1、文章編號：IOOI-4632（2021）01013007時速350km中國標準動車組車載天線的隔離度及最小排布間距竇珈錫'，李毅L，李輝'鮑峻松藺偉'（1.中國鐵道科學研兄院集團有限公司通信信號研龍所，北京iooo8i：2.南京保時利信息科技有限公司，江蘇南京210012）摘要：基于中國標準動車組車載終端設備的部署現狀和未來規劃，調研其采用的通信系統類型、車載天線的工作頻率和安裝數量：以900MHz頻段GSMR系統、45。MHz頻段和2100MHz頻段LTER系統為例，對車載終端的雜散干擾進行理論分析，基于自由空間損耗理論模型計算、電磁軟件仿真模擬和試驗平臺實測的結果，

2、研究車載天線的隔離度，提出滿足車載通信終端干擾隔離度需求的合理天線間距。結果表明：為了實現動車組車栽終端的互不干擾，對于900MHz頻段GSMR系統和21OOMHz頻段LTER系統，車載天線間距需達到0.5m：對于45。MHz頻段LTER系統，車栽天線間距則需大于3.0m.未來我國動車組車栽天線的發展應定位在：研發寬頻段多業務組合天線、對車載天線布局進行標準化設計、支持公網運營商5G頻率等方而。關鍵詞：車城天線：天線間距：天線隔離度：雜散干擾：饋線損耗：中國標準動車組中圖分類號：U285.28；U279義獻標識碼：Adoi：10.3969/j-issn.1001-4632.2021.01.16

3、收稻日期：2019-07-08：修訂日期：20200610基金項目：中國鐵路總公司科技研究開發計劃課題（J2018GO09）：中國鐵道科學研究院集團有限公司利研開發基金項日（2O17Y.JO55）第作者：賣土亞f易1990）,男，河南駐馬店人，助理研咒員。E-mail：douyaxi通訊作者：李輝（1968-）,免，陜西戴田人，研究員。E-mail：tkthlh在動車組頂部安裝天線，可以實現車載移動通信，滿足車載信息實時傳輸的需求。各車載業務設備的通信模塊與動車組車頂天線相連，在列車運行時，通過與地面通信設備間的信息交互，為列車運行控制、運輸調度指揮、行車安全監控等業務提供實時可靠的車地間信息

4、傳輸。以時速350km中國標準動車組為例，中國標準動車組上用到車頂天線的車載業務設備共計5種，分別是：列控系統超速防護設備（ATP）、機車綜合無線通信設備（QR）、車載地震緊急處置裝置（CRES）、列控設備動態監測系統（DMS）和車我遠程數據傳輸設備（WTD）等。為滿足上述設備的正常工作，中國標準動車組在其第1節車廂頂部，共安裝有天線8副。近年來，我國智能鐵路相關技術正在快速發展,信息控制、信息指揮以及信息監測等方面的傳送需求隨之不斷增加，可以預見，未來還將有一批新的業務設備F投入使用，這勢必催生新的車載天線數量需求。但受動車組車廂長度制約，車頂空間有限，繼續加裝天線會導致天線間距離過近，從而

5、產生天線間的電磁耦合干擾和車載設備通信模塊間的雜散干擾成，影響通信鏈路的可靠性和車載設備的正常信息傳輸。因此，有必要對中國標準動車組車載天線隔離度進行研究，提出午載天線布設間距的參考意見及車載天線發展建議。本文聚焦9。MHz頻段GSM-R系統、45。MHz頻段和2100MHz頻段LTER系統，通過理論推導，計算2個車載終端不產生雜散干擾所需的天線隔離度；利用電磁仿真軟件，建立起動車組車廂平面和天線的三維模型，模擬天線隔離度隨間距的變化；搭建實測試驗平臺，對理論計算和模擬仿真結果進行對比驗證，得到滿足天線隔離度要求的最小天線間距。調研時速350km中國標準動車組車載天線的當前安裝現狀及未來需求規

6、劃，據此提出我國未來動車組車載天線發展的相關建議。1時速35。km中國標準動車組車載天線安裝現狀如前所述，時速35。km中國標準動車組上主要有5種車載業務設備，各業務設備主要通過鐵路GSM-R系統、運營商GSM/LTE系統、8ooMHz列尾和列車安全預警系統、450MHz模擬無線列調系統以及無線局域向技術（WLAN）系統等5類無線通信方式傳輸數據，定位和時間信息則通過全球導航衛星系統（GNSS）獲取。整理其車載業務設備所應用的通信系統類型、天線工作頻段及數量需求見表1。表1時速350km中國標準動車組車載業務設備及車載天線現狀業務設備名稱通信系統類型需求天紋數星/根工作頻段ATPGSM-R系統

