CRH3型動車組ATP天線駐波比試驗數據保障方法研究

李兆成

摘要：ATP系統是保障列車運行安全的系統，系統中的天線是與信號樓通信的重要設備，在車輛完成裝配進入調試場地后需要對天線進行駐波比試驗。駐波比是用來表示饋線與天線的匹配情形，不匹配時接收信號不良。經過查閱相關資料和對以往故障處理經驗的分析，得出影響駐波比的因素主要有：天線電纜（饋線）自身內部因素，車輛結構因素，布線過程因素，連接器制作的因素。本文主要介紹的是ATP天線駐波比試驗數據保障方法的研究過程，簡述了現階段的保障的方法。

關鍵詞：ATP系統；天線電纜；駐波比；保障方法

1 概述

CRH3型動車組是動力分散型高速動車組，它的持續運營速度可達到300km/h。車上搭載了諸多系統來保證列車在高速運行中的安全，ATP系統是其中重要的組成部分。ATP系統為列車自動保護系統，可對列車運行速度進行分級或連續監督，當列車實際速度超過允許值時，輸出制動信號。

本文主要探討的是ATP系統中的GSM-R天線，簡稱為ATP天線。每個EC車上各有兩個ATP天線，他們的功能完全相同，車輛運行中啟用其中一個天線，另一個備用。

CRH380BL型動車組第1至10列EC車車頂天線布置如圖1（a）所示，其中2號、4號位置天線為ATP天線；CRH380BL型動車組第11至45列EC車以及后續CRH380系列動車組EC車車頂天線布置如圖1（b）所示，其中5號、6號位置天線為ATP天線：

圖1 EC車車頂天線布置

ATP天線下方自帶電氣接口為N型同軸電纜連接器，天線信號通過天線電纜（饋線）傳輸到車內的ATP機柜，電纜通過車頂右側型腔從車輛的二位端（ATP機柜所在位置）到達天線所在位置。

圖2 ATP天線、連接器和電纜（饋線）布線

裝配完成后在調試場地進行駐波比試驗，試驗結果合格后對車頂天線進行打膠密封。

圖3 天線連接、密封

由于在生產中發生過駐波比試驗數據不合格現象，經過結構優化和工藝優化，已基本可以杜絕此類現象的發生。本文主要介紹了保障ATP天線駐波比試驗數據的方法。

2 駐波比試驗

所謂駐波就是頻率和振幅均相同、振動方向一致、傳播方向相反的兩列波疊加后形成的波。波在介質中傳播時其波形不斷向前推進，故稱行波；上述兩列波疊加后波形并不向前推進，故稱駐波。

駐波比全稱為電壓駐波比，又名VSWR和SWR。在入射波和反射波相位相同的地方，電壓振幅相加為最大電壓振幅Umax，形成波腹；在入射波和反射波相位相反的地方電壓振幅相減為最小電壓振幅Umin，形成波節。其它各點的振幅值則介于波腹與波節之間。

為了表征和測量天線系統中的駐波特性，也就是天線中正向波與反射波的情況，人們建立了“駐波比”這一概念。

駐波比的值在1到無窮大之間。駐波比為1，表示完全匹配；駐波比為無窮大表示全反射，完全失配。在ATP系統中，要求駐波比小于1.5。駐波比就是表示饋線與天線匹配情形。不匹配時，發射機發射的電波將有一部分反射回來，在饋線中產生反射波，反射波到達發射機，最終產生為熱量消耗掉。接收時，也會因為不匹配，造成接收信號不良。

所以在車輛完成所有裝配工序進入單車調試場地后，試驗人員將車頂ATP天線與天線電纜（饋線）相連，然后將車頂天線預緊到車體上，最后再將試驗儀器連接到天線電纜（饋線）的車內端，用來測試天線和天線電纜（饋線）的匹配程度，從而測試信號傳輸情況。

