450 MHz频段动车车顶天线性能与干扰隔离研究

2021-02-11董根才窦垭锡蒋志勇

铁道通信信号 2021年12期

董根才，李毅，窦垭锡，蒋志勇，蔺伟

随着移动视频监控、自动驾驶、列车状态实时监测、铁路物联网和旅客多媒体等新型铁路业务的不断出现，铁路GSM-R系统面临承载能力不足和产业链逐渐萎缩的问题，需要向铁路下一代移动通信系统演进［1］。

目前动车组上安装有多个车载设备，包括列控车载ATP、调度通信CIR、地震预警、列控设备状态监测（DMS）等。各设备间相互独立，通过GSM-R车载终端连接车顶GSM-R天线，与地面设备进行车地通信。因此，在动车组第一节车厢有限的车顶平面上安装了多根GSM-R天线。天线间的耦合干扰和系统间的杂散干扰会导致通信链路的可靠性降低，影响车载设备的正常工作［2］。现有动车组通过合理规划GSM-R天线的间距，保证了足够的天线隔离度，从而降低了车载设备间的干扰［3］。

我国规划将450 MHz频段用于陆地移动通信业务，目前尚未分配，可申请作为我国铁路下一代移动通信系统频段。但450 MHz频段与900 MHz频段GSM-R系统相比，电磁波的波长更长，在现有动车组天线布局方案下，天线之间的隔离度降低，可能导致车载设备间的干扰增大，影响行车安全。此外，由于天线性能如辐射方向图、电压驻波比（VSWR）等随着列车车顶金属面的大小、弯曲度、距空调箱的距离等参数的不同而变化，导致出厂测试正常的天线安装在动车组上后可能无法正常工作［4］。因此，有必要研究450 MHz频段车载天线的性能及天线间的合适距离。

1 单天线辐射性能研究

天线的辐射性能受周围环境的影响很大。天线安装到动车组车顶后，由于受金属平面反射等影响，其辐射方向图与在自由空间或电波暗室内相比会发生较大变化；此外，其电压驻波比V SWR也会发生变化，导致信号在天线端口处衰减增加，影响通信系统的可靠性［5］。

本节以简单的450 MHz偶极子天线为例（垂直方向的方向图是“∞”型），分析其主瓣增益、主瓣方向、主瓣宽度、旁瓣增益和电压驻波比V SWR参数在金属平面、金属曲面和金属障碍物等不同场景下的变化。以上天线参数的含义见表1。

表1 天线参数的含义

1.1 金属平面的影响

在仿真软件中进行设置，将天线（图1中红色）放置于金属平面上（图1中灰色），通过改变天线与金属平面的距离、金属平面的厚度和金属平面的尺寸，分析天线参数的变化［6］。

图1 天线放置于金属平面上的仿真场景

1）与金属平面的距离影响。在仿真软件中改变天线与金属平面的距离，得到仿真结果，见表2。可以看出，随着天线与金属平面距离的增加，天线方向图的主瓣增益基本呈现减小趋势（受仿真误差影响，个别仿真值存在一定的波动），旁瓣增益逐渐增大。表明天线辐射的方向性减小，全向性增加。

表2 天线参数与金属平面距离的关系

2）金属平面的厚度影响。在仿真软件中改变金属平面的厚度，得到仿真结果，见表3。可以看出，随着金属平面厚度的增加，天线辐射模式的主瓣增益逐渐减小，主瓣宽度逐渐增加。此外，V SWR保持不变，表明天线辐射性能受金属板厚度的影响较小。

表3 天线参数与金属板厚度的关系

3）金属平面的尺寸影响。在仿真软件中改变金属平面的尺寸，得到仿真结果，见表4。可以看出：①随着金属板尺寸的增加，主瓣增益逐渐增大，主瓣宽度逐渐减小，表明天线辐射性能的方向性增强，此外，旁瓣增益逐渐减小；②V SWR随金属平面尺寸的增加而基本呈现增大趋势（受仿真误差影响，个别仿真值存在一定的波动），当金属平面尺寸≥（1.5×1.5）m2时，变化不再明显，表明金属平面改变了天线的输入阻抗，使得阻抗不匹配的程度增加，信号能量在天线端口的衰减增大。