7、2885-889MHz/930-934MHzGSM-R系統2885-889MHz/93。934MHzGNSS系統21575-42OMHZ1561.098MHzVIlx450MHz列調系統1457.200458.625MHz467.200-468.625MHz8ooMHz預警系統1821.2375MHz/866.2375MHzGSMR系統1885-889MHz/930-934MHzDMSGNSS系統11575-420MHz1561.098MHzGSM/LTE系統1GSM900/1800MHZ頻段TD-LTE頻段GSM-R系統2885-889MHz/930-934MHzCKlLoGNSS系統215

8、75420MHz1561.098MHzGSM/LTE系統1GSM900/1800MHz頻段TD-LTE頻段WTDWIAN系統12400.0-2483.5MHz515O5850MHzGNSS系統11575-420MHz1561.098MHz當前，高速鐵路智能化導己成為世界鐵路科技發展的必然趨勢，我國也提出“智能高鐵”的發展目標，持續深化智能鐵路核心技術攻關，加快構筑中國鐵路智能化技術領先優勢從對通信天線的需求角度來石，在智能裝備方面，需考慮高速列車自動駕駛系統（ATO）業務早、車載寬帶綜合傳輸平臺業務以及鐵路下一代移動通信系統建設9：在智能運營方面，需考慮鐵路安全實現智能防災，包括風雨雪等自然環

9、境、異物侵陷和地震預警7等。車頂空間有限，研發生產上述智能化設備,還需兼顧既有業務設備的升級改造，這就對車頂天線的數量及所處頻段提出新的要求，需要我們超前謀劃。為此，結合奮勇擔當交通強國鐵路先行歷史使命努力開創新時代中國鐵路改革發展新局面一一在中國鐵路總公司工作會議上的報告整理未來車載業務設備及車載天線需求，見表2。表2未來規劃的車載業務設備及車載天線需求業務設備名稱通信系統類型需求天線數量/根工作頻段ATP鐵路新-代移動通信系統2鐵路下一代移動通信專用頻率ATOGSMR系統鐵路新一代移動通信系統11885-889MHz/930-934MHz鐵路下一代移動迥信專用頻率車栽寬帶綜合鐵路新一代移動

10、鐵路下一代移動通傳輸平臺通信系統2信專用頻率2干擾隔離度理論計算對于鐵路通信系統來說，只有當天線隔離度大于系統所需的干擾隔離度時，才能保證車載終端的正常可靠通信力。而干擾隔離度又與通信系統的頻率和類型密切相關。當前，我國鐵路廣泛部署應用的GSM-R系統，工作頻率是9。0MHz（上行885-889MHz,下行930-934MHz）；考慮到下一階段智能化的發展方向，我國鐵路正在規劃部署下一代移動通信系統，其候選頻率有2種，分別是45。MHz（上行452.5-457-5MHz,卜彳亍462.5467.5MHz）和2100MHz（上行1965T975MHz,下行21552165MHz）。為此，本文以9

11、00MHz頻段的2個GSM-R車載終端，以及45。MHz頻段和2100MHz頻段的2個LTE-R車載終端為例，基于自由空間損耗理論模型，計算可實現通信終端互不干擾的天線隔離度。2.1干擾隔離度計算考慮時速35。km中國標準動車組的2個車載終端采用相同通信系統進行信息傳輸，其中終端1接收基站發射的下行信號，終端2向基站發送上行信號。一般情況下，終端的發射信號是非理想的，如圖1所示，信號的能量主要集中在信號帶寬內，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，是由于調制過程和發射機中器件的非線性產生的無用發射功率。圖1發射機的信號頻譜終端2對終端1產生的干擾如圖2所示。為保證終端1

