列车设备近距离射频干扰测试与应用研究

陈 思，张 坤，刘庆彬

（1.中车南京浦镇车辆有限公司，江苏 南京；2.深圳市电联通科技有限公司，广东 深圳）

引言

在5G 通信和物联网通信技术爆发式应用的场景下，移动式和固定式射频发射机的分布也越来越密集，同时产生的射频干扰问题也越来越多。2012 年，国际标准组织委员会(ISO)发布了《ISO 11452-9 道路车辆 电气电子部件对窄带辐射电磁能的抗扰性试验方法 第9 部分 便携式发射机模拟法》[1]，用于评估移动无线发射机对道路车辆干扰的性能测试，也是国际上第一部有关于便携式射频发射机干扰的测试标准。随着无线通信的快速发展，在2019 年国际标准组织更新了ISO 1145-9,新增加3 GHz 以上的频段，包含了5G WIFI、4G 和5G 通信的主要通信频段。

2017 年，国际电工委员会(IEC)SC77B 通过了针对电气和电子设备的近距离辐射抗扰度测试的基础标准：《IEC 61000-4-39:电磁兼容性（EMC）:第4-39 部分 测试和测量技术 近距离辐射场抗扰度试验》，对于常规电气电子设备的射频抗干扰测试有了指导性标准文件。

2021 年美国电子和电气工程师协会（IEEE）开始研究移动射频干扰对于轨道交通通信和电子设备的干扰，同年起草了IEEE P2965 标准第1 版本的测试方法技术文件和技术研究报告。至2023 年4 月已经完成第4 版本的更新，不断的优化测试方法的准确性和可执行性方案，确保列车的质量和性能符合设计的标准和规范。

1 列车近距离射频干扰

列车的射频干扰来源主要有三个方面，一是车辆内部的电子设备，例如电源系统，逆变系统，控制系统等；二是雷电和列车弓网高速运行时产生的干扰，由于列车高速运行及线路的不平顺，弓网触点的位置也会产生射频干扰；三是周围的无线通信设备，例如对讲机、手机、无线网卡、玩具遥控器等无线射频发生器[2]。其中来源一的干扰源位置是比较固定，干扰问题在设备联调时就可以发现，且具备整改优化的条件；来源二来自自然界和高速运动，随机不可控制，但是雷击和接触网的冲击也可以通过数据模型实现模拟，也可以在实验室进行测试；来源三的射频干扰功率不大，但是频率范围广泛，而且随机性高，干扰源的类型繁多，可控性差。各个电子组件可以在实验室进行验证，但是整车各个系统间也会相互干扰，只能在整车总装调试后进行测试验证。

列车的这些射频干扰源，从电磁波传播原理上可以分为近场干扰和远场干扰，近场是指在发射源附近，电场和磁场波动效应比较复杂，传播方向也非直线传播；远场是指电磁波的辐射效应明显，遵从磁场或者电场传播规律，主要以直线传播。

以偶极子天线为例，远场可以定义为距离大于λ/(2π)[3]的区域，其中λ 是波长，单位m。近场为距离发射源小于λ/（2π）的区域。例如GSM 900 上行通信频段为890 MHz 至915 MHz，如果通信频率是900 MHz，那么近场和远场的分界距离代入公式计算为：

距离发射源53 mm 以上为远场干扰，距离发射源53 mm 以内为近场干扰。GSM 900 的终端发射机最大功率为33 dBm，根据功率与场强的公式推导：

式中：P 是功率，单位W；E 是场强，单位V/m，r 是半径，单位是m。

可以计算出在900 MHz，距离发射源50 mm 距离的理论场强154.9 V/m。

目前的轨道交通测试标准GBT 24338.5：2018[4]中对于射频干扰的测试方法，是采用基础标准GB/T 17626.3:2016 的均匀域测试法，该方法能够模拟固定式发射机产生的场强，用于检验设备进入场强范围内时的抗扰能力，适用于尺寸较小的设备或者列车零部件，其测试等级和数字信号模拟都与现在的数字通信有较大的差异。

2 测试方法

新标准基于移动发射机的实际发射功率和通信调制方式不同，根据频段常用通信调试方式定义为测试的调制方式，依据通信标准规定的最大发射功率，定义为最大测试等级，测试更接近于实际设备运行情况。另外标准定义了两种测试方法，可以根据被测设备的实际情况进行调整。

方法1：主要应用于小型设备或者列车的零部件，表面相对规则的被测样品。操作方法如下：

（1） 选择被测设备的敏感面，放置发射天线距离被测样品表面5 cm。

（2） 调整发射设备输出功率到该频点的测试功率，然后打开对应的调制方式，产生干扰信号，记录被测设备的工作状态。

在生成网络G中，首先需要对文本描述t进行编码，在这里，使用了Word-CNN-LSTM模型来对文本做编码。文本编码后经过一个全连接层压缩到一个较小的维度（128维），然后使用Leaky-Relu激活，并与输入图像x进行拼接。最后再将其输入到正常的反卷积层进行图像生成。

