防干擾電磁屏蔽墻系統(tǒng)在高速鐵路中的應(yīng)用研究

靳 遠(yuǎn)，孫萬鑫

0 引言

隨著高鐵、城際等電氣化鐵路的發(fā)展，高速鐵路基本連通了國內(nèi)所有的主要城市，方便了人們出行，同時也加劇了與民用設(shè)施電磁兼容的問題。近年來幾乎每條高速鐵路沿線均與地方或國家相關(guān)部門的無線設(shè)施存在電磁兼容問題。

本文以京張高鐵與北京地球站的電磁兼容問題為例，通過模擬測試明確電磁騷擾程度是否構(gòu)成電磁干擾，以及干擾影響范圍，結(jié)合受干擾對象以及干擾源相對位置關(guān)系，制定防護(hù)方案、設(shè)計電磁屏蔽墻，模擬測試電磁屏蔽墻的多方面特性，最終解決北京地球站電磁兼容問題。

1 高鐵電磁兼容問題解決方案概述

隨著社會發(fā)展，信息化等需求逐步加大，大部分城市的無線通信設(shè)施逐年增多，新建鐵路不可避免會遇到電磁兼容問題。解決電磁兼容問題的手段歸納有四方面：解決干擾源、對受影響對象進(jìn)行防護(hù)、阻斷干擾路徑以及搬遷（另選址還建）。

（1）解決干擾源問題。結(jié)合本次研究對象，鐵路產(chǎn)生電磁影響是個系統(tǒng)化問題，解決干擾源不現(xiàn)實。隨著我國高鐵技術(shù)的提高，牽引供電系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁影響也逐漸減小，但由于民用無線設(shè)施的數(shù)量和精度也逐步提高，依然會存在干擾問題。鐵路產(chǎn)生的電磁兼容問題是動態(tài)的，只可能是更改線路走向，但如此會導(dǎo)致投資、規(guī)劃等方面的巨大調(diào)整，往往無法實現(xiàn)。

（2）對受影響對象進(jìn)行防護(hù)。結(jié)合本次研究對象，北京地球站為我國衛(wèi)星地面站之一，衛(wèi)星地面站的發(fā)射功率可以從增大功率、改變天線直徑等方面進(jìn)行調(diào)整。由于衛(wèi)星距離太遠(yuǎn)接收衛(wèi)星信號極其微弱，故防護(hù)率要求較高，經(jīng)模擬檢測，衛(wèi)星接收的C頻段信號（3.7 GHz～4.2 GHz）多受鐵路電磁干擾。單獨(dú)增加接收天線直徑、加裝濾波器等方案無法完全解決電磁兼容問題。

（3）阻斷干擾路徑。由于本次研究對象為方向性強(qiáng)的高頻波段，在傳播路徑上設(shè)置阻隔傳播的屏蔽設(shè)施，理論上可以實現(xiàn)降低輻射強(qiáng)度的效果。故對途經(jīng)地球站區(qū)段的鐵路進(jìn)行屏蔽處理，解決電磁兼容問題。對于屏蔽范圍，需進(jìn)行模擬檢測明確受干擾程度，才能進(jìn)一步深入研究。

（4）搬遷（另選址還建）。北京地球站屬于國內(nèi)等級較高的衛(wèi)星地面站，規(guī)模較大，搬遷投入巨大，且在北京市郊另選址也很困難，不具備搬遷條件[1]。

綜上，本次研究思路初步為以阻斷干擾路徑為主，由于京張高鐵處于在建階段，故先選取類似標(biāo)準(zhǔn)的鐵路進(jìn)行模擬檢測，明確干擾程度，并進(jìn)一步研究防護(hù)方案。

2 模擬檢測及計算

2.1 模擬檢測

根據(jù)京張高鐵在地球站附近主體工程的建設(shè)方案、運(yùn)行時速以及線路走向，選取國內(nèi)同標(biāo)準(zhǔn)鐵路沿線電磁環(huán)境較為干凈的位置進(jìn)行模擬測試。經(jīng)踏勘，選取津保鐵路沿線某位置進(jìn)行模擬檢測[2]。

接收機(jī)輸入端接收1 MHz帶寬功率電平Preceiverin=Pantenna+Gmax= -103.56 dBmW。Pantenna為地球站天線口面的1 MHz帶寬內(nèi)接收功率；Gmax為地球站天線增益40.00 dBi；根據(jù)廣電總局地球站信息及國家級地球站要求，總局地球站系統(tǒng)C頻段最小接收天線直徑為3 m。

根據(jù)GB 13615—2009《地球站電磁環(huán)境保護(hù)要求》中“來自頻段為1 GHz～18 GHz的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療設(shè)備的輻射干擾，落入地球站輸入端的干擾信號電平比正常接收信號電平低30 dB?！眲t電氣化鐵路輻射1 MHz帶寬內(nèi)功率電平應(yīng)低于-133.56 dBmW，此為電氣化鐵路的干擾電平最大限值。距電氣化鐵路軌道中心22 m處落入地球站接收機(jī)輸入端干擾電平檢測值見表1。