表4 天线参数与金属板尺寸的关系

1.2 金属曲面的影响

在仿真软件中进行设置，将天线（图2中红色）放置于金属曲面上（图2灰色），通过改变金属曲面的弯曲程度，分析天线参数的变化。

图2 金属曲面上的天线仿真场景

在仿真软件中改变金属曲面的曲率半径，得到仿真结果，见表5。可以看出，随着金属曲面弯曲程度的增加，主瓣增益逐渐减小，主瓣宽度逐渐增加，旁瓣增益逐渐变大，表明天线辐射方向性减小，全向性增加。

表5 天线参数与金属板弯曲程度的关系

1.3 金属障碍物的影响

在仿真软件中进行设置，将天线（图3中红色）放置于金属平面上（图3灰色），并且在天线附近放置金属障碍物。通过改变金属障碍物的参数，分析天线参数的变化［7］。

图3 天线附近存在金属障碍物的仿真场景

1）与障碍物的距离影响。在仿真软件中改变天线与金属障碍物的距离。仿真结果见图4和表6。可以看出：①由于障碍物的影响，天线辐射方向图不再对称，靠近障碍物的一侧，天线主瓣增益变小，远离障碍物的一侧，天线主瓣增益变大；天线旁瓣增益变小；②与无障碍物相比，障碍物的存在使得天线的VSWR增大，表明金属障碍物改变了天线的输入阻抗，使得阻抗不匹配，信号在天线端口的能量损耗增加。

表6 天线参数与障碍物距离的关系

图4 与障碍物不同距离时天线方向图

2）障碍物的高度影响。在仿真软件中改变金属障碍物的高度，得到仿真结果见图5和表7。可以看出：随着障碍物高度的增加，靠近障碍物的一侧（图中右侧），天线辐射增益减小，远离障碍物的一侧（图中左侧），主瓣增益增加；主瓣方向增大，即实际工程中主瓣方向更加靠近车顶水平平面；主瓣宽度随障碍物高度增加逐渐减小，表明天线辐射的方向性增强。

表7 天线参数与金属障碍物高度的关系

图5 金属障碍物不同高度时天线的方向图

2 天线隔离度的理论分析

本节从理论上分析了2个车载通信终端互不干扰所需的天线隔离度。

假设系统工作在Band31频段，即下行频率为462.5 M～467.5 MHz，上行频率为452.5 M～457.5 MHz。考虑动车组安装的2个车载通信终端，其中终端1接收基站发射的下行信号，终端2向基站发送上行信号，终端2对终端1造成干扰，两车载终端的干扰场景见图6。为保证终端1正常工作，所需干扰隔离度的计算公式为

图6 两车载终端的干扰场景

式中：Pint为终端2的发射信号在终端1的接收频段内的杂散干扰功率；Ltx为终端2与天线2间的馈线损耗；Lrx为终端1与天线1间的馈线损耗；Pmax为终端1在正常工作的前提下，能承受的最大干扰功率。

1）杂散干扰Pint。车载终端的发射信号是非理想的。发射机频谱见图7，信号的主要能量集中在信号带宽内，但在信号带宽之外存在杂散干扰。杂散干扰包括带内杂散和带外杂散。带内杂散是由于调制过程和发射机中器件的非线性特性而产生的无用发射功率。根据3GPP国际标准定义［8］，Band 31的带内杂散功率限制见表8，其中频率范围是相对信号带宽边缘的频率而言的。由于Band 31的下行频率与上行频率相差5 M～10 MHz，因此只考虑带内杂散，而不关注带外杂散区域。

