電壓駐波比V SWR也會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致信號(hào)在天線端口處衰減增加，影響通信系統(tǒng)的可靠性［5］。

本節(jié)以簡(jiǎn)單的450 MHz偶極子天線為例（垂直方向的方向圖是“∞”型），分析其主瓣增益、主瓣方向、主瓣寬度、旁瓣增益和電壓駐波比V SWR參數(shù)在金屬平面、金屬曲面和金屬障礙物等不同場(chǎng)景下的變化。以上天線參數(shù)的含義見表1。

表1 天線參數(shù)的含義

1.1 金屬平面的影響

在仿真軟件中進(jìn)行設(shè)置，將天線（圖1中紅色）放置于金屬平面上（圖1中灰色），通過(guò)改變天線與金屬平面的距離、金屬平面的厚度和金屬平面的尺寸，分析天線參數(shù)的變化［6］。

圖1 天線放置于金屬平面上的仿真場(chǎng)景

1）與金屬平面的距離影響。在仿真軟件中改變天線與金屬平面的距離，得到仿真結(jié)果，見表2。可以看出，隨著天線與金屬平面距離的增加，天線方向圖的主瓣增益基本呈現(xiàn)減小趨勢(shì)（受仿真誤差影響，個(gè)別仿真值存在一定的波動(dòng)），旁瓣增益逐漸增大。表明天線輻射的方向性減小，全向性增加。

表2 天線參數(shù)與金屬平面距離的關(guān)系

2）金屬平面的厚度影響。在仿真軟件中改變金屬平面的厚度，得到仿真結(jié)果，見表3?？梢钥闯觯S著金屬平面厚度的增加，天線輻射模式的主瓣增益逐漸減小，主瓣寬度逐漸增加。此外，V SWR保持不變，表明天線輻射性能受金屬板厚度的影響較小。

表3 天線參數(shù)與金屬板厚度的關(guān)系

3）金屬平面的尺寸影響。在仿真軟件中改變金屬平面的尺寸，得到仿真結(jié)果，見表4?？梢钥闯觯孩匐S著金屬板尺寸的增加，主瓣增益逐漸增大，主瓣寬度逐漸減小，表明天線輻射性能的方向性增強(qiáng)，此外，旁瓣增益逐漸減??；②V SWR隨金屬平面尺寸的增加而基本呈現(xiàn)增大趨勢(shì)（受仿真誤差影響，個(gè)別仿真值存在一定的波動(dòng)），當(dāng)金屬平面尺寸≥（1.5×1.5）m2時(shí)，變化不再明顯，表明金屬平面改變了天線的輸入阻抗，使得阻抗不匹配的程度增加，信號(hào)能量在天線端口的衰減增大。

表4 天線參數(shù)與金屬板尺寸的關(guān)系

1.2 金屬曲面的影響

在仿真軟件中進(jìn)行設(shè)置，將天線（圖2中紅色）放置于金屬曲面上（圖2灰色），通過(guò)改變金屬曲面的彎曲程度，分析天線參數(shù)的變化。

圖2 金屬曲面上的天線仿真場(chǎng)景

在仿真軟件中改變金屬曲面的曲率半徑，得到仿真結(jié)果，見表5?？梢钥闯?，隨著金屬曲面彎曲程度的增加，主瓣增益逐漸減小，主瓣寬度逐漸增加，旁瓣增益逐漸變大，表明天線輻射方向性減小，全向性增加。

表5 天線參數(shù)與金屬板彎曲程度的關(guān)系

1.3 金屬障礙物的影響

在仿真軟件中進(jìn)行設(shè)置，將天線（圖3中紅色）放置于金屬平面上（圖3灰色），并且在天線附近放置金屬障礙物。通過(guò)改變金屬障礙物的參數(shù)，分析天線參數(shù)的變化［7］。

圖3 天線附近存在金屬障礙物的仿真場(chǎng)景

1）與障礙物的距離影響。在仿真軟件中改變天線與金屬障礙物的距離。仿真結(jié)果見圖4和表6?？梢钥闯觯孩儆捎谡系K物的影響，天線輻射方向圖不再對(duì)稱，靠近障礙物的一側(cè)，天線主瓣增益變小，遠(yuǎn)離障礙物的一側(cè)，天線主瓣增益變大；天線旁瓣增益變?。虎谂c無(wú)障礙物相比，障礙物的存在使得天線的VSWR增大，表明金屬障礙物改變了天線的輸入阻抗，使得阻抗不匹配，信號(hào)在天線端口的能量損耗增加。