12、正常工作，所需干擾隔離度Piso的計算式為RsoRntLxLrxPmax(1)式中：Pint為終端2的發射信號在終端1的接收頻段內的雜散干擾功率，dBm；Ltx為終端2與天線2間的饋線損耗，dB;Lrx為終端1與天線1間的饋線損耗，dB;Pmax為終端1在正常工作前提下能承受的最大干擾功率，dBm。I美翊2圖2LTE-R車我終端干擾場景2.1.1雜散干擾1) 900MHz頻段GSMR系統根據3GPP技術規范TS45.005，在200kHz測量帶寬下，終端2的發射信號在終端1接收頻段(930-934MHz)內的雜散干擾限制Pintgoo取值為Pintgoo=67dBm。2) 450MHz頻段LT

13、E-R系統根據3GPP技術規范36.101",終端2的發射頻段(452.5-457-5MHz)與終端i的接收頻段(462.5467.5MHz)間隔51。MHz,干擾處于圖1所示的帶內雜散區域，功率限制見表3,其中頻率范圍是相對終端2發射信號的帶寬邊緣頻率457.5MHz而言的。根據表3,計算得到終端2對終端1的雜散干擾功率Pint45。取值為Pint450=R+P2一Pm響=1°lg(的一或的+4xio-2S*°)5=17-02dBm式中:P1和P2分別為落在終端1的462.5463.5MHz和463-5-467-5MHz頻段內的雜散干擾功率，dBm：Pmargi

14、n為實際工程終端優于標準的余量，通常取5dB。表3450MHz帶內雜散功率限制頻率范圍/MHz最大功率限制/dBm測最帶寬/kHz±O1-1530±LO2.5101()00±2.5-2.8101000±2.8-50101000±56-131000±6io2510Q03) 2looMHz頻段LTE-R系統根據3GPP技術規范36.101,終端2的發射信號(19651975MHz)與終端1的接收頻段(21552165MHz)間隔180-190MHz,干擾處于帶外雜散區域，在1MHz測量帶寬下，功率限制為一36dBmc計算得到終端2對終端1

15、的雜散干擾功率Pin«2.oo取值為Pgsoo=PlPm咿=10lg(10一球°X10)5=31dBm式中：Pi為落在終端1的2155-2165MHz頻段內的雜散干擾功率，dBm：Pmargin為實際工程終端優于標準的余量，通常取5dBo2.1.2饋線損耗電磁能量經過射頻饋線傳播后會發生能量衰減，產生的饋線損耗，采用輸入到饋線的電磁能量與經過饋線傳輸后輸出電磁能量的比值進行衡量。一般情況下，中國標準動車組敷設的射頻饋線為同軸電纜，同軸電纜的損耗與電纜的介質、長度和傳輸信號的頻率有關。在射頻饋線長度和介質已經確定的情況下，按照實際工程應用的經驗值，設9。0,45。，2looM

16、Hz頻段饋線損耗Ltx和Ln分別取值2,2,3dBo2.1.3終端能承受的最大干擾功率不同通信系統終端能承受的最大干擾Pmax與其在通信小區中的位置有關。當終端位于小區邊緣時，信號功率最小，所需要的干擾隔離度最大。因此，以終端位于小區邊緣為例，計算其能承受的最大干擾功率。1) 900MHz頻段GSM-R系統900MHz頻段GSMR系統終端1所能承受最大干擾Pma、9。的計算式為P=P(2)max900sj式中：Ps為最小可用接收電平，dBm；Cr鄰頻道干擾保護比，dB°根據鐵路行業規范文件J氣在承載語音和非列控業務時，最小可用接收電平Ps的取值為一98dBm,鄰頻道干擾保護比f不小于

17、一6。由此，計算得到Pmaxg。取值為Pnuxgno=98(6)=92dBm2) 450MHz頻段LTER系統450MHz頻段LTE-R系統終端1所能承受的最大十擾Pmax45。的計算式為Pmax45O=P$AsiNR(3)其中：是小區邊緣信干噪比，dB°根據國鐵集團規范文件3,列車在鐵路正線高速運行時，小區邊緣的參考信號接收功率RSRP為95dBm,小區邊緣信干噪比As/nr為5dB。45。MHz頻段系統帶寬為5MHz,資源塊為25個，每個資源塊有子載波12個，共有資源粒子25,15=300個，由此，可計算得到Pmax45。取值為PmaM50=lOlgClO-95，0X300)(5

