城市軌道交通車地通信漏泄波導技術規范研究

辛 鑫，張 惠，張龍生

（1. 北京市地鐵運營有限公司技術創新研究院分公司，北京 100082；2. 地鐵運營安全保障技術北京市重點實驗室，北京 100082；3. 北京地鐵科技發展有限公司，北京 100160；4. 北京市地鐵運營有限公司通信信號分公司，北京 100082）

1 引言

城市軌道交通車地通信系統是信號系統、乘客信息系統（PIS）視頻直播、緊急消息下發以及車載閉路電視監視系統（CCTV）視頻上傳的關鍵環節，在車地通信中起到了至關重要的橋梁作用。車地通信系統的移動性能、抗干擾性和傳輸帶寬等性能指標直接影響整個系統的雙向傳輸效果。漏泄波導是一種能夠雙向傳播電磁波的空心矩形金屬體，其寬面（或窄面）留有縫隙，傳輸原理是通過縫隙實現漏泄波導內部電磁波的漏泄和外部電磁波的有效接收，是車地通信主要的傳輸介質之一，具有信號覆蓋均勻、衰減小、抗干擾能力強等優點，已被廣泛應用于城市軌道交通車地通信系統中，如上海地鐵16號線，長沙地鐵1號線，成都地鐵3號線，貴陽地鐵1號線，北京地鐵機場線、亦莊線、昌平線、房山線以及2號、7號、9號、14號線等。

國內外軌道交通領域對于漏泄波導已進行了大量的研究，上世紀40至50年代，Stevenson的縫隙輻射理論開辟了漏泄波導研究的先河，徐朝勇、王洪偉、朱力等人對漏泄波導的結構設計、輻射特性、測試以及在軌道交通中的應用進行了相關研究。當前關于漏泄波導的標準只是針對于非泄漏傳輸波導機械、電氣性能的描述與規定，對于漏泄波導的技術要求、工程應用要求等內容尚未進行系統的梳理與規范。本文結合漏泄波導應用環境，對適用范圍、技術要求、射頻特性檢驗方法、工程要求和運營維護要求進行了規范化研究，旨在為城市軌道交通車地通信漏泄波導建設、運營及維護提供規范化依據。

2 適用范圍

規范適用于城市軌道交通車地通信1.72～2.61 GHz的漏泄波導技術應用。關于適用頻率范圍，中國移動4G工作頻率范圍為2 320～2 370 MHz 、2 575～2 635 MHz ，中國聯通4G工作頻率范圍為1 955～1 980 MHz、2 145～2 170 MHz，中國電信4G工作頻率范圍為1 755～1 785 MHz、1 850～1 880 MHz，參考《空心金屬波導 第2部分：普通矩形波導有關規范》（GB 11450.2-1989）第2.1.1條，BJ18工作頻率范圍在1.45～2.20 GHz，BJ22工作頻率范圍在1.72 ～2.61 GHz，BJ26工作頻率范圍在2.17～3.30 GHz，采用BJ22矩形波導，故適用頻率范圍為1.72～2.61 GHz。

3 技術要求

3.1 外觀

漏泄波導表面應無形變、裂紋、機械損傷，涂鍍層應均勻，無脫落。表面應有明顯的型號等文字標記，以便于運維人員對漏泄波導進行維修記錄。

3.2 口徑

規范明確了漏泄波導的內截面尺寸，BJ22工作頻率范圍在1.72～2.61 GHz，內截面寬度為109.22 mm，高度為54.61 mm，寬和高的偏差為0.22 mm。

3.3 射頻特性

規范明確了漏泄波導在-30～70℃時的射頻特性。關于溫度范圍，參考《城市軌道交通工程基本術語標準》（GB/T 50833-2012）第6.3.19條，根據當地歷年一定年限范圍內的氣象資料，確定最低氣溫，最低氣溫為最低軌溫；第6.3.18條，根據當地歷年一定年限范圍內的氣象資料，確定最高氣溫，最高氣溫加20℃為最高軌溫。根據統計資料，北京市歷史最低氣溫為-27.4℃，歷史最高氣溫為41.9℃。為保證漏泄波導安全可靠，漏泄波導在環境溫度大于等于-30℃小于等于70℃時，射頻特性應滿足相關要求。本研究通過搭建測試環境，測試漏泄波導在-30 ℃～70 ℃時的電壓駐波比、衰減常數、耦合損耗，結果如表1所示。

