城市軌道交通車地通信漏泄波導(dǎo)技術(shù)規(guī)范研究

辛 鑫，張 惠，張龍生

（1. 北京市地鐵運(yùn)營有限公司技術(shù)創(chuàng)新研究院分公司，北京 100082；2. 地鐵運(yùn)營安全保障技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100082；3. 北京地鐵科技發(fā)展有限公司，北京 100160；4. 北京市地鐵運(yùn)營有限公司通信信號(hào)分公司，北京 100082）

1 引言

城市軌道交通車地通信系統(tǒng)是信號(hào)系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)（PIS）視頻直播、緊急消息下發(fā)以及車載閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)（CCTV）視頻上傳的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在車地通信中起到了至關(guān)重要的橋梁作用。車地通信系統(tǒng)的移動(dòng)性能、抗干擾性和傳輸帶寬等性能指標(biāo)直接影響整個(gè)系統(tǒng)的雙向傳輸效果。漏泄波導(dǎo)是一種能夠雙向傳播電磁波的空心矩形金屬體，其寬面（或窄面）留有縫隙，傳輸原理是通過縫隙實(shí)現(xiàn)漏泄波導(dǎo)內(nèi)部電磁波的漏泄和外部電磁波的有效接收，是車地通信主要的傳輸介質(zhì)之一，具有信號(hào)覆蓋均勻、衰減小、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于城市軌道交通車地通信系統(tǒng)中，如上海地鐵16號(hào)線，長沙地鐵1號(hào)線，成都地鐵3號(hào)線，貴陽地鐵1號(hào)線，北京地鐵機(jī)場線、亦莊線、昌平線、房山線以及2號(hào)、7號(hào)、9號(hào)、14號(hào)線等。

國內(nèi)外軌道交通領(lǐng)域?qū)τ诼┬共▽?dǎo)已進(jìn)行了大量的研究，上世紀(jì)40至50年代，Stevenson的縫隙輻射理論開辟了漏泄波導(dǎo)研究的先河，徐朝勇、王洪偉、朱力等人對(duì)漏泄波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、輻射特性、測試以及在軌道交通中的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)研究。當(dāng)前關(guān)于漏泄波導(dǎo)的標(biāo)準(zhǔn)只是針對(duì)于非泄漏傳輸波導(dǎo)機(jī)械、電氣性能的描述與規(guī)定，對(duì)于漏泄波導(dǎo)的技術(shù)要求、工程應(yīng)用要求等內(nèi)容尚未進(jìn)行系統(tǒng)的梳理與規(guī)范。本文結(jié)合漏泄波導(dǎo)應(yīng)用環(huán)境，對(duì)適用范圍、技術(shù)要求、射頻特性檢驗(yàn)方法、工程要求和運(yùn)營維護(hù)要求進(jìn)行了規(guī)范化研究，旨在為城市軌道交通車地通信漏泄波導(dǎo)建設(shè)、運(yùn)營及維護(hù)提供規(guī)范化依據(jù)。

2 適用范圍

規(guī)范適用于城市軌道交通車地通信1.72～2.61 GHz的漏泄波導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用。關(guān)于適用頻率范圍，中國移動(dòng)4G工作頻率范圍為2 320～2 370 MHz 、2 575～2 635 MHz ，中國聯(lián)通4G工作頻率范圍為1 955～1 980 MHz、2 145～2 170 MHz，中國電信4G工作頻率范圍為1 755～1 785 MHz、1 850～1 880 MHz，參考《空心金屬波導(dǎo) 第2部分：普通矩形波導(dǎo)有關(guān)規(guī)范》（GB 11450.2-1989）第2.1.1條，BJ18工作頻率范圍在1.45～2.20 GHz，BJ22工作頻率范圍在1.72 ～2.61 GHz，BJ26工作頻率范圍在2.17～3.30 GHz，采用BJ22矩形波導(dǎo)，故適用頻率范圍為1.72～2.61 GHz。

