列車設(shè)備近距離射頻干擾測試與應(yīng)用研究

陳 思，張 坤，劉慶彬

（1.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京；2.深圳市電聯(lián)通科技有限公司，廣東 深圳）

引言

在5G 通信和物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)爆發(fā)式應(yīng)用的場景下，移動式和固定式射頻發(fā)射機的分布也越來越密集，同時產(chǎn)生的射頻干擾問題也越來越多。2012 年，國際標(biāo)準(zhǔn)組織委員會(ISO)發(fā)布了《ISO 11452-9 道路車輛 電氣電子部件對窄帶輻射電磁能的抗擾性試驗方法 第9 部分 便攜式發(fā)射機模擬法》[1]，用于評估移動無線發(fā)射機對道路車輛干擾的性能測試，也是國際上第一部有關(guān)于便攜式射頻發(fā)射機干擾的測試標(biāo)準(zhǔn)。隨著無線通信的快速發(fā)展，在2019 年國際標(biāo)準(zhǔn)組織更新了ISO 1145-9,新增加3 GHz 以上的頻段，包含了5G WIFI、4G 和5G 通信的主要通信頻段。

2017 年，國際電工委員會(IEC)SC77B 通過了針對電氣和電子設(shè)備的近距離輻射抗擾度測試的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)：《IEC 61000-4-39:電磁兼容性（EMC）:第4-39 部分 測試和測量技術(shù) 近距離輻射場抗擾度試驗》，對于常規(guī)電氣電子設(shè)備的射頻抗干擾測試有了指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn)文件。

2021 年美國電子和電氣工程師協(xié)會（IEEE）開始研究移動射頻干擾對于軌道交通通信和電子設(shè)備的干擾，同年起草了IEEE P2965 標(biāo)準(zhǔn)第1 版本的測試方法技術(shù)文件和技術(shù)研究報告。至2023 年4 月已經(jīng)完成第4 版本的更新，不斷的優(yōu)化測試方法的準(zhǔn)確性和可執(zhí)行性方案，確保列車的質(zhì)量和性能符合設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

1 列車近距離射頻干擾

列車的射頻干擾來源主要有三個方面，一是車輛內(nèi)部的電子設(shè)備，例如電源系統(tǒng)，逆變系統(tǒng)，控制系統(tǒng)等；二是雷電和列車弓網(wǎng)高速運行時產(chǎn)生的干擾，由于列車高速運行及線路的不平順，弓網(wǎng)觸點的位置也會產(chǎn)生射頻干擾；三是周圍的無線通信設(shè)備，例如對講機、手機、無線網(wǎng)卡、玩具遙控器等無線射頻發(fā)生器[2]。其中來源一的干擾源位置是比較固定，干擾問題在設(shè)備聯(lián)調(diào)時就可以發(fā)現(xiàn)，且具備整改優(yōu)化的條件；來源二來自自然界和高速運動，隨機不可控制，但是雷擊和接觸網(wǎng)的沖擊也可以通過數(shù)據(jù)模型實現(xiàn)模擬，也可以在實驗室進行測試；來源三的射頻干擾功率不大，但是頻率范圍廣泛，而且隨機性高，干擾源的類型繁多，可控性差。各個電子組件可以在實驗室進行驗證，但是整車各個系統(tǒng)間也會相互干擾，只能在整車總裝調(diào)試后進行測試驗證。

列車的這些射頻干擾源，從電磁波傳播原理上可以分為近場干擾和遠場干擾，近場是指在發(fā)射源附近，電場和磁場波動效應(yīng)比較復(fù)雜，傳播方向也非直線傳播；遠場是指電磁波的輻射效應(yīng)明顯，遵從磁場或者電場傳播規(guī)律，主要以直線傳播。

以偶極子天線為例，遠場可以定義為距離大于λ/(2π)[3]的區(qū)域，其中λ 是波長，單位m。近場為距離發(fā)射源小于λ/（2π）的區(qū)域。例如GSM 900 上行通信頻段為890 MHz 至915 MHz，如果通信頻率是900 MHz，那么近場和遠場的分界距離代入公式計算為：

