450 MHz頻段動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

隨著移動視頻監(jiān)控、自動駕駛、列車狀態(tài)實時監(jiān)測、鐵路物聯(lián)網和旅客多媒體等新型鐵路業(yè)務的不斷出現(xiàn)，鐵路GSM-R系統(tǒng)面臨承載能力不足和產業(yè)鏈逐漸萎縮的問題，需要向鐵路下一代移動通信系統(tǒng)演進［1］。

目前動車組上安裝有多個車載設備，包括列控車載ATP、調度通信CIR、地震預警、列控設備狀態(tài)監(jiān)測（DMS）等。各設備間相互獨立，通過GSM-R車載終端連接車頂GSM-R天線，與地面設備進行車地通信。因此，在動車組第一節(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)間的雜散干擾會導致通信鏈路的可靠性降低，影響車載設備的正常工作［2］。現(xiàn)有動車組通過合理規(guī)劃GSM-R天線的間距，保證了足夠的天線隔離度，從而降低了車載設備間的干擾［3］。

我國規(guī)劃將450 MHz頻段用于陸地移動通信業(yè)務，目前尚未分配，可申請作為我國鐵路下一代移動通信系統(tǒng)頻段。但450 MHz頻段與900 MHz頻段GSM-R系統(tǒng)相比，電磁波的波長更長，在現(xiàn)有動車組天線布局方案下，天線之間的隔離度降低，可能導致車載設備間的干擾增大，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、距空調箱的距離等參數(shù)的不同而變化，導致出廠測試正常的天線安裝在動車組上后可能無法正常工作［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相比會發(fā)生較大變化；此外，其電壓駐波比V SWR也會發(fā)生變化，導致信號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

在仿真軟件中進行設置，將天線（圖1中紅色）放置于金屬平面上（圖1中灰色），通過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（受仿真誤差影響，個別仿真值存在一定的波動），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，得到仿真結果，見表3。可以看出，隨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，得到仿真結果，見表4。可以看出：①隨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，此外，旁瓣增益逐漸減小；②V SWR隨金屬平面尺寸的增加而基本呈現(xiàn)增大趨勢（受仿真誤差影響，個別仿真值存在一定的波動），當金屬平面尺寸≥（1.5×1.5）m2時，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)與金屬板尺寸的關系

1.2 金屬曲面的影響

在仿真軟件中進行設置，將天線（圖2中紅色）放置于金屬曲面上（圖2灰色），通過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景

在仿真軟件中改變金屬曲面的曲率半徑，得到仿真結果，見表5。可以看出，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系

1.3 金屬障礙物的影響

在仿真軟件中進行設置，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。仿真結果見圖4和表6。可以看出：①由于障礙物的影響，天線輻射方向圖不再對稱，靠近障礙物的一側，天線主瓣增益變小，遠離障礙物的一側，天線主瓣增益變大；天線旁瓣增益變小；②與無障礙物相比，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)與障礙物距離的關系

圖4 與障礙物不同距離時天線方向圖

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，得到仿真結果見圖5和表7。可以看出：隨著障礙物高度的增加，靠近障礙物的一側（圖中右側），天線輻射增益減小，遠離障礙物的一側（圖中左側），主瓣增益增加；主瓣方向增大，即實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。

表7 天線參數(shù)與金屬障礙物高度的關系

圖5 金屬障礙物不同高度時天線的方向圖

2 天線隔離度的理論分析

本節(jié)從理論上分析了2個車載通信終端互不干擾所需的天線隔離度。

假設系統(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。考慮動車組安裝的2個車載通信終端，其中終端1接收基站發(fā)射的下行信號，終端2向基站發(fā)送上行信號，終端2對終端1造成干擾，兩車載終端的干擾場景見圖6。為保證終端1正常工作，所需干擾隔離度的計算公式為

圖6 兩車載終端的干擾場景

式中：Pint為終端2的發(fā)射信號在終端1的接收頻段內的雜散干擾功率；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)射信號是非理想的。發(fā)射機頻譜見圖7，信號的主要能量集中在信號帶寬內，但在信號帶寬之外存在雜散干擾。雜散干擾包括帶內雜散和帶外雜散。帶內雜散是由于調制過程和發(fā)射機中器件的非線性特性而產生的無用發(fā)射功率。根據(jù)3GPP國際標準定義［8］，Band 31的帶內雜散功率限制見表8，其中頻率范圍是相對信號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，因此只考慮帶內雜散，而不關注帶外雜散區(qū)域。

圖7 發(fā)射機頻譜

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

表8 Band31帶內雜散功率限制

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

2）饋線損耗Ltx和Lrx。按照實際工程應用的經驗值，發(fā)射端和接收端的饋線損耗都設為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的信號功率R SR P和信干噪比S I N R有關。當終端1在小區(qū)邊緣時，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，計算Pmax。根據(jù)2018年京沈試驗結果［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值是指參考信號在一個資源粒子（RE）上的平均功率，而京沈試驗通信系統(tǒng)的帶寬為5 MHz，共有25個資源塊，每個資源塊有12個子載波，共有25×12=300個資源粒子。因此，需要根據(jù)R SR P值換算通信系統(tǒng)在5 MHz帶寬內的信號總功率。

在實際工程應用中，車載終端設備雜散指標通常優(yōu)于表8中的3GPP標準定義，因此理論值Pint大于等于實際雜散干擾功率。此外，在小區(qū)邊緣場景下，實際車載終端可能承受更大的干擾，因此，Pmax小于等于實際干擾值。因此，計算結果Piso=40.21 dB，大于等于實際所需的干擾隔離度。為確定準確的干擾隔離度，需在實驗室環(huán)境下進行雜散干擾的測試工作。

3 車頂天線干擾隔離度仿真和測試

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；仿照動車組車廂結構搭建試驗平臺，測試天線在車頂平面上的真實干擾隔離度［10］。

3.1 軟件仿真

在仿真軟件中進行設置，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，得到仿真結果見表10。可以看出，由于金屬平面對信號的反射以及對天線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 試驗臺測試

仿照動車組車廂的結構和尺寸搭建的測試平臺見圖9。利用信號發(fā)生器、頻譜儀、網絡分析儀等設備，測量天線在不同間距下的隔離度。

圖9 測試平臺

3.3 結果比較

將兩天線隔離度的仿真結果與測試結果進行比較，得到如圖10所示的結果。可以看出：①隨著天線間距的增加，天線間的隔離度不斷增大；②存在金屬平面時，相同距離的天線的隔離度小于自由空間模型的理論值，表明動車組車頂平面會使車載通信系統(tǒng)間的干擾增大；③單極子天線的仿真結果與理論值較好地吻合，驗證了仿真結果的合理性；④要達到30～40 dB的隔離度，且綜合考慮動車組車頂有限的空間尺寸，2個450 MHz頻段天線的合理間距為2.5～3.5 m。需要注意的是，該結果是結合理論計算獲得的，準確的干擾隔離度和天線間距取值需通過實驗室雜散干擾測試進一步確定。

圖10 天線隔離度與天線間距的關系

4 結束語

本文通過對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景下的性能仿真，為分析動車組車頂平面的天線性能提供指導。此外，通過天線間的隔離度的仿真和測試，為天線的布局提供借鑒。下一步需要測試車載通信系統(tǒng)之間避免雜散干擾所需的天線隔離度，以確定動車組車頂天線的準確間距。