鐵路多業(yè)務(wù)車載通信天線設(shè)計(jì)概述

摘 要 隨著鐵路技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，鐵路車載通信業(yè)務(wù)需求也越來(lái)越多。在機(jī)車頂部空間有限、天線安裝位置緊張的情況下，為保證車載既有業(yè)務(wù)設(shè)備及規(guī)劃業(yè)務(wù)設(shè)備的通信需求及各天線間的隔離度需求，需對(duì)機(jī)車天線進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃整合。本文將結(jié)合既有350Km動(dòng)車組機(jī)車天線安裝方案，根據(jù)車載既有業(yè)務(wù)設(shè)備及規(guī)劃業(yè)務(wù)設(shè)備的通信需求，提出天線整合方案，并通過(guò)仿真進(jìn)行隔離度驗(yàn)證，最后給出天線設(shè)計(jì)方案及仿真結(jié)果。

關(guān)鍵詞 車載通信;整合方案;隔離度;天線設(shè)計(jì)

引言

隨著鐵路技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，鐵路車載通信業(yè)務(wù)需求也越來(lái)越多。為解決業(yè)務(wù)需求與機(jī)車頂部空間有限、天線安裝位置緊張的矛盾，目前通常采用多頻段機(jī)車天線與多頻段合路器的組合方案，通過(guò)共用天線方式基本滿足了既有業(yè)務(wù)設(shè)備的正常通信。然而隨著LTE-R網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃建設(shè)，在進(jìn)行車載業(yè)務(wù)規(guī)劃的同時(shí)，必然需要增加新的天線。以350Km動(dòng)車組為例，既有設(shè)備所需天線數(shù)量為16個(gè)，規(guī)劃業(yè)務(wù)設(shè)備新增天線數(shù)量為8個(gè)，為滿足各天線間的隔離度要求，動(dòng)車組頂部只能提供8個(gè)天線的安裝位置。如此眾多的天線想在現(xiàn)有的天線型號(hào)、天線布局條件下實(shí)現(xiàn)天線應(yīng)用性能是幾乎不可能的。為保證車載既有業(yè)務(wù)設(shè)備及規(guī)劃業(yè)務(wù)設(shè)備的正常通信，我們對(duì)車載通信業(yè)務(wù)進(jìn)行了梳理，對(duì)機(jī)車天線進(jìn)行了整合、設(shè)計(jì)，并通過(guò)HFSS軟件對(duì)天線隔離度及主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了驗(yàn)證，達(dá)到了預(yù)期效果。

1天線整合方案

經(jīng)過(guò)梳理，350Km動(dòng)車組車載通信業(yè)務(wù)需求如表1所示（既有業(yè)務(wù)及規(guī)劃業(yè)務(wù)），共計(jì)需要24個(gè)天線。如果采用原有的共用天線方案進(jìn)行解決，必然會(huì)使用到大量的功分器。然而功分器的應(yīng)用必然會(huì)降低業(yè)務(wù)設(shè)備的接收功率，影響設(shè)備的正常通信。如果我們能夠按照天線頻段及業(yè)務(wù)類型進(jìn)行整合，對(duì)天線進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，既能最大限度地減少機(jī)車頂部天線安裝數(shù)量，又能滿足車載業(yè)務(wù)通信的需求，這必然會(huì)對(duì)今后的工程應(yīng)用起到極大的推動(dòng)作用。