距離發(fā)射源53 mm 以上為遠場干擾，距離發(fā)射源53 mm 以內(nèi)為近場干擾。GSM 900 的終端發(fā)射機最大功率為33 dBm，根據(jù)功率與場強的公式推導(dǎo)：

式中：P 是功率，單位W；E 是場強，單位V/m，r 是半徑，單位是m。

可以計算出在900 MHz，距離發(fā)射源50 mm 距離的理論場強154.9 V/m。

目前的軌道交通測試標(biāo)準(zhǔn)GBT 24338.5：2018[4]中對于射頻干擾的測試方法，是采用基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17626.3:2016 的均勻域測試法，該方法能夠模擬固定式發(fā)射機產(chǎn)生的場強，用于檢驗設(shè)備進入場強范圍內(nèi)時的抗擾能力，適用于尺寸較小的設(shè)備或者列車零部件，其測試等級和數(shù)字信號模擬都與現(xiàn)在的數(shù)字通信有較大的差異。

2 測試方法

新標(biāo)準(zhǔn)基于移動發(fā)射機的實際發(fā)射功率和通信調(diào)制方式不同，根據(jù)頻段常用通信調(diào)試方式定義為測試的調(diào)制方式，依據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大發(fā)射功率，定義為最大測試等級，測試更接近于實際設(shè)備運行情況。另外標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種測試方法，可以根據(jù)被測設(shè)備的實際情況進行調(diào)整。

方法1：主要應(yīng)用于小型設(shè)備或者列車的零部件，表面相對規(guī)則的被測樣品。操作方法如下：

（1） 選擇被測設(shè)備的敏感面，放置發(fā)射天線距離被測樣品表面5 cm。

（2） 調(diào)整發(fā)射設(shè)備輸出功率到該頻點的測試功率，然后打開對應(yīng)的調(diào)制方式，產(chǎn)生干擾信號，記錄被測設(shè)備的工作狀態(tài)。

在生成網(wǎng)絡(luò)G中，首先需要對文本描述t進行編碼，在這里，使用了Word-CNN-LSTM模型來對文本做編碼。文本編碼后經(jīng)過一個全連接層壓縮到一個較小的維度（128維），然后使用Leaky-Relu激活，并與輸入圖像x進行拼接。最后再將其輸入到正常的反卷積層進行圖像生成。

（3） 緩慢移動發(fā)射天線，觀察記錄被測樣品的工作狀態(tài)，直到覆蓋被測設(shè)備表面需要測試的全部點位。

（4） 更換測試頻率，重復(fù)步驟（2）和步驟（3），直至測試完所有規(guī)定頻率。

（5） 更換被測設(shè)備表面，重復(fù)步驟（2）、步驟（3）和步驟（4），直至完成所有需要測試的點位。

（6） 依據(jù)記錄樣品工作狀況，輸出測試結(jié)果報告。

宮格掃頻測試法見圖1。

圖1 宮格掃頻測試法

方法2：主要應(yīng)用于大型的固定式設(shè)備和整車試驗，具體操作如下：

（1） 在被測設(shè)備上劃定射頻敏感區(qū)域，然后把敏感區(qū)域按天線覆蓋范圍規(guī)劃測試點位（敏感區(qū)域天線尺寸可以全覆蓋則規(guī)劃一個點位即可）。

（2） 布置發(fā)射天線到敏感區(qū)域的一個測試點位，距離被測設(shè)備表面5 cm。

（3） 測試設(shè)備設(shè)置到初始頻率，然后調(diào)整輸出到目標(biāo)測試等級功率，駐留至少1 s，或者被測樣品監(jiān)測數(shù)據(jù)完成一個周期，觀察被測設(shè)備的運行狀況。