3 技術(shù)要求

3.1 外觀

漏泄波導(dǎo)表面應(yīng)無形變、裂紋、機(jī)械損傷，涂鍍層應(yīng)均勻，無脫落。表面應(yīng)有明顯的型號(hào)等文字標(biāo)記，以便于運(yùn)維人員對(duì)漏泄波導(dǎo)進(jìn)行維修記錄。

3.2 口徑

規(guī)范明確了漏泄波導(dǎo)的內(nèi)截面尺寸，BJ22工作頻率范圍在1.72～2.61 GHz，內(nèi)截面寬度為109.22 mm，高度為54.61 mm，寬和高的偏差為0.22 mm。

3.3 射頻特性

規(guī)范明確了漏泄波導(dǎo)在-30～70℃時(shí)的射頻特性。關(guān)于溫度范圍，參考《城市軌道交通工程基本術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50833-2012）第6.3.19條，根據(jù)當(dāng)?shù)貧v年一定年限范圍內(nèi)的氣象資料，確定最低氣溫，最低氣溫為最低軌溫；第6.3.18條，根據(jù)當(dāng)?shù)貧v年一定年限范圍內(nèi)的氣象資料，確定最高氣溫，最高氣溫加20℃為最高軌溫。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，北京市歷史最低氣溫為-27.4℃，歷史最高氣溫為41.9℃。為保證漏泄波導(dǎo)安全可靠，漏泄波導(dǎo)在環(huán)境溫度大于等于-30℃小于等于70℃時(shí)，射頻特性應(yīng)滿足相關(guān)要求。本研究通過搭建測試環(huán)境，測試漏泄波導(dǎo)在-30 ℃～70 ℃時(shí)的電壓駐波比、衰減常數(shù)、耦合損耗，結(jié)果如表1所示。

表1 漏泄波導(dǎo)射頻特性

3.4 振動(dòng)

考慮城市軌道交通車地通信漏泄波導(dǎo)應(yīng)用環(huán)境，漏泄波導(dǎo)的振動(dòng)試驗(yàn)包括共振試驗(yàn)、無共振振動(dòng)耐久性能和有共振振動(dòng)耐久性能。漏泄波導(dǎo)共振試驗(yàn)的振動(dòng)頻率范圍為10～500 Hz，振值為1g。無共振振動(dòng)耐久試驗(yàn)的振動(dòng)頻率范圍為40 Hz，振值為2g，試驗(yàn)時(shí)間為15 min，漏泄波導(dǎo)在承受振動(dòng)過程中和承受振動(dòng)后的射頻特性應(yīng)符合表1的要求。有共振振動(dòng)耐久試驗(yàn)在最低頻率共振點(diǎn)，振幅為17.5 mm，試驗(yàn)時(shí)間為38 min，漏泄波導(dǎo)在承受振動(dòng)過程中和承受振動(dòng)后射頻特性應(yīng)符合表1的要求。

3.5 冰覆蓋

規(guī)范明確了漏泄波導(dǎo)保持原射頻特性不變所能承受的冰覆蓋厚度。通過搭建測試環(huán)境，當(dāng)漏泄波導(dǎo)表面覆蓋小于等于5 mm厚度的冰時(shí)，漏泄波導(dǎo)能夠維持原有的射頻特性；當(dāng)漏泄波導(dǎo)表面覆蓋的冰厚度大于5 mm時(shí)，漏泄波導(dǎo)性能降低。

3.6 外殼防護(hù)等級(jí)

規(guī)范明確了通過法蘭連接后的漏泄波導(dǎo)的外殼防護(hù)等級(jí)應(yīng)符合《外殼防護(hù)等級(jí)（IP代碼）》（GB/T 4208-2017）中IP67等級(jí)的防護(hù)要求。結(jié)合城市軌道交通漏泄波導(dǎo)用于隧道、高架、地面、車輛基地等環(huán)境，漏泄波導(dǎo)應(yīng)防塵防水。

