地铁司机室射频电磁环境的测量与模拟对比

周文颖,逯 迈,李 瑾,张 启

(兰州交通大学 光电技术与智能控制教育部重点实验室，甘肃 兰州 730070)

目前全国在建的地铁里程为4448 km，保守预期十三五期间新投入的运营里程可达3000 km以上，地铁已成为城市轨道交通的重要组成部分。不同频段的地铁无线通信系统天线被用于列车调度控制信息的传输，是地铁主要的射频电磁辐射源，其中主要包括基于欧洲陆地集群无线电标准的专用无线通信(Trans-European Trunked Radio, TETRA)系统天线[1]，列车自动控制(Communication Based Train Control System, CBTC)系统天线[2]，基于乘客信息的车地无线通信(Passenger Information System, PIS) 系统天线[3]，以及警用的无线通信系统天线。高效的信号传输不仅可以实现地铁的统一指挥调度，保证列车的运行安全，也可以大大提高地铁的运载能力。但微波频段的电磁干扰[4]会导致无线通信设备之间发生信息传输故障，对地铁的运行产生重大的安全影响[5]。因此，地铁无线通信系统和控制信号系统之间的电磁兼容性是地铁安全、高效的重要保障。

电磁兼容不仅需要考虑电子设备抵御外界电磁场的干扰能力[6]，防止对其他的设备系统产生电磁骚扰[7]，还要考虑对周围的环境和人造成电磁辐射影响[8-9]。已有的地铁电磁环境测量大多集中在地铁隧道内信号的覆盖[10]和传播特性[11]，或基于某单个系统信号的传输问题[12]，然而地铁的射频电磁辐射源主要集中在司机室内外，电磁干扰不仅会直接影响控制台和地面调度中心间的无线通信，对地铁的正常运行造成潜在的安全隐患，也会使地铁司机一直暴露于射频电磁环境中，遭受可能的健康危害[13]。仅从隧道内部和高架路段上测量时，电波传输到接收天线可等同为理想的自由空间，并不能直接反映出地铁司机室内射频电磁场的分布情况[14]。可见，明确不同辐射源对司机室内射频电磁场的变化影响，评估地铁司机室的射频电磁环境的安全性是一项具有现实意义的课题。

由于地铁司机室内的主要射频辐射源是TETRA系统天线和CBTC系统天线，明确这2种射频辐射源下司机室内的射频电磁环境，需要对司机室内电场强度的分布情况进行量化分析。本文首先运用频谱分析仪和电场强度分析仪对地铁司机室在运行过程中2种系统天线信号的功率电平进行实地测量，分析它们单独辐射下司机室内电场强度的分布情况。再运用3维高频电磁结构仿真(High Frequency Structure Simulator，HFSS)软件[15]，分别模拟它们单独和共同辐射下地铁司机室内的电场强度分布。对比分析电场强度的测量与仿真结果，并与国际电磁安全暴露标准进行比较，可以进一步明确地铁司机室内射频电磁场的变化情况，并及时预见地铁不同射频信号间可能产生的电磁干扰、增强列车的无线通信信号传输质量、提高地铁的运行效率、评估司机室射频电磁环境的安全性，为提升整个无线通信系统的电磁兼容性提供有效保障。

1 测量方法和仿真软件

1.1 测量目标

(1)TETRA系统天线的工作频率范围为806～876 MHz，该天线安装在司机室车顶外部的中心位置，负责收发地铁指挥中心与列车之间的调度信息，对列车的行车过程进行监督。

(2) CBTC系统天线，工作在2.4～2.48 GHz频段，该天线的安装位置与轨旁通信天线的安装位置一致。当轨旁通信为隧道壁上方的AP (Access Point)八木天线时，CBTC系统天线安装在司机室内顶部；当轨旁通信为漏缆时，CBTC系统天线安装司机室车体外底部；当轨旁通信采用AP与漏缆混合使用的方式时，CBTC系统天线既要安装在司机室内顶部，也要安装在司机室车体外底部。本文测量的地铁CBTC系统天线采用的是第1种安装方式，CBTC安装在司机室内顶部，采用双天线结构，负责与隧道内壁上方的AP八木天线进行信息传输，实时接收列车自动控制命令及时发送当前列车的状态信息，实现自动控制信息的双向传输。