图7 发射机频谱

根据表8，可以计算出车载终端2在频段452.5 M～457.5 MHz发射信号时，落在车载终端1的接收频段462.5 M～467.5 MHz内的杂散功率

表8 Band31带内杂散功率限制

式中：P5～6为落在462.5 M～463.5 MHz频段内的杂散干扰功率；P6～10为落在463.5 M～467.5 MHz频段内的杂散干扰功率。

2）馈线损耗Ltx和Lrx。按照实际工程应用的经验值，发射端和接收端的馈线损耗都设为3 dB。

3）车载终端1能承受的最大干扰Pmax。Pmax的取值与终端1和基站的距离，即终端1的信号功率R SR P和信干噪比S I N R有关。当终端1在小区边缘时，RS RP和S INR最小，需要的干扰隔离度Piso最大。因此，以终端1位于小区边缘为例，计算Pmax。根据2018年京沈试验结果［9］，小区边缘的R SR P最小典型值为-95 dBm，SIN R的最小典型值为-12 dB。所以

式中：Ps为信号功率。

综上所述，Piso=Pint-Ltx-Lrx-Pmax=(-12.02-3-3-(-58.23))=40.21 dB。

值得注意的是：通信系统的R SRP值是指参考信号在一个资源粒子（RE）上的平均功率，而京沈试验通信系统的带宽为5 MHz，共有25个资源块，每个资源块有12个子载波，共有25×12=300个资源粒子。因此，需要根据R SR P值换算通信系统在5 MHz带宽内的信号总功率。

在实际工程应用中，车载终端设备杂散指标通常优于表8中的3GPP标准定义，因此理论值Pint大于等于实际杂散干扰功率。此外，在小区边缘场景下，实际车载终端可能承受更大的干扰，因此，Pmax小于等于实际干扰值。因此，计算结果Piso=40.21 dB，大于等于实际所需的干扰隔离度。为确定准确的干扰隔离度，需在实验室环境下进行杂散干扰的测试工作。

3 车顶天线干扰隔离度仿真和测试

在仿真软件中分别以450 MHz单极子天线和偶极子天线为例，仿真金属平面上的2根天线在不同间距情况下的隔离度；仿照动车组车厢结构搭建试验平台，测试天线在车顶平面上的真实干扰隔离度［10］。

3.1 软件仿真

在仿真软件中进行设置，将2根天线（图8中红色）放置于金属平面上（图8灰色），通过改变2根天线的距离，仿真天线干扰隔离度的变化。金属平面的尺寸设置为3360 mm×5000 mm。分别仿真偶极子天线和单极子天线2种情况，天线的物理参数见表9。

图8 2根天线的隔离度仿真场景

表9 天线物理参数

在仿真软件中改变天线的距离，得到仿真结果见表10。可以看出，由于金属平面对信号的反射以及对天线V SWR的影响，天线在相同距离下的隔离度小于自由空间模型下的理论值（无金属平面等任何障碍物）。

表10 天线间隔离度随距离的变化

3.2 试验台测试

仿照动车组车厢的结构和尺寸搭建的测试平台见图9。利用信号发生器、频谱仪、网络分析仪等设备，测量天线在不同间距下的隔离度。

图9 测试平台

3.3 结果比较

将两天线隔离度的仿真结果与测试结果进行比较，得到如图10所示的结果。可以看出：①随着天线间距的增加，天线间的隔离度不断增大；②存在金属平面时，相同距离的天线的隔离度小于自由空间模型的理论值，表明动车组车顶平面会使车载通信系统间的干扰增大；③单极子天线的仿真结果与理论值较好地吻合，验证了仿真结果的合理性；④要达到30～40 dB的隔离度，且综合考虑动车组车顶有限的空间尺寸，2个450 MHz频段天线的合理间距为2.5～3.5 m。需要注意的是，该结果是结合理论计算获得的，准确的干扰隔离度和天线间距取值需通过实验室杂散干扰测试进一步确定。