3.7 熱脹冷縮

規(guī)范明確了漏泄波導(dǎo)在環(huán)境溫度每變化1 ℃時(shí)，每100 m的伸縮位移不應(yīng)大于2.4 mm。漏泄波導(dǎo)理論伸縮位移量、長度與溫度之間的關(guān)系按照公式（1）計(jì)算。

式（1）中，ΔL為漏泄波導(dǎo)理論伸縮位移量，mm；L為漏泄波導(dǎo)長度，mm；α為線膨脹系數(shù)，取2.4×10-5/℃；Δt為溫度變化幅度，℃。

4 射頻特性檢驗(yàn)方法

4.1 電壓駐波比檢驗(yàn)方法

漏泄波導(dǎo)在型式檢驗(yàn)、進(jìn)場檢驗(yàn)和工程驗(yàn)收時(shí)電壓駐波比的檢驗(yàn)方法如下：

（1）設(shè)置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，將漏泄波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器（CWT）通過測試電纜連接至矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試端口，并進(jìn)行駐波校準(zhǔn)；

（2）按照?qǐng)D1對(duì)設(shè)備進(jìn)行連接，漏泄波導(dǎo)的被測端口和CWT連接，漏泄波導(dǎo)之間用漏泄波導(dǎo)法蘭進(jìn)行連接，漏泄波導(dǎo)另一端和匹配負(fù)載連接；

圖1 電壓駐波比檢驗(yàn)示意圖

（3）進(jìn)行電壓駐波比測試。

4.2 衰減常數(shù)檢驗(yàn)方法

漏泄波導(dǎo)在型式檢驗(yàn)、進(jìn)場檢驗(yàn)和工程驗(yàn)收時(shí)衰減常數(shù)的檢驗(yàn)方法如下。

（1）按照?qǐng)D2對(duì)設(shè)備進(jìn)行連接，在測試頻率范圍內(nèi)依次設(shè)置信號(hào)源頻率，記錄各頻率對(duì)應(yīng)的輸入功率Pin。

圖2 信號(hào)源輸入功率檢驗(yàn)示意圖

（2）按照?qǐng)D3對(duì)設(shè)備進(jìn)行連接，漏泄波導(dǎo)的總長度L應(yīng)不小于40 m，按照（1）中對(duì)應(yīng)的頻率依次設(shè)置信號(hào)源，記錄各頻率對(duì)應(yīng)的測量功率Pout。

圖3 衰減常數(shù)檢驗(yàn)示意圖

（3）按照式（2）計(jì)算各頻率對(duì)應(yīng)的漏泄波導(dǎo)衰減常數(shù)。

式（2）中，α為衰減常數(shù)，dB/m；Pin為輸入功率，dBm；Pout為輸出功率，dBm；L為漏泄波導(dǎo)長度，m。

4.3 耦合損耗檢驗(yàn)方法

漏泄波導(dǎo)在型式檢驗(yàn)、進(jìn)場檢驗(yàn)和工程驗(yàn)收時(shí)耦合損耗的檢驗(yàn)方法如下。

（1）按照?qǐng)D2對(duì)設(shè)備進(jìn)行連接，在測試頻率范圍內(nèi)依次設(shè)置信號(hào)源頻率，記錄各頻率對(duì)應(yīng)的輸入功率Pin。

（2）按照?qǐng)D4對(duì)設(shè)備進(jìn)行連接，漏泄波導(dǎo)的總長度L應(yīng)不小于5 m，漏泄波導(dǎo)接收天線和漏泄波導(dǎo)的垂向距離為350 mm。測試時(shí)漏泄波導(dǎo)接收天線在漏泄波導(dǎo)正對(duì)方沿著漏泄波導(dǎo)的縱向方向移動(dòng)，取樣區(qū)域位于漏泄波導(dǎo)的中間區(qū)域，即與CWT、匹配負(fù)載的縱向距離大于500 mm。按照（1）中對(duì)應(yīng)的頻率依次設(shè)置信號(hào)源，記錄距離CWT的d處對(duì)應(yīng)測試位置點(diǎn)的測量功率Pout。

