鐵路多業(yè)務(wù)車載通信天線設(shè)計概述

摘 要 隨著鐵路技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，鐵路車載通信業(yè)務(wù)需求也越來越多。在機車頂部空間有限、天線安裝位置緊張的情況下，為保證車載既有業(yè)務(wù)設(shè)備及規(guī)劃業(yè)務(wù)設(shè)備的通信需求及各天線間的隔離度需求，需對機車天線進行統(tǒng)一規(guī)劃整合。本文將結(jié)合既有350Km動車組機車天線安裝方案，根據(jù)車載既有業(yè)務(wù)設(shè)備及規(guī)劃業(yè)務(wù)設(shè)備的通信需求，提出天線整合方案，并通過仿真進行隔離度驗證，最后給出天線設(shè)計方案及仿真結(jié)果。

關(guān)鍵詞 車載通信;整合方案;隔離度;天線設(shè)計

引言

隨著鐵路技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，鐵路車載通信業(yè)務(wù)需求也越來越多。為解決業(yè)務(wù)需求與機車頂部空間有限、天線安裝位置緊張的矛盾，目前通常采用多頻段機車天線與多頻段合路器的組合方案，通過共用天線方式基本滿足了既有業(yè)務(wù)設(shè)備的正常通信。然而隨著LTE-R網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃建設(shè)，在進行車載業(yè)務(wù)規(guī)劃的同時，必然需要增加新的天線。以350Km動車組為例，既有設(shè)備所需天線數(shù)量為16個，規(guī)劃業(yè)務(wù)設(shè)備新增天線數(shù)量為8個，為滿足各天線間的隔離度要求，動車組頂部只能提供8個天線的安裝位置。如此眾多的天線想在現(xiàn)有的天線型號、天線布局條件下實現(xiàn)天線應(yīng)用性能是幾乎不可能的。為保證車載既有業(yè)務(wù)設(shè)備及規(guī)劃業(yè)務(wù)設(shè)備的正常通信，我們對車載通信業(yè)務(wù)進行了梳理，對機車天線進行了整合、設(shè)計，并通過HFSS軟件對天線隔離度及主要技術(shù)指標(biāo)進行了驗證，達到了預(yù)期效果。

1天線整合方案

經(jīng)過梳理，350Km動車組車載通信業(yè)務(wù)需求如表1所示（既有業(yè)務(wù)及規(guī)劃業(yè)務(wù)），共計需要24個天線。如果采用原有的共用天線方案進行解決，必然會使用到大量的功分器。然而功分器的應(yīng)用必然會降低業(yè)務(wù)設(shè)備的接收功率，影響設(shè)備的正常通信。如果我們能夠按照天線頻段及業(yè)務(wù)類型進行整合，對天線進行重新設(shè)計，既能最大限度地減少機車頂部天線安裝數(shù)量，又能滿足車載業(yè)務(wù)通信的需求，這必然會對今后的工程應(yīng)用起到極大的推動作用。

1.1 天線整合方案

我們對表一中的通信業(yè)務(wù)類型按照通信頻段進行組合，450MHz天線（450-470MHz）需要6個，800MHz天線（821-869MHz）需要1個，GSM-R天線（885-889MHz/930-934MHz）需要8個，衛(wèi)星定位天線需要6個，公網(wǎng)天線（GSM 900/1800/LTE頻段）需要2個，WLAN天線（2400-2483.5MHz）需要1個。進一步研究后我們發(fā)現(xiàn)，450MHz天線和GSM-R天線、衛(wèi)星定位天線需求數(shù)量相近，且450MHz天線和GSM-R天線頻率基本成倍頻關(guān)系，這對天線設(shè)計是非常有利的，因此我們完全可以將450MHz天線、GSM-R天線、衛(wèi)星定位天線整合在一起。800MHz天線與WLAN天線頻率成3倍頻關(guān)系，也可以進行組合應(yīng)用。公網(wǎng)天線一般需要與衛(wèi)星定位天線組合使用。因此我們定義了三種類型的機車天線，分別是DTX-V、DTX-VI、DTX-VII[1]，天線整合方案及所需天線數(shù)量見表2。

從表2可以看出，天線所需數(shù)量只需要6個，方案中也不需要使用合路器和功分器，簡化了天線安裝的難度，為今后的工程應(yīng)用帶來了極大的便利。

根據(jù)天線整合方案及天線數(shù)量，我們對350Km動車組車頂天線安裝位置進行了優(yōu)化及布局，優(yōu)化方案如圖1、圖2所示。

我們通過HFSS仿真軟件對優(yōu)化方案的天線隔離度進行了驗證，限于篇幅，我們只能給出相應(yīng)的結(jié)論，仿真數(shù)據(jù)不在此羅列。通過仿真我們可以得出如下結(jié)論，優(yōu)化后的車頂天線布局，天線隔離度均大于30dB，能夠滿足工程應(yīng)用的需求。

1.2 天線設(shè)計

從表2我們可以看出，為了滿足車載通信業(yè)務(wù)需求，天線同一頻段均需要提供兩個端口，這就需要我們設(shè)計一款寬頻帶高增益天線[2-4]。通過研究后我們認(rèn)為，組合陣列天線完全能夠滿足車載通信業(yè)務(wù)的需求。圖3給出了DTX-V型天線陣列結(jié)構(gòu)示意圖及天線組合框圖，DTX-VI、DTX-VII型天線可以參考該方案進行設(shè)計。

通過計算我們可以知道，DTX-V型天線在450MHz頻段增益為6.23dB（單端口），方向圖不圓度為1.1dB，在900MHz頻段天線增益為6.16dB（單端口），方向圖不圓度為1.5dB，基本達到了原有多頻段機車天線的技術(shù)要求[1]。

2結(jié)束語

從前面的分析我們知道，采用DTX-V、DTX-VI、DTX-VII型天線整合方案，通過優(yōu)化車頂天線布局，既能滿足車載既有業(yè)務(wù)設(shè)備及規(guī)劃業(yè)務(wù)設(shè)備的通信需求，又能滿足天線隔離度需求，最大限度減少了車頂天線的安裝數(shù)量。天線設(shè)計采用天線陣列設(shè)計方案，天線各項指標(biāo)均能滿足原有多頻段機車天線的技術(shù)條件，希望本文能給今后的工程實踐帶來一定的指導(dǎo)作用。

參考文獻

[1] 佚名.多頻段機車天線技術(shù)規(guī)范[ED/OL].https：//wenku.baidu.com/view/c8cc87cf83d049649a665822.html，2014-05-04.

[2] 周朝棟.天線與電波[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1994：57-59.

[3] 周朝棟，王元坤，周良明.線天線理論與工程[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1988：101.

[4] 周朝棟，楊恩耀.電小天線[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1990：12.

作者簡介

周榮生（1971-），畢業(yè)院校：蘇州大學(xué)，專業(yè)：電子與通信工程專業(yè)，學(xué)歷：工程碩士，高級工程師，現(xiàn)就職單位：中國鐵路通信信號上海工程局集團有限公司。