表1 距鐵路軌道中心22 m處落入地球站接收機(jī)輸入端干擾電平

根據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)論，在衛(wèi)星C頻段，距鐵路22 m處列車通過時輻射電平值超出1 MHz帶寬內(nèi)功率要求，其中最大值為-111.0 dBmW/MHz，計算到接收機(jī)輸入前端為-71.0 dBmW/MHz，存在干擾問題。

2.2 干擾防護(hù)計算

北京地球站衛(wèi)星傳輸C頻段最低頻率3.7 GHz，波長λ為0.082 m，以10倍波長為遠(yuǎn)場界限即0.82 m，地球站天線與京張鐵路的距離均大于該遠(yuǎn)場界限值，因此，d距離限值僅考慮距離因素，距離因子計算式為

式中：Pl(22 m)為22 m距離功率電平值，dBmW/MHz；d為天線與接觸網(wǎng)距離，m；PL(d)為距離地球站天線d處功率電平值，dBmW/MHz。

北京地球站C頻段使用最小天線直徑D為3 m，天線直徑與波長之比D/λ＜100，天線接收干擾的旁瓣增益G(φ)計算式為

式中：φ為偏離天線主瓣波束中心軸的夾角，即地球站接收衛(wèi)星工作仰角方向時來自方位角方向、鐵路接觸網(wǎng)方向與衛(wèi)星方向的夾角；G(φ)為天線在被干擾方向的增益，dBi；Gmax為天線主瓣最大增益，dBi；D為天線直徑，m；λ為工作波長，m。

根據(jù)京張高鐵與地球站天線口面的相對位置（圖1），以及衛(wèi)星天線接收干擾的旁瓣因素計算，列車通過期間落入地球站接收機(jī)輸入端的電磁輻射電平：

圖1 北京地球站與京張高鐵的位置示意圖

式中：PL(d,φ)為來源于電氣化鐵路的電磁輻射落入地球站天線輸出端（即接收機(jī)輸入端）的功率電平，dBmW/MHz；干擾源進(jìn)入地球站天線的方向與地球站天線主軸方向夾角為φ。

在靜止衛(wèi)星軌道可用弧度內(nèi)的工作仰角與天際線仰角的夾角為5°時，基于津保鐵路測試結(jié)果中最大值計算京張高鐵電磁輻射落入地球站位置An和As的接收機(jī)輸入端電平值，其中An和As位置最大輻射方向為AnBn和AsCs。dn為An到京張高鐵的垂直距離114.67 m，ds為As到京張高鐵的距離156.93 m。地球站北/南天線位置處受京張城際輻射電平值及京張高鐵沿線各位置輻射落入地球站接收機(jī)輸入端的電平值如表2、表3所示。

表2 地球站北/南天線位置處受京張城際輻射電平值 dBmW/MHz

表3 京張高鐵沿線各位置輻射落入地球站接收機(jī)輸入端的電平值

經(jīng)計算可得，需要防護(hù)的鐵路總距離Cn′Cs′為155.64 + 320.82 = 476.46 m，其中需要防護(hù)18.72～30.67 dB的鐵路距離為167.66 - 5.71 =161.95 m。

3 電磁屏蔽方案設(shè)計

對鐵路電磁干擾的屏蔽方案有兩種，即全包圍屏蔽方案和半包圍方案。經(jīng)過理論計算，全包圍鋼結(jié)構(gòu)加屏蔽層造價較高，考慮經(jīng)濟(jì)性因素，再結(jié)合干擾頻段為高頻段，本次研究初步方案采用屏蔽墻方案，并實際搭建墻體進(jìn)行模擬測試，驗證效果。

3.1 電磁屏蔽墻體設(shè)計

由于本次采用距軌面7 m高的電磁屏蔽墻，置于鐵路排水溝外側(cè)距線路中心5 m處。結(jié)合鐵路運(yùn)行時速，需采取抗風(fēng)壓的減載結(jié)構(gòu)形式設(shè)計以增加抗疲勞性。墻體采用倒V字形通道以降低風(fēng)壓，材質(zhì)選取抗腐蝕性和抗電磁性較好的鎂鋁合金材質(zhì)[3]。屏蔽墻側(cè)視效果見圖2。結(jié)合測試結(jié)果，對于構(gòu)建內(nèi)可填充坡莫合金以加強(qiáng)抗干擾能力。

圖2 模塊式電磁屏蔽墻側(cè)視效果

屏蔽墻體設(shè)計的優(yōu)勢在于能夠有效泄放高速列車通過時產(chǎn)生的風(fēng)壓，降低抽拉力的產(chǎn)生，從而提高屏蔽墻體的生命周期。另外，墻體結(jié)構(gòu)設(shè)計特點(diǎn)是采用模塊化拼接方案，可有效提高施工效率，并且便于維護(hù)更換，模塊拼接方案標(biāo)準(zhǔn)化后，可以實現(xiàn)循環(huán)利用。