表1 漏泄波導射頻特性

3.4 振動

考慮城市軌道交通車地通信漏泄波導應用環境，漏泄波導的振動試驗包括共振試驗、無共振振動耐久性能和有共振振動耐久性能。漏泄波導共振試驗的振動頻率范圍為10～500 Hz，振值為1g。無共振振動耐久試驗的振動頻率范圍為40 Hz，振值為2g，試驗時間為15 min，漏泄波導在承受振動過程中和承受振動后的射頻特性應符合表1的要求。有共振振動耐久試驗在最低頻率共振點，振幅為17.5 mm，試驗時間為38 min，漏泄波導在承受振動過程中和承受振動后射頻特性應符合表1的要求。

3.5 冰覆蓋

規范明確了漏泄波導保持原射頻特性不變所能承受的冰覆蓋厚度。通過搭建測試環境，當漏泄波導表面覆蓋小于等于5 mm厚度的冰時，漏泄波導能夠維持原有的射頻特性；當漏泄波導表面覆蓋的冰厚度大于5 mm時，漏泄波導性能降低。

3.6 外殼防護等級

規范明確了通過法蘭連接后的漏泄波導的外殼防護等級應符合《外殼防護等級（IP代碼）》（GB/T 4208-2017）中IP67等級的防護要求。結合城市軌道交通漏泄波導用于隧道、高架、地面、車輛基地等環境，漏泄波導應防塵防水。

3.7 熱脹冷縮

規范明確了漏泄波導在環境溫度每變化1 ℃時，每100 m的伸縮位移不應大于2.4 mm。漏泄波導理論伸縮位移量、長度與溫度之間的關系按照公式（1）計算。

式（1）中，ΔL為漏泄波導理論伸縮位移量，mm；L為漏泄波導長度，mm；α為線膨脹系數，取2.4×10-5/℃；Δt為溫度變化幅度，℃。

4 射頻特性檢驗方法

4.1 電壓駐波比檢驗方法

漏泄波導在型式檢驗、進場檢驗和工程驗收時電壓駐波比的檢驗方法如下：

（1）設置矢量網絡分析儀，將漏泄波導同軸轉換器（CWT）通過測試電纜連接至矢量網絡分析儀測試端口，并進行駐波校準；

（2）按照圖1對設備進行連接，漏泄波導的被測端口和CWT連接，漏泄波導之間用漏泄波導法蘭進行連接，漏泄波導另一端和匹配負載連接；

圖1 電壓駐波比檢驗示意圖

（3）進行電壓駐波比測試。

4.2 衰減常數檢驗方法

漏泄波導在型式檢驗、進場檢驗和工程驗收時衰減常數的檢驗方法如下。

（1）按照圖2對設備進行連接，在測試頻率范圍內依次設置信號源頻率，記錄各頻率對應的輸入功率Pin。

圖2 信號源輸入功率檢驗示意圖

（2）按照圖3對設備進行連接，漏泄波導的總長度L應不小于40 m，按照（1）中對應的頻率依次設置信號源，記錄各頻率對應的測量功率Pout。

圖3 衰減常數檢驗示意圖

（3）按照式（2）計算各頻率對應的漏泄波導衰減常數。

式（2）中，α為衰減常數，dB/m；Pin為輸入功率，dBm；Pout為輸出功率，dBm；L為漏泄波導長度，m。

4.3 耦合損耗檢驗方法

漏泄波導在型式檢驗、進場檢驗和工程驗收時耦合損耗的檢驗方法如下。

（1）按照圖2對設備進行連接，在測試頻率范圍內依次設置信號源頻率，記錄各頻率對應的輸入功率Pin。

（2）按照圖4對設備進行連接，漏泄波導的總長度L應不小于5 m，漏泄波導接收天線和漏泄波導的垂向距離為350 mm。測試時漏泄波導接收天線在漏泄波導正對方沿著漏泄波導的縱向方向移動，取樣區域位于漏泄波導的中間區域，即與CWT、匹配負載的縱向距離大于500 mm。按照（1）中對應的頻率依次設置信號源，記錄距離CWT的d處對應測試位置點的測量功率Pout。

圖4 耦合損耗檢驗示意圖

（3）計算接收概率至95%的耦合損耗時，在取樣區域內應選擇不少于10個測試位置點進行測量。當需要計算更高的接收概率時，在取樣區域內應選擇不少于20個測試位置點進行測量。

（4）按照式（3）計算各頻率對應各測試位置點的漏泄波導耦合損耗：

式（3）中，Lc（d）為距離CWT的d處耦合損耗，dB；Pin為輸入功率，dBm；Pout為距離CWT的d處測量功率，dBm；d為漏泄波導接收天線與CWT之間的縱向距離，m；α為衰減常數，dB/m。