3 保障數據方法分析

經過查閱相關資料和對以往故障處理經驗的分析，得出影響駐波比的因素主要有以下方面：

3.1天線電纜（饋線）自身內部因素

經過查閱相關資料（1）得知駐波比同樣是反映電纜波阻抗不均勻性的參數，因此可以將對電壓駐波比的分析轉換為對波阻抗不均勻性的分析。影響同軸電纜波阻抗不均勻性的因素有許多，主要因素為：內外導體及絕緣結構尺寸的均勻性；內外導體的電導率、磁導率，絕緣介質的介電常數、介質損耗和介質磁導率在長度上的均勻性等。

經過計算可得出內導體直徑的偏差對波阻抗的偏差影響最大，故在制造過程中必須嚴格保證內導體的尺寸精確及平直圓整。在實際生產條件下，一般內導體直徑公差可控制在±0.005mm范圍內。若內導體的直徑偏差能夠控制在±0.005mm范圍內，則相應的外導體公差與絕緣公差要求經過計算，如下表1所示：

在電纜生產過程中，還存在許多因素影響內外導體尺寸及絕緣層偏差，從而影響波阻抗的不均勻性，進而影響到電壓駐波比。這些因素主要包括電纜內導體制造設備方面的故障或操作不當所產生的偏差，擠壓絕緣層時溫度設置不當或預熱溫度不均勻產生的偏差，生產線的線速度、擠出機螺桿轉速以及生產線張力的穩定性產生的偏差，由于操作不當導致的絕緣偏心等等。

此部分為天線電纜內部可影響電壓駐波比的因素，屬于電纜供應商控制的范疇。

3.2車輛結構因素

車輛結構方面主要體現在ATP天線安裝座的差異，CRH3型車的天線安裝座有長、短兩種類型，不同類型的安裝座，在ATP天線完成安裝后，天線下方線束情況如圖4所示：

圖4 天線安裝座及下方線束情況

通過圖4可看出在長安裝座下的電纜鋪設平緩，彎曲半徑很大；而短安裝座下的電纜受空間限制彎曲半徑較小，容易對電纜造成損傷，導致試驗數據不合格。并且在車輛運維、檢修時，遇到需更換天線的故障時，長安裝座類型的天線只需將緊固螺栓拆下后即可完成更換，短安裝座類型的天線則另外需要拖拽天線電纜才可完成更換，增加了損傷電纜的風險。

同時經過前期駐波比試驗數據的收集，短天線座類型發生故障的概率遠大于長天線座類型。綜合以上因素，在后續所有類似結構的項目中，ATP天線的安裝座已全部更改為長安裝座。

3.3布線過程因素

在天線電纜布線的工藝中有關電纜最小彎曲半徑的要求：布線后的彎曲半徑≥129mm；布線過程操作輕緩，不得出現電纜折皺，操作過程對電纜彎曲也應保證彎曲半徑≥129mm。 但實際僅能對布線結束后的彎曲半徑進行檢驗，無法實現操作全過程測量。因此當駐波比試驗數據不合格時，不能完全排除操作過程中存在對電纜造成損傷的可能。

4 現階段控制方法

根據以上的分析結果，得出現階段的控制方法有以下3點：

1.嚴格控制來料質量，要求供應商對電纜先進行駐波比試驗，數據合格后方可供貨。

2.在動車組設計中，建議天線安裝座的結構采用長安裝座類型。

3.加強布線工序的操作規范性，對每根天線線束的路徑進行明確，并配套相應照片，保持布線的一致性，并且在施工時對ATP天線電纜線束重點控制。

5 結束語

通過對上述的控制方法的應用，在現階段生產和維修的車輛中ATP天線駐波比試驗的數據都能控制在合格范圍內，有效的保證了車輛的安全性能。

參考文獻

[1]江成.物理發泡同軸電纜電壓駐波比的性能分析【J】.電線電纜，2003.

（作者單位：中車長春軌道客車股份有限公司

檢修運維事業部檢修運維工程技術部）