3.2 模擬測試

為了評估金屬屏蔽墻所造成的繞射損耗，2019年4月，由防護(hù)墻施工單位臨時搭建高6 m、長8 m的金屬屏蔽墻，用于進(jìn)行模擬測試。測試中將信號源的發(fā)射天線放置在距離屏蔽墻5 m、高5 m處，模擬屏蔽墻高于接觸網(wǎng)1 m高度時的情況；受現(xiàn)場環(huán)境限制，接收天線置于金屬屏蔽墻另一側(cè)，距離屏蔽墻7 m、高2 m（衛(wèi)星天線高度）處。通過多次測試，測得3.7、3.9、4.1 GHz 3個頻點(diǎn)的實際衰減在18.720～20.625 dB范圍，同繞射損耗理論計算值相差1.525～3.870 dB。受限于臨時搭建的墻體未完全密封，可以預(yù)見待正式防護(hù)墻使用后，屏蔽效果應(yīng)優(yōu)于本次測試結(jié)果。

根據(jù)《繞射傳播》（ITU-R P.526-14）建議書，當(dāng)傳播路徑上存在一個或多個障礙時，這些障礙將造成繞射損耗。通過理論計算可以得出，當(dāng)障礙物高出信號發(fā)射源1 m，且發(fā)射源和接收端距離障礙物分別為5 m（接觸網(wǎng)與屏蔽墻實際距離）和109.67 m（衛(wèi)星天線與屏蔽墻的最近距離）時，頻率為3.7～4.2 GHz的無線信號的繞射損耗為20.08～20.61 dB。

綜上，電磁屏蔽墻的防護(hù)效果無法滿足30.67 dB的防護(hù)要求，且采用全封閉屏蔽設(shè)施不具備經(jīng)濟(jì)性，故研究采取屏蔽墻+天線調(diào)整的綜合方案。

3.3 方案計算

3.3.1 調(diào)整衛(wèi)星天線與京張鐵路距離

經(jīng)計算，當(dāng)衛(wèi)星天線仍使用直徑3 m天線，其與京張鐵路的距離Dn= 267 m時，接收機(jī)輸入端接收電平為-113.73 dBmW，與干擾電平限值-133.56 dBmW相差19.83 dBmW；屏蔽墻繞射損耗19.96 dBmW；最終計算得到天線輸入端的干擾信號強(qiáng)度為-133.69 dBmW，低于限值，滿足防護(hù)要求。由于路徑損耗使用的是自由空間傳播損耗計算公式，實際環(huán)境的路徑損耗也將大于該數(shù)值。

3.3.2 調(diào)整衛(wèi)星天線尺寸、距離及高度

經(jīng)計算，當(dāng)衛(wèi)星天線使用直徑6 m天線時，天線增益為46 dB，計算接收機(jī)輸入端接收1 MHz帶寬功率電平為-97.56 dBmW，則落入地球站輸入端的干擾信號電平門限值為-127.56 dBmW。

當(dāng)衛(wèi)星天線使用6 m天線，天線高度不變（2 m），其與京張鐵路的距離Dn= 130 m時，接收機(jī)輸入端接收電平為-107.81 dBmW，與電平限值-133.56 dBmW相差19.75 dBmW；屏蔽墻繞射損耗20.03 dBmW；最終計算得到天線輸入端的干擾信號強(qiáng)度為-127.84 dBmW，低于限值，滿足防護(hù)要求。

當(dāng)衛(wèi)星天線使用直徑6 m天線，天線高度增加為3.5 m，距離Dn為114.67 m時，接收機(jī)輸入端接收電平為-107.88 dBmW，與電平限值-133.56 dBmW相差19.69 dBmW；屏蔽墻繞射損耗20.04 dBmW；最終計算得到天線輸入端的干擾信號強(qiáng)度為-127.92 dBmW，低于限值，滿足防護(hù)要求。

3.4 結(jié)論與建議

北京地球站既有直徑3 m和12 m兩種天線，其既有12 m直徑天線均在135.8 m以外，既有3 m直徑天線均在267 m以外，故京張鐵路不會對地球站既有兩種天線的臺站產(chǎn)生電磁干擾。鑒于地球站的擴(kuò)建規(guī)劃，建議如下：

在Dn小于267 m的范圍內(nèi)不建議采用3 m直徑天線。若采用6 m直徑天線，且天線高度為2 m時，Dn可縮短至130 m。若采用6 m直徑天線，且天線高度增加到3.5 m時，Dn縮短至114.67 m。若在距離鐵路更近位置建設(shè)臺站，則建議進(jìn)一步增大天線直徑，以及增高天線高度。

4 結(jié)語

隨著民用通信需求的不斷提高，城市無線設(shè)施會越來越多，如何以經(jīng)濟(jì)性為前提解決電磁兼容問題是項目設(shè)計研究部門考慮的首要問題。本文以京張高鐵為例，在工程中采用了電磁屏蔽墻體解決電磁兼容問題，檢測并獲得墻體的防護(hù)指標(biāo)，為解決同類問題提供了更為經(jīng)濟(jì)的解決方案。