5 工程要求

5.1 工程設計要求

漏泄波導工程安裝位置根據現場空間與環境的要求確定。實際應用中，安裝方式主要有2種：一種為道床處安裝，如北京地鐵機場線；一種為隧道上部安裝，如北京地鐵1號、2號線。條件允許時應優先考慮隧道上部安裝方式。漏泄波導安裝位置與接觸軌、接觸網之間的距離不宜小于1 m。為保證無線信號的穩定性，漏泄波導電磁波漏泄方向應與漏泄波導接收天線接收面相對應，兩者之間的垂直距離宜為250～400 mm，發生橫向偏移時兩者的中心線偏移量應小于200 mm。

漏泄波導工程設計要求主要包括道床處安裝要求、隧道上部安裝要求和無線小區末端覆蓋方式。

（1）道床處安裝。漏泄波導在道床處安裝時優先在鋼軌外側安裝，當鋼軌外側不滿足安裝條件時可在鋼軌內側安裝，安裝時漏泄波導法蘭頂部低于軌面20～60 mm。在軌道外側安裝時，漏泄波導和鋼軌之間的橫截面中心保持260～460 mm間距，兩相鄰漏泄波導區段的CWT之間的間隔宜控制在700～900 mm。遇到軌旁設備無法同側連續安裝漏泄波導的情況，可將漏泄波導安裝到鋼軌的另一側，兩相鄰漏泄波導區段的CWT之間的縱向距離宜為0～300 mm。在軌道內側安裝時，漏泄波導安裝位置宜選擇在鋼軌的中間區域，與鋼軌距離較近的漏泄波導和此鋼軌之間的橫截面中心應保持260～460 mm間距，兩相鄰漏泄波導區段的CWT之間的間隔宜控制在700～900 mm之間。遇到軌旁設備無法連續布置漏泄波導的情況，采用射頻電纜連接方式避開軌旁設備，兩端CWT之間的縱向距離應在900 mm以內。

（2）隧道上部安裝。漏泄波導在隧道上部安裝時，兩相鄰區段的CWT之間的間隔應為700～900 mm，漏泄波導與配件最高點應符合設備限界要求。

（3）無線小區末端覆蓋。車地通信系統采用不同制式的通信技術時，應根據該通信制式的無線小區切換機制選擇漏泄波導的末端覆蓋方式。漏泄波導末端覆蓋方式主要包括CWT和CWT射頻電纜連接方式、漏泄負載和漏泄負載組合方式、漏泄負載和匹配負載組合方式，覆蓋方式如圖5所示。

圖5 車地通信系統無線小區末端覆蓋方式圖

5.2 工程施工要求

漏泄波導工程施工主要包括支架安裝和漏泄波導連接。在安裝過程中應避免沒有防護罩的漏泄波導長時間暴露在空氣中。

（1）支架安裝。漏泄波導支架包括滑動支架和固定支架，支架宜采用預留、預埋、植筋等方式通過錨栓固定在道床處或隧道上部。滑動支架均勻布置，間隔宜保持3 m，固定支架布置在漏泄波導單區段中間區域，單區段內宜布置1個固定支架。

（2）漏泄波導連接。漏泄波導連接作業時，單區段的連接長度宜不大于400 m，連接漏泄波導的螺釘應具有防松裝置，連接漏泄波導的射頻電纜使用防護套管進行保護，使用線纜夾、線纜固定架進行固定，射頻電纜保留不小于1 m的伸縮余量。

5.3 工程驗收要求

漏泄波導工程驗收主要包括安裝驗收和射頻特性驗收。安裝驗收主要是對漏泄波導與配件的安裝位置和連接情況進行檢查。射頻特性驗收是對漏泄波導的電壓駐波比、衰減常數、耦合損耗進行抽樣檢查。

6 運營維護要求

根據城市軌道交通的運營維護經驗及設備維修規程，結合漏泄波導結構、性能和功能特點，按照不同部件的維護周期、維護內容、維護工具和方法進行細化分類，制定能夠切實有效指導運營維護人員進行維護操作的措施。漏泄波導的運營維護包括外觀、CWT、法蘭罩及扎帶、法蘭連接螺栓、滑動支架、固定支架、射頻電纜及信號強度檢測。

7 結論

本文基于漏泄波導在城市軌道交通車地通信系統中的應用情況，對城市軌道交通車地通信漏泄波導適用范圍、技術要求、射頻特性檢驗方法、工程要求和運營維護要求進行了規范化研究，編撰了適用于城市軌道交通車地通信漏泄波導的技術規范內容，豐富了我國城市軌道交通技術標準體系，為城市軌道交通車地通信漏泄波導建設、運營及維護提供了標準依據。