（4） 測試設(shè)備依據(jù)步進調(diào)整到下一頻率，重復(fù)步驟（3），直至到結(jié)束頻率。

（5） 然后移動發(fā)射天線至下一測試點位，重復(fù)步驟（3）和步驟（4），直至完成當(dāng)前敏感區(qū)域。

（6） 移動設(shè)備和發(fā)射天線至下一敏感區(qū)域，重復(fù)步驟（3）、步驟（4）和步驟（5），直至完成所有敏感區(qū)域。

（7） 根據(jù)記錄的測試結(jié)果，輸出測試報告。

3 測試與應(yīng)用

對于列車設(shè)備來說，制動控制裝置、電力傳動裝置、空調(diào)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、集中調(diào)度系統(tǒng)、列車自動運行系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、廣播、電話系統(tǒng)、閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)等都是容易受到射頻干擾的系統(tǒng)。制動控制裝置和電力傳動裝置多數(shù)都在車體底部，不容易受到近

距離輻射干擾，空調(diào)系統(tǒng)一般也在客室兩端封閉空間內(nèi)，受近距離干擾的概率也較小。所以容易受到射頻近距離干擾的裝置主要是：駕駛室和客室的監(jiān)控攝像頭、顯示屏、通信、廣播及緊急通訊裝置等設(shè)備。列車設(shè)備的近距離干擾測試，先要根據(jù)車輛配置的功能和系統(tǒng)位置情況，制訂出詳細的測試大綱，并記錄每個位置測試結(jié)果異常時的頻率、等級、調(diào)制方式，異常現(xiàn)象的詳細情況。

3.1 現(xiàn)場測試布置

本次測試依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的宮格掃描法進行測試，逐步對測試大綱里規(guī)劃的敏感區(qū)域進行測試。尺寸較大的敏感區(qū)域，例如圖2，按40 cm×40 cm 尺寸劃分為6 個測試點位，每個點位天線做垂直極化和水平極化的干擾發(fā)射。敏感區(qū)域尺寸小的位置，例如圖3，整個區(qū)域小于30 cm×30 cm，用一個測試點位，天線中心對準(zhǔn)敏感區(qū)域中心，符合全部區(qū)域即可。

圖2 客室PIS 屏測試

圖3 語音播報系統(tǒng)測試

3.2 現(xiàn)場測試中遇到的困難和問題

（1） 對于380 MHz 及以下頻率的測試天線尺寸較大，現(xiàn)場不容易控制距離，特別是在車廂角落位置時，雙錐天線的方向性比較明顯，不同位置場強差異較大，天線轉(zhuǎn)動極化時因為場地限值導(dǎo)致敏感區(qū)域的場強有變化。

（2） 列車敏感點的位置有高有低，測試時天線的角度和距離控制不太精確，長時間測試需要便攜的輔助天線夾具。

（3） 列車敏感區(qū)域工作原理不同，驗證對應(yīng)區(qū)域需要的駐留時間長短不統(tǒng)一，測試計劃中的駐留時間只能按較長時間統(tǒng)一規(guī)劃，導(dǎo)致整體測試時間加長，比如門控系統(tǒng)。

（4） 不同頻率天線尺寸不同，覆蓋的區(qū)域面積大小也不一樣；測試過程中需要更換天線，小尺寸天線覆蓋到區(qū)域周邊的場強差異較大，測試的結(jié)果可能會因為天線邊界的影響產(chǎn)生差異。

800 MHz 時天線覆蓋范圍見圖4。5 GHz時天線覆蓋范圍見圖5。

圖4 800 MHz 時天線覆蓋范圍

圖5 5 GHz 時天線覆蓋范圍

（5） 列車上敏感區(qū)域的金屬材料較多，電磁波的反射情況不一致，測試過程中發(fā)現(xiàn)設(shè)備的駐波波動較大，說明不同頻率和位置輸出同樣功率的干擾信號，實際被測樣品感應(yīng)到的場強值也是有差異的，對實際的電磁場強是有一定影響。

測試點位11 駐波見圖6。測試點位12 駐波見圖7。

圖6 測試點位11 駐波

結(jié)束語

本文對列車設(shè)備的近距離射頻干擾測試方法進行了現(xiàn)場的驗證，為列車產(chǎn)品的新標(biāo)準(zhǔn)推廣和實施提供了參考依據(jù)，同時也提出了測試過程中方法實施和設(shè)備運用上遇到的局限性。未來的研究可以在測試天線選型、測試精度和應(yīng)用效率方面進一步優(yōu)化，以更全面更準(zhǔn)確的推動列車產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展[5]。