铁路多业务车载通信天线设计概述

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摘 要 随着铁路技术突飞猛进的发展，铁路车载通信业务需求也越来越多。在机车顶部空间有限、天线安装位置紧张的情况下，为保证车载既有业务设备及规划业务设备的通信需求及各天线间的隔离度需求，需对机车天线进行统一规划整合。本文将结合既有350Km动车组机车天线安装方案，根据车载既有业务设备及规划业务设备的通信需求，提出天线整合方案，并通过仿真进行隔离度验证，最后给出天线设计方案及仿真结果。

关键词 车载通信;整合方案;隔离度;天线设计

引言

随着铁路技术突飞猛进的发展，铁路车载通信业务需求也越来越多。为解决业务需求与机车顶部空间有限、天线安装位置紧张的矛盾，目前通常采用多频段机车天线与多频段合路器的组合方案，通过共用天線方式基本满足了既有业务设备的正常通信。然而随着LTE-R网络的规划建设，在进行车载业务规划的同时，必然需要增加新的天线。以350Km动车组为例，既有设备所需天线数量为16个，规划业务设备新增天线数量为8个，为满足各天线间的隔离度要求，动车组顶部只能提供8个天线的安装位置。如此众多的天线想在现有的天线型号、天线布局条件下实现天线应用性能是几乎不可能的。为保证车载既有业务设备及规划业务设备的正常通信，我们对车载通信业务进行了梳理，对机车天线进行了整合、设计，并通过HFSS软件对天线隔离度及主要技术指标进行了验证，达到了预期效果。

1 天线整合方案

经过梳理，350Km动车组车载通信业务需求如表1所示（既有业务及规划业务），共计需要24个天线。如果采用原有的共用天线方案进行解决，必然会使用到大量的功分器。然而功分器的应用必然会降低业务设备的接收功率，影响设备的正常通信。如果我们能够按照天线频段及业务类型进行整合，对天线进行重新设计，既能最大限度地减少机车顶部天线安装数量，又能满足车载业务通信的需求，这必然会对今后的工程应用起到极大的推动作用。

1.1 天线整合方案

我们对表一中的通信业务类型按照通信频段进行组合，450MHz天线（450-470MHz）需要6个，800MHz天线（821-869MHz）需要1个，GSM-R天线（885-889MHz/930-934MHz）需要8个，卫星定位天线需要6个，公网天线（GSM 900/1800/LTE频段）需要2个，WLAN天线（2400-2483.5MHz）需要1个。进一步研究后我们发现，450MHz天线和GSM-R天线、卫星定位天线需求数量相近，且450MHz天线和GSM-R天线频率基本成倍频关系，这对天线设计是非常有利的，因此我们完全可以将450MHz天线、GSM-R天线、卫星定位天线整合在一起。800MHz天线与WLAN天线频率成3倍频关系，也可以进行组合应用。公网天线一般需要与卫星定位天线组合使用。因此我们定义了三种类型的机车天线，分别是DTX-V、DTX-VI、DTX-VII[1]，天线整合方案及所需天线数量见表2。

从表2可以看出，天线所需数量只需要6个，方案中也不需要使用合路器和功分器，简化了天线安装的难度，为今后的工程应用带来了极大的便利。

根据天线整合方案及天线数量，我们对350Km动车组车顶天线安装位置进行了优化及布局，优化方案如图1、图2所示。

我们通过HFSS仿真软件对优化方案的天线隔离度进行了验证，限于篇幅，我们只能给出相应的结论，仿真数据不在此罗列。通过仿真我们可以得出如下结论，优化后的车顶天线布局，天线隔离度均大于30dB，能够满足工程应用的需求。

1.2 天线设计

从表2我们可以看出，为了满足车载通信业务需求，天线同一频段均需要提供两个端口，这就需要我们设计一款宽频带高增益天线[2-4]。通过研究后我们认为，组合阵列天线完全能够满足车载通信业务的需求。图3给出了DTX-V型天线阵列结构示意图及天线组合框图，DTX-VI、DTX-VII型天线可以参考该方案进行设计。

通过计算我们可以知道，DTX-V型天线在450MHz频段增益为6.23dB（单端口），方向图不圆度为1.1dB，在900MHz频段天线增益为6.16dB（单端口），方向图不圆度为1.5dB，基本达到了原有多频段机车天线的技术要求[1]。

2 结束语

从前面的分析我们知道，采用DTX-V、DTX-VI、DTX-VII型天线整合方案，通过优化车顶天线布局，既能满足车载既有业务设备及规划业务设备的通信需求，又能满足天线隔离度需求，最大限度减少了车顶天线的安装数量。天线设计采用天线阵列设计方案，天线各项指标均能满足原有多频段机车天线的技术条件，希望本文能给今后的工程实践带来一定的指导作用。

参考文献

[1] 佚名.多频段机车天线技术规范[ED/OL].https：//wenku.baidu.com/view/c8cc87cf83d049649a665822.html，2014-05-04.

[2] 周朝栋.天线与电波[M].西安：西安电子科技大学出版社，1994：57-59.

[3] 周朝栋，王元坤，周良明.线天线理论与工程[M].西安：西安电子科技大学出版社，1988：101.

[4] 周朝栋，杨恩耀.电小天线[M].西安：西安电子科技大学出版社，1990：12.

作者简介

周荣生（1971-），毕业院校：苏州大学，专业：电子与通信工程专业，学历：工程硕士，高级工程师，现就职单位：中国铁路通信信号上海工程局集团有限公司。