一種適用于高鐵動(dòng)車(chē)組的新型車(chē)載四端口組合天線

刁文海

北京新府學(xué)外國(guó)語(yǔ)學(xué)校 北京 101399

引言

高速鐵路作為現(xiàn)階段我國(guó)重要的交通方式，具有顯著的優(yōu)勢(shì)，縮短了旅客的出行時(shí)間，產(chǎn)生了巨大的社會(huì)效益，促進(jìn)了鐵路沿線地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。電信運(yùn)營(yíng)商早已將高速鐵路的2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋作為建設(shè)的關(guān)鍵場(chǎng)景。隨著手機(jī)流量無(wú)限制套餐的普及和高鐵客流的快速增長(zhǎng)，對(duì)高鐵4G/5G移動(dòng)通信有巨大需求。經(jīng)過(guò)近幾年的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，高鐵網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量總體較好，基本能夠滿(mǎn)足客戶(hù)需求[1]。GSM-R（Global System for Mobile Communication）是一項(xiàng)用于鐵路通信及應(yīng)用的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，完成列車(chē)和調(diào)度中心的通信，該系統(tǒng)基于GSM和EIRENE-MORANE，當(dāng)車(chē)速高達(dá)500km/h時(shí)，也不會(huì)丟失任何通信。中國(guó)鐵路頻段的上行頻率為885～889MHz，下行頻率為930～934MHz[2]。本文主要從多天線組合和超寬頻帶兩個(gè)方面介紹新型高鐵動(dòng)車(chē)組車(chē)載天線。一方面通過(guò)將GSM移動(dòng)通信天線、GSM-R天線、GNSS（Global Navigation Satellite System）衛(wèi)星導(dǎo)航天線、WiFi天線統(tǒng)一集成在一套車(chē)載天線外罩內(nèi)，提高各天線之間的隔離度，減少彼此之間的相互影響。另一方面提升動(dòng)車(chē)組列車(chē)車(chē)載天線的工作帶寬，可涵蓋通信和導(dǎo)航全部工作頻段，提高系統(tǒng)的可靠性。移動(dòng)通信系統(tǒng)包括2G/3G/4G/5G的所有頻段和WiFi系統(tǒng)；導(dǎo)航天線將涵蓋目前GNSS四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的天線：GPS、北斗、GLONASS和伽利略導(dǎo)航天線。本文介紹一種可用于GSM-R頻段、5G-R頻段、公網(wǎng)頻段和GNSS頻段的新型車(chē)載四端口組合天線。

1 動(dòng)車(chē)組車(chē)載四端口組合天線

高鐵動(dòng)車(chē)組列車(chē)前端頂部和后端頂部可安裝3G、4G、5G、GPS、北斗及WiFi多頻段車(chē)載組合天線。對(duì)于高速行駛的動(dòng)車(chē)組，鐵路線附近的基站可能出現(xiàn)在車(chē)輛的前后左右，要求其車(chē)載天線具有較好的全向輻射特性，尤其要求天線在車(chē)頭和車(chē)尾方向有較強(qiáng)的輻射能力。

在相同的輸入功率條件下，車(chē)載天線在某方向(θ，φ)的輻射場(chǎng)強(qiáng)平方值與無(wú)方向性天線的輻射場(chǎng)強(qiáng)平方值的比值，稱(chēng)為該方向的方向性系數(shù)。即：

目前，新型外置車(chē)載天線可涵蓋GPS、GLONASS、BDS、GALILEO的四系統(tǒng)全頻段，且要求體積小巧、外觀精美、可靠性高等特性，可配合多種GPS、北斗接收機(jī)使用。下面介紹一種用于動(dòng)車(chē)組的新型車(chē)載四端口組合天線。

該新型車(chē)載四端口組合天線的尺寸為350mm×160mm×125mm，重量2.5kg；端口數(shù)為4個(gè)；端口對(duì)應(yīng)頻段分別為：端口1為GSM-R頻段，端口2為5G-R頻段，端口3為公網(wǎng)頻段，端口4為GNSS頻段；GSM-R頻段為：885～889MHz（上行），930～934MHz（下行）。公網(wǎng)頻段為：825～960MHz，1710～2170MHz，2300～2390MHz，2515～2675MHz，3400～3600MHz，4800～4900MHz；公網(wǎng)天線數(shù)量為2個(gè)。GNSS頻段包括GPS、GLONASS、BDS、GALILEO4個(gè)系統(tǒng)的全部工作頻段。天線結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

