鐵路多業務車載通信天線設計概述

摘 要 隨著鐵路技術突飛猛進的發展，鐵路車載通信業務需求也越來越多。在機車頂部空間有限、天線安裝位置緊張的情況下，為保證車載既有業務設備及規劃業務設備的通信需求及各天線間的隔離度需求，需對機車天線進行統一規劃整合。本文將結合既有350Km動車組機車天線安裝方案，根據車載既有業務設備及規劃業務設備的通信需求，提出天線整合方案，并通過仿真進行隔離度驗證，最后給出天線設計方案及仿真結果。

關鍵詞 車載通信;整合方案;隔離度;天線設計

引言

隨著鐵路技術突飛猛進的發展，鐵路車載通信業務需求也越來越多。為解決業務需求與機車頂部空間有限、天線安裝位置緊張的矛盾，目前通常采用多頻段機車天線與多頻段合路器的組合方案，通過共用天線方式基本滿足了既有業務設備的正常通信。然而隨著LTE-R網絡的規劃建設，在進行車載業務規劃的同時，必然需要增加新的天線。以350Km動車組為例，既有設備所需天線數量為16個，規劃業務設備新增天線數量為8個，為滿足各天線間的隔離度要求，動車組頂部只能提供8個天線的安裝位置。如此眾多的天線想在現有的天線型號、天線布局條件下實現天線應用性能是幾乎不可能的。為保證車載既有業務設備及規劃業務設備的正常通信，我們對車載通信業務進行了梳理，對機車天線進行了整合、設計，并通過HFSS軟件對天線隔離度及主要技術指標進行了驗證，達到了預期效果。

1天線整合方案

經過梳理，350Km動車組車載通信業務需求如表1所示（既有業務及規劃業務），共計需要24個天線。如果采用原有的共用天線方案進行解決，必然會使用到大量的功分器。然而功分器的應用必然會降低業務設備的接收功率，影響設備的正常通信。如果我們能夠按照天線頻段及業務類型進行整合，對天線進行重新設計，既能最大限度地減少機車頂部天線安裝數量，又能滿足車載業務通信的需求，這必然會對今后的工程應用起到極大的推動作用。

1.1 天線整合方案

我們對表一中的通信業務類型按照通信頻段進行組合，450MHz天線（450-470MHz）需要6個，800MHz天線（821-869MHz）需要1個，GSM-R天線（885-889MHz/930-934MHz）需要8個，衛星定位天線需要6個，公網天線（GSM 900/1800/LTE頻段）需要2個，WLAN天線（2400-2483.5MHz）需要1個。進一步研究后我們發現，450MHz天線和GSM-R天線、衛星定位天線需求數量相近，且450MHz天線和GSM-R天線頻率基本成倍頻關系，這對天線設計是非常有利的，因此我們完全可以將450MHz天線、GSM-R天線、衛星定位天線整合在一起。800MHz天線與WLAN天線頻率成3倍頻關系，也可以進行組合應用。公網天線一般需要與衛星定位天線組合使用。因此我們定義了三種類型的機車天線，分別是DTX-V、DTX-VI、DTX-VII[1]，天線整合方案及所需天線數量見表2。

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

根據天線整合方案及天線數量，我們對350Km動車組車頂天線安裝位置進行了優化及布局，優化方案如圖1、圖2所示。

我們通過HFSS仿真軟件對優化方案的天線隔離度進行了驗證，限于篇幅，我們只能給出相應的結論，仿真數據不在此羅列。通過仿真我們可以得出如下結論，優化后的車頂天線布局，天線隔離度均大于30dB，能夠滿足工程應用的需求。

1.2 天線設計

從表2我們可以看出，為了滿足車載通信業務需求，天線同一頻段均需要提供兩個端口，這就需要我們設計一款寬頻帶高增益天線[2-4]。通過研究后我們認為，組合陣列天線完全能夠滿足車載通信業務的需求。圖3給出了DTX-V型天線陣列結構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行設計。

通過計算我們可以知道，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，基本達到了原有多頻段機車天線的技術要求[1]。

2結束語

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，通過優化車頂天線布局，既能滿足車載既有業務設備及規劃業務設備的通信需求，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量。天線設計采用天線陣列設計方案，天線各項指標均能滿足原有多頻段機車天線的技術條件，希望本文能給今后的工程實踐帶來一定的指導作用。

參考文獻

[1] 佚名.多頻段機車天線技術規范[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：西安電子科技大學出版社，1990：12.

作者簡介

周榮生（1971-），畢業院校：蘇州大學，專業：電子與通信工程專業，學歷：工程碩士，高級工程師，現就職單位：中國鐵路通信信號上海工程局集團有限公司。