CRH3型动车组ATP天线驻波比试验数据保障方法研究

李兆成

摘要：ATP系统是保障列车运行安全的系统，系统中的天线是与信号楼通信的重要设备，在车辆完成装配进入调试场地后需要对天线进行驻波比试验。驻波比是用来表示馈线与天线的匹配情形，不匹配时接收信号不良。经过查阅相关资料和对以往故障处理经验的分析，得出影响驻波比的因素主要有：天线电缆（馈线）自身内部因素，车辆结构因素，布线过程因素，连接器制作的因素。本文主要介绍的是ATP天线驻波比试验数据保障方法的研究过程，简述了现阶段的保障的方法。

关键词：ATP系统；天线电缆；驻波比；保障方法

1 概述

CRH3型动车组是动力分散型高速动车组，它的持续运营速度可达到300km/h。车上搭载了诸多系统来保证列车在高速运行中的安全，ATP系统是其中重要的组成部分。ATP系统为列车自动保护系统，可对列车运行速度进行分级或连续监督，当列车实际速度超过允许值时，输出制动信号。

本文主要探讨的是ATP系统中的GSM-R天线，简称为ATP天线。每个EC车上各有两个ATP天线，他们的功能完全相同，车辆运行中启用其中一个天线，另一个备用。

CRH380BL型动车组第1至10列EC车车顶天线布置如图1（a）所示，其中2号、4号位置天线为ATP天线；CRH380BL型动车组第11至45列EC车以及后续CRH380系列动车组EC车车顶天线布置如图1（b）所示，其中5号、6号位置天线为ATP天线：

图1 EC车车顶天线布置

ATP天线下方自带电气接口为N型同轴电缆连接器，天线信号通过天线电缆（馈线）传输到车内的ATP机柜，电缆通过车顶右侧型腔从车辆的二位端（ATP机柜所在位置）到达天线所在位置。

图2 ATP天线、连接器和电缆（馈线）布线

装配完成后在调试场地进行驻波比试验，试验结果合格后对车顶天线进行打胶密封。

图3 天线连接、密封

由于在生产中发生过驻波比试验数据不合格现象，经过结构优化和工艺优化，已基本可以杜绝此类现象的发生。本文主要介绍了保障ATP天线驻波比试验数据的方法。

2 驻波比试验

所谓驻波就是频率和振幅均相同、振动方向一致、传播方向相反的两列波叠加后形成的波。波在介质中传播时其波形不断向前推进，故称行波；上述两列波叠加后波形并不向前推进，故称驻波。

驻波比全称为电压驻波比，又名VSWR和SWR。在入射波和反射波相位相同的地方，电压振幅相加为最大电压振幅Umax，形成波腹；在入射波和反射波相位相反的地方电压振幅相减为最小电压振幅Umin，形成波节。其它各点的振幅值则介于波腹与波节之间。

为了表征和测量天线系统中的驻波特性，也就是天线中正向波与反射波的情况，人们建立了“驻波比”这一概念。

驻波比的值在1到无穷大之間。驻波比为1，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。在ATP系统中，要求驻波比小于1.5。驻波比就是表示馈线与天线匹配情形。不匹配时，发射机发射的电波将有一部分反射回来，在馈线中产生反射波，反射波到达发射机，最终产生为热量消耗掉。接收时，也会因为不匹配，造成接收信号不良。

所以在车辆完成所有装配工序进入单车调试场地后，试验人员将车顶ATP天线与天线电缆（馈线）相连，然后将车顶天线预紧到车体上，最后再将试验仪器连接到天线电缆（馈线）的车内端，用来测试天线和天线电缆（馈线）的匹配程度，从而测试信号传输情况。

3 保障数据方法分析

经过查阅相关资料和对以往故障处理经验的分析，得出影响驻波比的因素主要有以下方面：

3.1天线电缆（馈线）自身内部因素

经过查阅相关资料（1）得知驻波比同样是反映电缆波阻抗不均匀性的参数，因此可以将对电压驻波比的分析转换为对波阻抗不均匀性的分析。影响同轴电缆波阻抗不均匀性的因素有许多，主要因素为：内外导体及绝缘结构尺寸的均匀性；内外导体的电导率、磁导率，绝缘介质的介电常数、介质损耗和介质磁导率在长度上的均匀性等。

经过计算可得出内导体直径的偏差对波阻抗的偏差影响最大，故在制造过程中必须严格保证内导体的尺寸精确及平直圆整。在实际生产条件下，一般内导体直径公差可控制在±0.005mm范围内。若内导体的直径偏差能够控制在±0.005mm范围内，则相应的外导体公差与绝缘公差要求经过计算，如下表1所示：

在电缆生产过程中，还存在许多因素影响内外导体尺寸及绝缘层偏差，从而影响波阻抗的不均匀性，进而影响到电压驻波比。这些因素主要包括电缆内导体制造设备方面的故障或操作不当所产生的偏差，挤压绝缘层时温度设置不当或预热温度不均匀产生的偏差，生产线的线速度、挤出机螺杆转速以及生产线张力的稳定性产生的偏差，由于操作不当导致的绝缘偏心等等。

此部分为天线电缆内部可影响电压驻波比的因素，属于电缆供应商控制的范畴。

3.2车辆结构因素

车辆结构方面主要体现在ATP天线安装座的差异，CRH3型车的天线安装座有长、短两种类型，不同类型的安装座，在ATP天线完成安装后，天线下方线束情况如图4所示：

图4 天线安装座及下方线束情况

通过图4可看出在长安装座下的电缆铺设平缓，弯曲半径很大；而短安装座下的电缆受空间限制弯曲半径较小，容易对电缆造成损伤，导致试验数据不合格。并且在车辆运维、检修时，遇到需更换天线的故障时，长安装座类型的天线只需将紧固螺栓拆下后即可完成更换，短安装座类型的天线则另外需要拖拽天线电缆才可完成更换，增加了损伤电缆的风险。

同时经过前期驻波比试验数据的收集，短天线座类型发生故障的概率远大于长天线座类型。综合以上因素，在后续所有类似结构的项目中，ATP天线的安装座已全部更改为长安装座。

3.3布线过程因素

在天线电缆布线的工艺中有关电缆最小弯曲半径的要求：布线后的弯曲半径≥129mm；布线过程操作轻缓，不得出现电缆折皱，操作过程对电缆弯曲也应保证弯曲半径≥129mm。 但实际仅能对布线结束后的弯曲半径进行检验，无法实现操作全过程测量。因此当驻波比试验数据不合格时，不能完全排除操作过程中存在对电缆造成损伤的可能。

4 现阶段控制方法

根据以上的分析结果，得出现阶段的控制方法有以下3点：

1.严格控制来料质量，要求供应商对电缆先进行驻波比试验，数据合格后方可供货。

2.在动车组设计中，建议天线安装座的结构采用长安装座类型。

3.加强布线工序的操作规范性，对每根天线线束的路径进行明确，并配套相应照片，保持布线的一致性，并且在施工时对ATP天线电缆线束重点控制。

5 结束语

通过对上述的控制方法的应用，在现阶段生产和维修的车辆中ATP天线驻波比试验的数据都能控制在合格范围内，有效的保证了车辆的安全性能。

参考文献

[1]江成.物理发泡同轴电缆电压驻波比的性能分析【J】.电线电缆，2003.

（作者单位：中车长春轨道客车股份有限公司

检修运维事业部检修运维工程技术部）