1.1 天線整合方案

我們對(duì)表一中的通信業(yè)務(wù)類型按照通信頻段進(jìn)行組合，450MHz天線（450-470MHz）需要6個(gè)，800MHz天線（821-869MHz）需要1個(gè)，GSM-R天線（885-889MHz/930-934MHz）需要8個(gè)，衛(wèi)星定位天線需要6個(gè)，公網(wǎng)天線（GSM 900/1800/LTE頻段）需要2個(gè)，WLAN天線（2400-2483.5MHz）需要1個(gè)。進(jìn)一步研究后我們發(fā)現(xiàn)，450MHz天線和GSM-R天線、衛(wèi)星定位天線需求數(shù)量相近，且450MHz天線和GSM-R天線頻率基本成倍頻關(guān)系，這對(duì)天線設(shè)計(jì)是非常有利的，因此我們完全可以將450MHz天線、GSM-R天線、衛(wèi)星定位天線整合在一起。800MHz天線與WLAN天線頻率成3倍頻關(guān)系，也可以進(jìn)行組合應(yīng)用。公網(wǎng)天線一般需要與衛(wèi)星定位天線組合使用。因此我們定義了三種類型的機(jī)車天線，分別是DTX-V、DTX-VI、DTX-VII[1]，天線整合方案及所需天線數(shù)量見(jiàn)表2。

從表2可以看出，天線所需數(shù)量只需要6個(gè)，方案中也不需要使用合路器和功分器，簡(jiǎn)化了天線安裝的難度，為今后的工程應(yīng)用帶來(lái)了極大的便利。

根據(jù)天線整合方案及天線數(shù)量，我們對(duì)350Km動(dòng)車組車頂天線安裝位置進(jìn)行了優(yōu)化及布局，優(yōu)化方案如圖1、圖2所示。

我們通過(guò)HFSS仿真軟件對(duì)優(yōu)化方案的天線隔離度進(jìn)行了驗(yàn)證，限于篇幅，我們只能給出相應(yīng)的結(jié)論，仿真數(shù)據(jù)不在此羅列。通過(guò)仿真我們可以得出如下結(jié)論，優(yōu)化后的車頂天線布局，天線隔離度均大于30dB，能夠滿足工程應(yīng)用的需求。

1.2 天線設(shè)計(jì)

從表2我們可以看出，為了滿足車載通信業(yè)務(wù)需求，天線同一頻段均需要提供兩個(gè)端口，這就需要我們?cè)O(shè)計(jì)一款寬頻帶高增益天線[2-4]。通過(guò)研究后我們認(rèn)為，組合陣列天線完全能夠滿足車載通信業(yè)務(wù)的需求。圖3給出了DTX-V型天線陣列結(jié)構(gòu)示意圖及天線組合框圖，DTX-VI、DTX-VII型天線可以參考該方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

通過(guò)計(jì)算我們可以知道，DTX-V型天線在450MHz頻段增益為6.23dB（單端口），方向圖不圓度為1.1dB，在900MHz頻段天線增益為6.16dB（單端口），方向圖不圓度為1.5dB，基本達(dá)到了原有多頻段機(jī)車天線的技術(shù)要求[1]。

2結(jié)束語(yǔ)

從前面的分析我們知道，采用DTX-V、DTX-VI、DTX-VII型天線整合方案，通過(guò)優(yōu)化車頂天線布局，既能滿足車載既有業(yè)務(wù)設(shè)備及規(guī)劃業(yè)務(wù)設(shè)備的通信需求，又能滿足天線隔離度需求，最大限度減少了車頂天線的安裝數(shù)量。天線設(shè)計(jì)采用天線陣列設(shè)計(jì)方案，天線各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足原有多頻段機(jī)車天線的技術(shù)條件，希望本文能給今后的工程實(shí)踐帶來(lái)一定的指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 佚名.多頻段機(jī)車天線技術(shù)規(guī)范[ED/OL].https：//wenku.baidu.com/view/c8cc87cf83d049649a665822.html，2014-05-04.

[2] 周朝棟.天線與電波[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1994：57-59.

[3] 周朝棟，王元坤，周良明.線天線理論與工程[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1988：101.

[4] 周朝棟，楊恩耀.電小天線[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1990：12.

作者簡(jiǎn)介

周榮生（1971-），畢業(yè)院校：蘇州大學(xué)，專業(yè)：電子與通信工程專業(yè)，學(xué)歷：工程碩士，高級(jí)工程師，現(xiàn)就職單位：中國(guó)鐵路通信信號(hào)上海工程局集團(tuán)有限公司。