無源中繼器在地下通信的應用探索

楊衛華,萬國華

（1.中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081;2.中國聯通河北分公司市場部,河北 石家莊 050021）

0 引言

分析現在地鐵中使用的泄漏電纜系統損耗參數,發現漏泄電纜的系統損耗中耦合損耗占了大部分,而且它與傳輸距離無關。當傳輸距離一定長后,雖然漏纜內部的信號電平還足夠強,但由于耦合損耗的存在,使得泄漏到空間的信號電平已經降低到可用值以下,浪費了很多信號功率。一種理想的漏纜方案應該是隨離開信號饋入端距離的增加,漏纜的耦合損耗相應變小,這樣就能充分利用信號電平,延伸漏纜的覆蓋距離。由于受制造工藝的限制,目前還難于作到這一點,為了達到一定的覆蓋范圍要求,必須插入有源中繼器把電平提升到一定的高度才能延長覆蓋距離。

如果用一種新的輻射系統來代替泄漏電纜的耦合系統,這種輻射系統的輻射損耗要比泄漏電纜的耦合損耗小,那就可以在不使用有源中繼器的情況下覆蓋給定的要求,這個替代泄漏電纜耦合系統的輻射系統就是無源中繼器。

無源中繼器（Passive Repeater Site）,采用多重分集接收及調相技術;理論計算與實測數據證明:在地下（包括礦井、地鐵隧道等）通信中,在一定條件下可以用無源中繼器替代漏泄電纜進行弱場區場強覆蓋。

1 無源中繼器技術

在非行車狀態,延伸中繼覆蓋范圍不存在什么問題,關鍵是要能在地鐵隧道處在行車狀態下延伸覆蓋范圍。因為隧道處于行車狀態,即堵車狀態時,橫截面面積大大變小,這時傳輸損耗大大增加,無源中繼器基于電波在隧道中傳播特性及自身的多重分集接收及調相技術,充分利用堵車時的橫截面積,從而減少堵車時的傳輸損耗,實現對隧道無線場強的覆蓋。

1.1 技術指標

WZ-1無源中繼器主要技術指標:

①工作頻段:150/450/800/900/1800MHz;

②部件傳輸損耗:小于2dB;

③占寬系數:不大于25mm;

④重量:不大于5kg（平板激勵器重量與頻段有關,450MHz時為小于500g）;

⑤使用環境條件:溫度:-10～+60℃,濕度:90%（+20℃）。

1.2 工作流程

無源中繼器由分路合路器、移相器、平板激勵器等部件組成。它依據堵車時隧道中波導型波傳輸系數與隧道橫截面大小的關系,在隧道和機車上同時安裝無源中繼器,能有效利用隧道的有效空間。從而實現電波在地下空間中具有最小的傳輸損耗,達到在隧道中通信的目的。無源中繼器的工作流程如圖1所示。

圖1 無源中繼器的工作流程圖

當通信設備發信機工作時,信號經低損耗電纜A送到分路合路器F,利用分路功能將信號分成3路,一路信號直接輸入平板激勵器P3;另2路信號通過移相器Y1、Y2后分別輸入平板激勵器P4、P5;此時,由平板激勵器P3、P4、P5在隧道的左右和上部空間激勵出電磁波,而這些波在這3個空間各自沿著自己的方向反射前進;完成對隧道空間的場強覆蓋。

2 測試技術及測試數據

從無源中繼器輸入接口通過一根2dB衰減電纜（模擬從漏纜分路器到中繼器的電纜衰減）連接到信號源輸出接口,信號源提供測試信號,用場強計分別測量避車線不同地點的場強。如圖2所示。

圖2 測試技術示意圖

2.1 測試技術

采用單端WZ-1無源中繼器發射,發射頻率分別設置在816～821MHz和861～866MHz之間的2個點,測試WZ-1無源中繼器單側方向避車線場強分布,最后推斷2端同時發射的整個避車線實際場強分布特性。具體測試設備是:

信號源輸出功率:+10dBm;

測試頻率:818MHz和862MHz;

調制信號頻率:1kHz;

信號源型號:HP8648C 1臺;

場強計:1臺。

2.2 測試數據

測試人員攜帶場強儀沿無源中繼器信號覆蓋方向對其進行測試,先將場強計計量單位設置為dBμV,每到固定點進行記錄,然后,將輸入功率由+10dBm轉換成最小值0dBm,將場強計測試數據的計量單位dBμV轉換成dBm,實測數據整理后如表1所示。

表1 實測場強數據

根據實測數據計算出實測場強（dBm）分布特性,如圖3所示。

圖3 實測場強（dBm）分布特性

3 場強分布特性分析

上述測試數據為單個無源中繼器單向的測試數據。在實際使用時,在300多m的避車線上裝有2套WZ-1無源中繼器,其相互距離為237.5m,由于WZ-1無源中繼器是雙向傳輸,二者之間的區域的場強分布是相互疊加的。由表1數據推算,雙向無源中繼器場強數據如表2所示。

表2 雙無源中繼器計算數據

根據表2數據得出在輸入功率為+10dBm和0dBm下整個避車線場強分布特性如圖4所示。

圖4 場強分布特性

4 結束語

根據深圳地鐵無線場強值大于-85dBm的技術要求,在避車線上安裝中WZ-1無源中繼器后,場強值均在-75dBm以上,有效場強覆蓋距離為460m,場強值高于用戶要求10dBm。由此可見,WZ-1無源中繼器完全滿足深圳地鐵避車線場強覆蓋技術要求。

試驗證明,在一定條件下使用無源中繼器替代漏泄電纜實現地下無線通信系統場強覆蓋符合中國國情,并且它還具有無源工作、成本低、投資少、電路結構簡單、制造生產容易、性能穩定、便于安裝維護等優點,特別適用于地鐵、礦井、地下指揮場所、人防工程等地下大面積空間等場合的使用,有較好的實用與推廣價值。但由于只是在地鐵避車線試驗段進行安裝試驗,無源中繼器的真正價值還有待于今后更多的實踐證明。

[1]MAHMOUD SF.（1974b）On the attenuation of monofilar and bifilar modes inmine tunnels[J].IEEE Trans.Microwave Theory Tech,MIT-22（9）:845-847.

[2]MARTIN D J R.Radiocommunication inmines and tunnels[J].Electron Sci.,Lett.1970,6（18）:563-564.

[3]畢德顯.電磁場理論[M].北京:電子工業出版社,1985.[4]徐永斌,何國喻.工程電磁場基礎[M].北京:北京航空航天大學出版社,1992.