（3） 缓慢移动发射天线，观察记录被测样品的工作状态，直到覆盖被测设备表面需要测试的全部点位。

（4） 更换测试频率，重复步骤（2）和步骤（3），直至测试完所有规定频率。

（5） 更换被测设备表面，重复步骤（2）、步骤（3）和步骤（4），直至完成所有需要测试的点位。

（6） 依据记录样品工作状况，输出测试结果报告。

宫格扫频测试法见图1。

图1 宫格扫频测试法

方法2：主要应用于大型的固定式设备和整车试验，具体操作如下：

（1） 在被测设备上划定射频敏感区域，然后把敏感区域按天线覆盖范围规划测试点位（敏感区域天线尺寸可以全覆盖则规划一个点位即可）。

（2） 布置发射天线到敏感区域的一个测试点位，距离被测设备表面5 cm。

（3） 测试设备设置到初始频率，然后调整输出到目标测试等级功率，驻留至少1 s，或者被测样品监测数据完成一个周期，观察被测设备的运行状况。

（4） 测试设备依据步进调整到下一频率，重复步骤（3），直至到结束频率。

（5） 然后移动发射天线至下一测试点位，重复步骤（3）和步骤（4），直至完成当前敏感区域。

（6） 移动设备和发射天线至下一敏感区域，重复步骤（3）、步骤（4）和步骤（5），直至完成所有敏感区域。

（7） 根据记录的测试结果，输出测试报告。

3 测试与应用

对于列车设备来说，制动控制装置、电力传动装置、空调系统、监控系统、集中调度系统、列车自动运行系统、无线通信系统、广播、电话系统、闭路电视监控系统等都是容易受到射频干扰的系统。制动控制装置和电力传动装置多数都在车体底部，不容易受到近

距离辐射干扰，空调系统一般也在客室两端封闭空间内，受近距离干扰的概率也较小。所以容易受到射频近距离干扰的装置主要是：驾驶室和客室的监控摄像头、显示屏、通信、广播及紧急通讯装置等设备。列车设备的近距离干扰测试，先要根据车辆配置的功能和系统位置情况，制订出详细的测试大纲，并记录每个位置测试结果异常时的频率、等级、调制方式，异常现象的详细情况。

3.1 现场测试布置

本次测试依据标准规定的宫格扫描法进行测试，逐步对测试大纲里规划的敏感区域进行测试。尺寸较大的敏感区域，例如图2，按40 cm×40 cm 尺寸划分为6 个测试点位，每个点位天线做垂直极化和水平极化的干扰发射。敏感区域尺寸小的位置，例如图3，整个区域小于30 cm×30 cm，用一个测试点位，天线中心对准敏感区域中心，符合全部区域即可。

图2 客室PIS 屏测试

图3 语音播报系统测试

3.2 现场测试中遇到的困难和问题

（1） 对于380 MHz 及以下频率的测试天线尺寸较大，现场不容易控制距离，特别是在车厢角落位置时，双锥天线的方向性比较明显，不同位置场强差异较大，天线转动极化时因为场地限值导致敏感区域的场强有变化。

（2） 列车敏感点的位置有高有低，测试时天线的角度和距离控制不太精确，长时间测试需要便携的辅助天线夹具。

（3） 列车敏感区域工作原理不同，验证对应区域需要的驻留时间长短不统一，测试计划中的驻留时间只能按较长时间统一规划，导致整体测试时间加长，比如门控系统。

（4） 不同频率天线尺寸不同，覆盖的区域面积大小也不一样；测试过程中需要更换天线，小尺寸天线覆盖到区域周边的场强差异较大，测试的结果可能会因为天线边界的影响产生差异。

800 MHz 时天线覆盖范围见图4。5 GHz时天线覆盖范围见图5。

图4 800 MHz 时天线覆盖范围

图5 5 GHz 时天线覆盖范围

（5） 列车上敏感区域的金属材料较多，电磁波的反射情况不一致，测试过程中发现设备的驻波波动较大，说明不同频率和位置输出同样功率的干扰信号，实际被测样品感应到的场强值也是有差异的，对实际的电磁场强是有一定影响。

测试点位11 驻波见图6。测试点位12 驻波见图7。

图6 测试点位11 驻波

结束语

本文对列车设备的近距离射频干扰测试方法进行了现场的验证，为列车产品的新标准推广和实施提供了参考依据，同时也提出了测试过程中方法实施和设备运用上遇到的局限性。未来的研究可以在测试天线选型、测试精度和应用效率方面进一步优化，以更全面更准确的推动列车产品的技术创新和产业发展[5]。