圖4 耦合損耗檢驗(yàn)示意圖

（3）計(jì)算接收概率至95%的耦合損耗時(shí)，在取樣區(qū)域內(nèi)應(yīng)選擇不少于10個(gè)測試位置點(diǎn)進(jìn)行測量。當(dāng)需要計(jì)算更高的接收概率時(shí)，在取樣區(qū)域內(nèi)應(yīng)選擇不少于20個(gè)測試位置點(diǎn)進(jìn)行測量。

（4）按照式（3）計(jì)算各頻率對(duì)應(yīng)各測試位置點(diǎn)的漏泄波導(dǎo)耦合損耗：

式（3）中，Lc（d）為距離CWT的d處耦合損耗，dB；Pin為輸入功率，dBm；Pout為距離CWT的d處測量功率，dBm；d為漏泄波導(dǎo)接收天線與CWT之間的縱向距離，m；α為衰減常數(shù)，dB/m。

5 工程要求

5.1 工程設(shè)計(jì)要求

漏泄波導(dǎo)工程安裝位置根據(jù)現(xiàn)場空間與環(huán)境的要求確定。實(shí)際應(yīng)用中，安裝方式主要有2種：一種為道床處安裝，如北京地鐵機(jī)場線；一種為隧道上部安裝，如北京地鐵1號(hào)、2號(hào)線。條件允許時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮隧道上部安裝方式。漏泄波導(dǎo)安裝位置與接觸軌、接觸網(wǎng)之間的距離不宜小于1 m。為保證無線信號(hào)的穩(wěn)定性，漏泄波導(dǎo)電磁波漏泄方向應(yīng)與漏泄波導(dǎo)接收天線接收面相對(duì)應(yīng)，兩者之間的垂直距離宜為250～400 mm，發(fā)生橫向偏移時(shí)兩者的中心線偏移量應(yīng)小于200 mm。

漏泄波導(dǎo)工程設(shè)計(jì)要求主要包括道床處安裝要求、隧道上部安裝要求和無線小區(qū)末端覆蓋方式。

（1）道床處安裝。漏泄波導(dǎo)在道床處安裝時(shí)優(yōu)先在鋼軌外側(cè)安裝，當(dāng)鋼軌外側(cè)不滿足安裝條件時(shí)可在鋼軌內(nèi)側(cè)安裝，安裝時(shí)漏泄波導(dǎo)法蘭頂部低于軌面20～60 mm。在軌道外側(cè)安裝時(shí)，漏泄波導(dǎo)和鋼軌之間的橫截面中心保持260～460 mm間距，兩相鄰漏泄波導(dǎo)區(qū)段的CWT之間的間隔宜控制在700～900 mm。遇到軌旁設(shè)備無法同側(cè)連續(xù)安裝漏泄波導(dǎo)的情況，可將漏泄波導(dǎo)安裝到鋼軌的另一側(cè)，兩相鄰漏泄波導(dǎo)區(qū)段的CWT之間的縱向距離宜為0～300 mm。在軌道內(nèi)側(cè)安裝時(shí)，漏泄波導(dǎo)安裝位置宜選擇在鋼軌的中間區(qū)域，與鋼軌距離較近的漏泄波導(dǎo)和此鋼軌之間的橫截面中心應(yīng)保持260～460 mm間距，兩相鄰漏泄波導(dǎo)區(qū)段的CWT之間的間隔宜控制在700～900 mm之間。遇到軌旁設(shè)備無法連續(xù)布置漏泄波導(dǎo)的情況，采用射頻電纜連接方式避開軌旁設(shè)備，兩端CWT之間的縱向距離應(yīng)在900 mm以內(nèi)。