18、)=65.23dBm3) 2100MHz頻段LTE-R系統同樣采用式(3)計算2looMHz頻段LTE-R系統終端1所能承受的最大干擾Fmax2lOOo與450MHz頻段LTER系統的分析類似，2100MHz頻段系統帶寬為10MHz,共有資源粒子600個。由此，計算得到Pmax22。的取值為Pmax2i00=101g(10-9510X600)(5)=62.22dBm2.2計算結果分別將雜散干擾功率(Pint)、饋線損耗(Ltx和LQ和終端能承受的最大干擾功率(Pmax)等結果代入式(1),計算得到各系統所需的干擾隔離度。1) 900MHz頻段GSMR系統對于900MHz頻段的2個GSMR車我終

19、端，所需的干擾隔離度Pisogo取值為Pisooo=Pint9«oLxL”一Pmaxgoo=6722(92)=21dB2) 450MHz頻段LTE-R系統對于450MHz頻段的2個LTE-R車載終端，所需的干擾隔離度Pi«M5。取值為PisMSO=Pint45O版rxPmax»so=】7°222(65.23)=44-21dBo3) 2100MHz頻段LTER系統對于2100MHz頻段的2個LTE-R乍載終端，所需的干擾隔離度Pi*哄取值為P4102100=Pintsioo匕LrxPinax2100=3】33(62.22)=25.22dB。以上僅為干擾隔離

20、度的理論計算結果。在實際工程應用中，避免動車組車載終端之間的雜散干擾主要通過車載天線的空間隔離實現，因此研究天線的隔離度時，還需要考慮2個天線間電磁波衰減與距離的關系。3天線隔離度及最小排布間距確定3.1天線隔離度的計算、仿真與實測3-1.1天線隔離度計算電磁波在自由空間(無任何介質穿透損耗)傳播時，會產生衰減，其路徑損耗Lh的計算式為Lh=201g(4)+201g(f)27.56(4)式中：d為收發機之間的距離，m；/為系統工作頻率，MHzoiWo.5，1.。，1.5，2.0,2.5，30m的不同間距條件，分別取900MHz頻段GSM-R系統，以及450MHz頻段和2100MHz頻段LTER

21、系統的上行中心頻率887，455，1970MHz,利用式<4)計算天線隔離度，結果見表4。表4天線隔離度理論計算值不同何距時的隔離度/dB頻率/MHzo.5mi.om15m2.0m2.5m3.0m88725431434-937.439-440-945519.625.629.131.633-635.1197038.341.Q44.346.347.83-1-2模擬仿真電磁場仿真技術的發展，為天線設計、復雜電磁場環境評估提供了更方便、更準確的手段。利用電磁仿真軟件，按照實際的動車組車頂平面尺寸和天線參數建立三維模型，如圖3所示。仿真時，充分考慮車頂平面對天線輻射性能的影響，其中，天線模型的參數

22、與實際工程應用一致，電性能指標見表5。不同天線間距條件下，同前分別取3個系統的上行中心頻率887，455，1970MHz,仿真計算天線隔離度，結果如圖4所示，數據整理見表6。3.1.3實際測試按照時速35。km中國標準動車組的實際車照圖3犬線隔離度仿真三維模型圖3犬線隔離度仿真三維模型表5仿真天線的電性能指標工作頻段/MHz增益/dBi阻抗/Q駐波比極化方式方向性400-4702821-934450不大于1.5垂直極化全向天稅1800-24005頻率/GHZ圖4大線隔離度仿克測試結果示意圖頻率/GHZ圖4大線隔離度仿克測試結果示意圖表6天線隔離度仿真值不同間距時的隔離度/dB頻率/MHz。.5

23、m1.0m1.5m2.0m2.5m3.0m88725-329.633-736.038.639-045517.221.826.629.029.930.0197029-735-436.541-542.743.6結構和尺寸，在空曠的場地搭建實測平臺，使用與全波仿真.模型一致的天線樣品進行測試，試驗方案如圖5所示。2個天線安裝在車頂平面上，通過饋線與網絡分析儀的2個端口連接。網絡分析儀的端口1輸出所需頻率的信號，并通過天線1輻射；網絡分析儀的端口2測量天線2的接收信號功率。對饋線的損耗進行調節和補償后，改變天線1和天線2之間的距離，將2個天線間的功率差值作為天線隔離度進行記錄。圖5天線隔離度測試方案示