表6 天線參數(shù)與障礙物距離的關(guān)系

圖4 與障礙物不同距離時(shí)天線方向圖

2）障礙物的高度影響。在仿真軟件中改變金屬障礙物的高度，得到仿真結(jié)果見圖5和表7?？梢钥闯觯弘S著障礙物高度的增加，靠近障礙物的一側(cè)（圖中右側(cè)），天線輻射增益減小，遠(yuǎn)離障礙物的一側(cè)（圖中左側(cè)），主瓣增益增加；主瓣方向增大，即實(shí)際工程中主瓣方向更加靠近車頂水平平面；主瓣寬度隨障礙物高度增加逐漸減小，表明天線輻射的方向性增強(qiáng)。

表7 天線參數(shù)與金屬障礙物高度的關(guān)系

圖5 金屬障礙物不同高度時(shí)天線的方向圖

2 天線隔離度的理論分析

本節(jié)從理論上分析了2個(gè)車載通信終端互不干擾所需的天線隔離度。

假設(shè)系統(tǒng)工作在Band31頻段，即下行頻率為462.5 M～467.5 MHz，上行頻率為452.5 M～457.5 MHz。考慮動(dòng)車組安裝的2個(gè)車載通信終端，其中終端1接收基站發(fā)射的下行信號(hào)，終端2向基站發(fā)送上行信號(hào)，終端2對(duì)終端1造成干擾，兩車載終端的干擾場(chǎng)景見圖6。為保證終端1正常工作，所需干擾隔離度的計(jì)算公式為

圖6 兩車載終端的干擾場(chǎng)景

式中：Pint為終端2的發(fā)射信號(hào)在終端1的接收頻段內(nèi)的雜散干擾功率；Ltx為終端2與天線2間的饋線損耗；Lrx為終端1與天線1間的饋線損耗；Pmax為終端1在正常工作的前提下，能承受的最大干擾功率。

1）雜散干擾Pint。車載終端的發(fā)射信號(hào)是非理想的。發(fā)射機(jī)頻譜見圖7，信號(hào)的主要能量集中在信號(hào)帶寬內(nèi)，但在信號(hào)帶寬之外存在雜散干擾。雜散干擾包括帶內(nèi)雜散和帶外雜散。帶內(nèi)雜散是由于調(diào)制過(guò)程和發(fā)射機(jī)中器件的非線性特性而產(chǎn)生的無(wú)用發(fā)射功率。根據(jù)3GPP國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)定義［8］，Band 31的帶內(nèi)雜散功率限制見表8，其中頻率范圍是相對(duì)信號(hào)帶寬邊緣的頻率而言的。由于Band 31的下行頻率與上行頻率相差5 M～10 MHz，因此只考慮帶內(nèi)雜散，而不關(guān)注帶外雜散區(qū)域。

圖7 發(fā)射機(jī)頻譜

根據(jù)表8，可以計(jì)算出車載終端2在頻段452.5 M～457.5 MHz發(fā)射信號(hào)時(shí)，落在車載終端1的接收頻段462.5 M～467.5 MHz內(nèi)的雜散功率

表8 Band31帶內(nèi)雜散功率限制

式中：P5～6為落在462.5 M～463.5 MHz頻段內(nèi)的雜散干擾功率；P6～10為落在463.5 M～467.5 MHz頻段內(nèi)的雜散干擾功率。

2）饋線損耗Ltx和Lrx。按照實(shí)際工程應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)值，發(fā)射端和接收端的饋線損耗都設(shè)為3 dB。

3）車載終端1能承受的最大干擾Pmax。Pmax的取值與終端1和基站的距離，即終端1的信號(hào)功率R SR P和信干噪比S I N R有關(guān)。當(dāng)終端1在小區(qū)邊緣時(shí)，RS RP和S INR最小，需要的干擾隔離度Piso最大。因此，以終端1位于小區(qū)邊緣為例，計(jì)算Pmax。根據(jù)2018年京沈試驗(yàn)結(jié)果［9］，小區(qū)邊緣的R SR P最小典型值為-95 dBm，SIN R的最小典型值為-12 dB。所以