（2）隧道上部安裝。漏泄波導(dǎo)在隧道上部安裝時(shí)，兩相鄰區(qū)段的CWT之間的間隔應(yīng)為700～900 mm，漏泄波導(dǎo)與配件最高點(diǎn)應(yīng)符合設(shè)備限界要求。

（3）無線小區(qū)末端覆蓋。車地通信系統(tǒng)采用不同制式的通信技術(shù)時(shí)，應(yīng)根據(jù)該通信制式的無線小區(qū)切換機(jī)制選擇漏泄波導(dǎo)的末端覆蓋方式。漏泄波導(dǎo)末端覆蓋方式主要包括CWT和CWT射頻電纜連接方式、漏泄負(fù)載和漏泄負(fù)載組合方式、漏泄負(fù)載和匹配負(fù)載組合方式，覆蓋方式如圖5所示。

圖5 車地通信系統(tǒng)無線小區(qū)末端覆蓋方式圖

5.2 工程施工要求

漏泄波導(dǎo)工程施工主要包括支架安裝和漏泄波導(dǎo)連接。在安裝過程中應(yīng)避免沒有防護(hù)罩的漏泄波導(dǎo)長時(shí)間暴露在空氣中。

（1）支架安裝。漏泄波導(dǎo)支架包括滑動(dòng)支架和固定支架，支架宜采用預(yù)留、預(yù)埋、植筋等方式通過錨栓固定在道床處或隧道上部?；瑒?dòng)支架均勻布置，間隔宜保持3 m，固定支架布置在漏泄波導(dǎo)單區(qū)段中間區(qū)域，單區(qū)段內(nèi)宜布置1個(gè)固定支架。

（2）漏泄波導(dǎo)連接。漏泄波導(dǎo)連接作業(yè)時(shí)，單區(qū)段的連接長度宜不大于400 m，連接漏泄波導(dǎo)的螺釘應(yīng)具有防松裝置，連接漏泄波導(dǎo)的射頻電纜使用防護(hù)套管進(jìn)行保護(hù)，使用線纜夾、線纜固定架進(jìn)行固定，射頻電纜保留不小于1 m的伸縮余量。

5.3 工程驗(yàn)收要求

漏泄波導(dǎo)工程驗(yàn)收主要包括安裝驗(yàn)收和射頻特性驗(yàn)收。安裝驗(yàn)收主要是對(duì)漏泄波導(dǎo)與配件的安裝位置和連接情況進(jìn)行檢查。射頻特性驗(yàn)收是對(duì)漏泄波導(dǎo)的電壓駐波比、衰減常數(shù)、耦合損耗進(jìn)行抽樣檢查。

6 運(yùn)營維護(hù)要求

根據(jù)城市軌道交通的運(yùn)營維護(hù)經(jīng)驗(yàn)及設(shè)備維修規(guī)程，結(jié)合漏泄波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、性能和功能特點(diǎn)，按照不同部件的維護(hù)周期、維護(hù)內(nèi)容、維護(hù)工具和方法進(jìn)行細(xì)化分類，制定能夠切實(shí)有效指導(dǎo)運(yùn)營維護(hù)人員進(jìn)行維護(hù)操作的措施。漏泄波導(dǎo)的運(yùn)營維護(hù)包括外觀、CWT、法蘭罩及扎帶、法蘭連接螺栓、滑動(dòng)支架、固定支架、射頻電纜及信號(hào)強(qiáng)度檢測。

7 結(jié)論

本文基于漏泄波導(dǎo)在城市軌道交通車地通信系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，對(duì)城市軌道交通車地通信漏泄波導(dǎo)適用范圍、技術(shù)要求、射頻特性檢驗(yàn)方法、工程要求和運(yùn)營維護(hù)要求進(jìn)行了規(guī)范化研究，編撰了適用于城市軌道交通車地通信漏泄波導(dǎo)的技術(shù)規(guī)范內(nèi)容，豐富了我國城市軌道交通技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，為城市軌道交通車地通信漏泄波導(dǎo)建設(shè)、運(yùn)營及維護(hù)提供了標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。