24、意圖不同天線間距條件下，同前分別取3個系統的上行中心頻率887，455,197。MHz進行測試，得到3個頻率的天線隔離度實測結果見表7。表7天線隔離度實測值頗率/MHz0.5m1.0mi.5m2.0m2.5m3om88727.030036.036.04。40.045519.023.027.029.031033-0197031036。39042.042.045-03-1.4理論值、模擬值與實測值的對比驗證將表4中的理論值和表7中的實測值進行對比，結果如圖6所示。可以看出，理論值跟實測值的誤差在3dB以內，能夠較好吻合。因此，在實際工程應用中，可以利用自由空間損耗的理論計算值，對天線的合適間距進行

25、初步估算。5040302010-W-887MHZW論（ft887MHz實測tfl455MHz理論（ft455MHz實測（ft1970MHzW!論（ft1970MHz實測（ft1.01.52.02.53.0天線間距/m圖6大線空間隔離度理論值與實測值對比將表6中的仿真值和表7中的實測值進行對比，得到的結果如圖7所示?？梢钥闯?，仿真:值與實測值吻合度較好，且在相同頻率條件下，天線空間隔離度隨天線間距的增加而增大：在相同天線間距條件卜，天線空間隔離度隨頻率的增加而增大。因此，在實際工程應用中，可以通過仿真建模，對實際天線間的隔離度進行初步驗證。-*-887MHzttMifl887MHz實;Btfl4

26、55MHz仿真伉455MHz實測（ft.I970MHzffiUtt1970MHz實測tfl1.01.52.02.53.0天線間距/m圖7天線空間隔離度的仿真位與實測值比較3.2最小排布間距的確定為了保證雜散干擾不影響相鄰設備間正常數據通信，應使天線隔離度大于系統所需的干擾隔離度。根據前文計算，900MHz頻段GSM-R系統，以及45。MHz頻段、2100MHz頻段LTE-R系統所需的干擾隔離度分別為21.00,44-21,25-22dB,結合表7可知：理論上車載天線間距為0.5m時，可滿足9。MHz頻段GSMR系統和21OOMHz頻段LTE-R系統的干擾隔離度需求；而450MHz頻段LTER系

27、統的車載天線間距離大于3.om°4結論及建議為了實現動車組車載終端的互不干擾，對于900MHz頻段GSM-R系統和2iooMHz頻段LTE-R系統，車載天線間距需達到0.5m；對于450MHz頻段LTE-R系統，車載天線間距則需大于3.om°同時，后續還有必要在實際應用場景下，開展動態運用試驗，驗證在提出的車載天線間距要求卜車載通信系統可正常工作?；诒疚拈_展的調研與研究工作，提出未來中國標準動車組的車載天線發展建議如bo1）研發寬頻段多業務組合天線隨著通信技術發展和動車組車載設備的升級，中國標準動車組對天線的需求數量已經達到24根。而目前中國標準動車組車頂僅有8個天線安裝

28、孔，遠小于所需天線數量，同時，受通信系統天線最小參考間距的限制，在有限的車頂空間又難以增加新的天線位置。因此，為了滿足動車組對天線的需求，除了采取多個車載設備共用1個通信模塊的措施，還應考慮設計新型寬頻段多業務組合天線-弟，使每副天線可以應用于多個不同頻段的業務設備。2）對車載天線布局進行標準化設計不同車型的動車組裝備的車載設備不同，對天線數量和種類的需求也不相同，導致車載天線的布局不同，增加了統籌管理和運營維護的難度。因此，在對車頂天線布局方案進行設計時，應對車載天線的種類進行統型，減少所用天線的種類；并對不同動車組車型所用車載天線的間隔距離和安裝位置進行標準化設計，減少車載天線布局的差異性

29、。3）支持公網運營商5G頻率鐵路移動通信專網頻率有限，不能完全滿足鐵路經營開發、信息化應用和旅客服務等需求，鐵路下一代移動通信將充分利用公網5G資源*實現鐵路應用。因此，天線研發過程中，應注重對中國移動5G頻率25152675MHz、中國聯通和電信5G頻率34。36ooMHz的支持,從而更好地服務于下一階段我國鐵路智能化發展的目標。文獻1艾渤，馬國玉，鐘章隊.智能高鐵中的5G技術及應用J.中興通訊技術，2019,25(6)：42-47,54.<AIBo,MAGuoyu.ZHONGZhangdui.5GTechnologiesandApplicationsinHighSpeedRailwa

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