圖1 新型車(chē)載四端口組合天線

由于動(dòng)車(chē)組列車(chē)通信系統(tǒng)中的天線不僅需要覆蓋5G信號(hào)，也需要涵蓋已有的3G/4G系統(tǒng)各頻段，所以該車(chē)載四端口組合天線中的公網(wǎng)天線單元需要滿(mǎn)足寬頻帶要求，頻率范圍包括825～4900MHz的超寬頻帶。眾所周知，天線振子直徑越大，天線的帶寬就越寬。為實(shí)現(xiàn)超寬帶目標(biāo)，公網(wǎng)天線采用等效直徑很大的酒杯形狀寬帶單極子天線形式，它由輻射振子、抑波槽、饋電三個(gè)部分組成，其中抑波槽位于輻射振子底部，其作用為提高天線的適配性能，增強(qiáng)輻射。該天線帶寬寬，支持多模工作模式，增益較高、全向性較好。以安裝在動(dòng)車(chē)組車(chē)尾頂部的車(chē)載組合天線為例，其3D方向圖如圖2所示。在825～960MHz頻段，車(chē)尾公網(wǎng)天線的主要輻射方向集中在車(chē)尾和兩側(cè)方向，最大輻射方向車(chē)尾增益3.5dBi，兩側(cè)方向增益約為1.5dBi；在1710～2170MHz頻段，車(chē)尾公網(wǎng)天線的主要輻射方向集中在車(chē)尾和兩側(cè)方向，最大輻射方向車(chē)尾增益為6.3dBi，兩側(cè)方向增益約為4.5dBi；在2300～2390MHz頻段，車(chē)尾公網(wǎng)天線的主要輻射方向集中在車(chē)尾和兩側(cè)方向，最大輻射方向車(chē)尾增益為6.7dBi，兩側(cè)方向增益約為4.2dBi；在2515～2675MHz頻段，車(chē)尾公網(wǎng)天線的主要輻射方向集中仰角30°處一圈，最大輻射方向車(chē)尾增益為7.5dBi，兩側(cè)方向增益約為3.2dBi；在3400～3600MHz頻段，車(chē)尾公網(wǎng)天線的主要輻射方向集中仰角30°到仰角80°空域內(nèi)，最大輻射方向增益為6.8dBi，兩側(cè)方向增益約為2.0dBi，車(chē)頭和車(chē)尾方向增益為1.0dBi；在4800～4900MHz頻段，車(chē)尾公網(wǎng)天線的主要輻射方向集中列車(chē)兩側(cè)空域內(nèi)，最大輻射方向（兩側(cè)方向）增益為7.7dBi，車(chē)頭和車(chē)尾方向增益為0dBi。

圖2 公網(wǎng)天線3D方向圖

車(chē)載四端口組合天線中的GSM-R天線采用雙套筒偶極子天線形式，它由中心輻射振子、套筒振子、引向隔離振子和饋電四個(gè)部分組成。其中，位于中心輻射振子兩側(cè)的振子為套筒振子，其作用是對(duì)天線的輻射方向圖進(jìn)行賦形，增強(qiáng)天線輻射方向圖的全向性，典型頻率的3D方向圖如圖3所示。天線的主要輻射方向集中在車(chē)頭和車(chē)尾方向，并以車(chē)頭方向最大，最大方向增益值為3.9dBi，車(chē)尾方向增益為0dBi，兩側(cè)方向增益約為1.5dBi。

圖3 GSM-R天線3D方向圖（890MHz）

位于套筒振子外側(cè)的振子為引向隔離振子，它們位于兩副公網(wǎng)天線的中間位置，其作用是防止兩公網(wǎng)天線與GSM-R天線之間產(chǎn)生相互耦合，提高天線之間的隔離度。GSM-R天線端口與兩個(gè)公網(wǎng)天線端口之間全頻段隔離度大于15dB，就是說(shuō)：如果GSM-R天線發(fā)射功率為1W（30dBmW），則在公網(wǎng)天線端口接收到的功率約為15dBmW。對(duì)于825MHz ～960MHz頻段，兩公網(wǎng)天線之間的隔離度大于15dB；高于1000MHz頻段，兩公網(wǎng)天線之間的隔離度大于25dB。