式中：Ps為信號(hào)功率。

綜上所述，Piso=Pint-Ltx-Lrx-Pmax=(-12.02-3-3-(-58.23))=40.21 dB。

值得注意的是：通信系統(tǒng)的R SRP值是指參考信號(hào)在一個(gè)資源粒子（RE）上的平均功率，而京沈試驗(yàn)通信系統(tǒng)的帶寬為5 MHz，共有25個(gè)資源塊，每個(gè)資源塊有12個(gè)子載波，共有25×12=300個(gè)資源粒子。因此，需要根據(jù)R SR P值換算通信系統(tǒng)在5 MHz帶寬內(nèi)的信號(hào)總功率。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，車載終端設(shè)備雜散指標(biāo)通常優(yōu)于表8中的3GPP標(biāo)準(zhǔn)定義，因此理論值Pint大于等于實(shí)際雜散干擾功率。此外，在小區(qū)邊緣場(chǎng)景下，實(shí)際車載終端可能承受更大的干擾，因此，Pmax小于等于實(shí)際干擾值。因此，計(jì)算結(jié)果Piso=40.21 dB，大于等于實(shí)際所需的干擾隔離度。為確定準(zhǔn)確的干擾隔離度，需在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行雜散干擾的測(cè)試工作。

3 車頂天線干擾隔離度仿真和測(cè)試

在仿真軟件中分別以450 MHz單極子天線和偶極子天線為例，仿真金屬平面上的2根天線在不同間距情況下的隔離度；仿照動(dòng)車組車廂結(jié)構(gòu)搭建試驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)試天線在車頂平面上的真實(shí)干擾隔離度［10］。

3.1 軟件仿真

在仿真軟件中進(jìn)行設(shè)置，將2根天線（圖8中紅色）放置于金屬平面上（圖8灰色），通過(guò)改變2根天線的距離，仿真天線干擾隔離度的變化。金屬平面的尺寸設(shè)置為3360 mm×5000 mm。分別仿真偶極子天線和單極子天線2種情況，天線的物理參數(shù)見表9。

圖8 2根天線的隔離度仿真場(chǎng)景

表9 天線物理參數(shù)

在仿真軟件中改變天線的距離，得到仿真結(jié)果見表10?？梢钥闯觯捎诮饘倨矫鎸?duì)信號(hào)的反射以及對(duì)天線V SWR的影響，天線在相同距離下的隔離度小于自由空間模型下的理論值（無(wú)金屬平面等任何障礙物）。

表10 天線間隔離度隨距離的變化

3.2 試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試

仿照動(dòng)車組車廂的結(jié)構(gòu)和尺寸搭建的測(cè)試平臺(tái)見圖9。利用信號(hào)發(fā)生器、頻譜儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀等設(shè)備，測(cè)量天線在不同間距下的隔離度。

圖9 測(cè)試平臺(tái)

3.3 結(jié)果比較

將兩天線隔離度的仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，得到如圖10所示的結(jié)果?？梢钥闯觯孩匐S著天線間距的增加，天線間的隔離度不斷增大；②存在金屬平面時(shí)，相同距離的天線的隔離度小于自由空間模型的理論值，表明動(dòng)車組車頂平面會(huì)使車載通信系統(tǒng)間的干擾增大；③單極子天線的仿真結(jié)果與理論值較好地吻合，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的合理性；④要達(dá)到30～40 dB的隔離度，且綜合考慮動(dòng)車組車頂有限的空間尺寸，2個(gè)450 MHz頻段天線的合理間距為2.5～3.5 m。需要注意的是，該結(jié)果是結(jié)合理論計(jì)算獲得的，準(zhǔn)確的干擾隔離度和天線間距取值需通過(guò)實(shí)驗(yàn)室雜散干擾測(cè)試進(jìn)一步確定。

圖10 天線隔離度與天線間距的關(guān)系

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)450 MHz頻段車頂天線在金屬平面、金屬曲面和金屬障礙物等不同場(chǎng)景下的性能仿真，為分析動(dòng)車組車頂平面的天線性能提供指導(dǎo)。此外，通過(guò)天線間的隔離度的仿真和測(cè)試，為天線的布局提供借鑒。下一步需要測(cè)試車載通信系統(tǒng)之間避免雜散干擾所需的天線隔離度，以確定動(dòng)車組車頂天線的準(zhǔn)確間距。