GNSS天線尺寸比較小，對(duì)其他天線的影響可以忽略不計(jì)。出線槽位于公網(wǎng)天線和GSM-R天線之間，引出4個(gè)天線的接口電纜。

2 動(dòng)車(chē)組天線的天線罩

動(dòng)車(chē)組列車(chē)行駛速度很高，天線外形需要考慮其空氣動(dòng)力學(xué)特性，在滿(mǎn)足天線性能、整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和可靠性的前提下，天線整體外觀設(shè)計(jì)成流線型，前后左右對(duì)稱(chēng)，以保證天線前后面可有效降低風(fēng)阻。

由于聚碳酸酯具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好，絕緣性能好、耐熱性好的特點(diǎn)；鋁合金具有重量輕、耐腐蝕、導(dǎo)熱性好、導(dǎo)電性能高等優(yōu)點(diǎn)；天線罩材料選擇為聚碳酸酯，天線底板材料選擇為6061-T6鋁合金。6061-T6鋁合金的屈服強(qiáng)度為265MPa，聚碳酸酯的屈服強(qiáng)度為58MPa。

動(dòng)車(chē)組列車(chē)車(chē)載組合天線的防水設(shè)計(jì)及其重要，常用的防水設(shè)計(jì)為灌注密封膠、超聲波融合、二次啤塑、安裝O型密封圈等。由于O型密封圈具有裝拆方便，動(dòng)、靜密封均可用，其動(dòng)摩擦力小，價(jià)格較低，一般可采用O型密封圈的防水結(jié)構(gòu)，同時(shí)在天線底板上安裝透氣閥，避免天線罩內(nèi)部積水。對(duì)于高速行駛的動(dòng)車(chē)組，車(chē)載天線應(yīng)具有抗振動(dòng)沖擊和高可靠性。針對(duì)高鐵列車(chē)使用環(huán)境結(jié)構(gòu)上的薄弱環(huán)節(jié)，采用對(duì)插結(jié)構(gòu)、減震結(jié)構(gòu)來(lái)改善抗振動(dòng)沖擊性能，滿(mǎn)足車(chē)頂安裝環(huán)境的嚴(yán)苛要求。

天線罩用于保護(hù)天線在動(dòng)車(chē)組高速運(yùn)行時(shí)免受風(fēng)壓。設(shè)動(dòng)車(chē)組列車(chē)車(chē)載天線的載荷沖擊條件為500km/h（即140 m/s），天線罩結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力應(yīng)低于材料屈服強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)位移應(yīng)在可控范圍之內(nèi)。為了提高天線罩的抗風(fēng)能力，天線罩外形采用“鯊魚(yú)鰭”外形設(shè)計(jì)，厚度4mm，見(jiàn)圖4。為了提高天線的防水性，天線罩側(cè)面翻邊和天線底板固定，翻邊區(qū)域設(shè)計(jì)防水墊圈，固定孔位和底板之間也需要防水墊圈設(shè)計(jì)。

圖4 新型車(chē)載四端口組合天線的天線罩

仿真計(jì)算表明，該天線罩在規(guī)定風(fēng)載荷沖擊下，等效應(yīng)力為15.964Mpa，最大位移為0.50603mm，迎風(fēng)面最大壓力為0.010683Mpa。可見(jiàn)，天線罩結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力均低于材料屈服強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)位移較小，滿(mǎn)足動(dòng)車(chē)組列車(chē)高速行駛車(chē)頂環(huán)境使用要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

新型車(chē)載四端口組合天線包括兩副公網(wǎng)天線、1副GSM-R天線和GNSS天線，涵蓋GSM-R頻段、5G-R頻段、公網(wǎng)頻段和GNSS頻段。GSM-R天線除位于中心輻射振子兩側(cè)的套筒振子外，在兩套筒振子外側(cè)還設(shè)置了引向隔離振子，可提高兩公網(wǎng)天線之間的隔離度。該車(chē)載組合天線的天線罩外形采用“鯊魚(yú)鰭”外形設(shè)計(jì)，在載荷500km/h風(fēng)載荷沖擊條件下，天線罩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足動(dòng)車(chē)組列車(chē)高速行駛條件下車(chē)頂安裝環(huán)境使用要求。