1.2 测量设备

鉴于地铁司机室的空间有限，测量过程中携带的测量设备为：RIGOL DSA832E型频谱分析仪，德国COLIY E73型高频电磁场强度频谱分析仪，滤波器带宽的范围分别为10 Hz～1 MHz和1 kHz～50 MHz。测量过程中，RIGOL DSA832E型频谱分析仪使用的接收天线为偶极子全向天线，其工作频率为10 MHz～3.2 GHz，增益为5 dB，天线高度为45 mm；COLIY E73型高频电磁场强度频谱分析仪使用的接收天线为对数周期天线，其工作频率为1 MHz～9 GHz，增益为5 dB，天线高度为28 cm，天线系数为22～44 dB·m-1，标准阻抗为50 Ω。在现场测试前，对2台设备进行校准验证。

1.3 测量方法

根据已有的地铁电磁环境测量方法[16]，制定具体的测量步骤如下。

(1)携带2台测试设备及接收天线进入地铁司机室，按图1连接测试设备。

图1 测试设备连接图

图1中2台测试设备的接收天线可以调整高度和接收方向，由于测量过程中地铁司机室一直处于正常的运行状态，为了使测量设备进入稳定的工作状态，需要通电几秒钟进行预热。

(2)测量时采用定向测量方法，由于地铁站点间隔仅为4 min，为了保证测量精度，设置扫频范围700 MHz～3.4 GHz，频率带宽为2 700 MHz，完全覆盖了被测天线的工作频率范围。根据测量过程中设备的响应速度，将2台设备的滤波器带宽分别设置为100 kHz和1 MHz，记录行驶过程数据需要在4个站点来回反复几十次，设置扫频时间为5 ms～1 s。

(3)由于TETRA系统天线和CBTC系统天线均为垂直极化，实测过程中将对数周期天线进行水平、垂直以及多角度放置，以接收来自不同方向、不同极化方式的辐射能量。

(4)因为直接由设备测量到的电场强度是测量设备天线接收范围内所有射频辐射源共同作用下的复合电磁环境。为了更好地分析不同射频辐射源对司机室内电磁环境的影响，先分别评估不同频段系统天线单独辐射作用下司机室内电场强度的分布情况。可通过测量不同频点信号的功率电平Pr，根据式(1)将功率电平Pr转换为接收设备天线接收到的电磁场入射功率密度Pd，单位为W·m-2。

(1)

式中：G为测量设备接收天线增益对应的数字值；λ为测量设备接收到的信号频率对应的波长。

由于测量设备接收天线的增益为5 dB，计算其数字值G=105/10=3.16。再通过式(2)，将入射功率密度Pd转换为空间电磁环境的电场强度E，单位为V·m-1。

(2)

(5)测量环境包括隧道和高架路段，如图2所示。测量司机室内的射频电磁场，不用在车外或高架段另外设置接收天线，避免地铁车身对电磁波的传播损耗。

图2 测量环境

1.4 仿真软件

HFSS软件已被广泛应用于射频微波元件、天线设计、雷达、电磁兼容等领域[17]， HFSS软件采用四面体网格剖分，基于趋肤效应、频变材料和介质损耗等材料特性，能够精确地求解三维电磁场中的复杂结构问题。HFSS的核心算法是有限元法[18]，能够解决频域中的大型复杂问题，如汽车、飞机、战舰、地铁的天线布局和电磁兼容问题[19]。

随着公众对射频电磁辐射危害的关注，评估工作人员和乘客在轨道交通工具中射频电磁暴露安全性的研究越来越多[20]。由于人体内的辐射剂量不能直接被测量，主要通过电磁剂量学进行模拟研究。因此，HFSS软件也越来越多地被应用于射频电磁环境的仿真模拟中，比如无线通信天线为对周边环境和电子设备的电磁干扰[21]以及人体的射频电磁暴露安全评估[22]。

仿真时运用HFSS软件对TETRA系统天线和CBTC系统天线辐射下的地铁司机室进行建模仿真，对比地铁司机室内的实际测量数据，进一步明确地铁司机室内电场强度分布，评估地铁司机室射频电磁暴露的安全性。

2 实地测量与建模仿真的对比

2.1 地铁司机室射频电磁环境的测量

测量地铁在运行过程中司机室内TETRA系统天线和CBTC无线通信子系统的信号强度，运用DSA832E型频谱分析仪测量2个频段信号瞬时功率电平的屏幕截图如图3所示。

运用E73型高频电磁场强度频谱分析仪测量2个频段信号瞬时功率电平的屏幕截图如图4所示。

图3 DSA832E型频谱分析仪测量时的屏幕截图

图4 E73型高频电磁场强度频谱分析仪测量时的屏幕截图

根据测量数据整理地铁司机室在不同运行区间内，统计2台测量设备在17:25—18:15时间段内同时接收到的TETRA系统天线和CBTC系统天线信号的功率电平，得到每一种系统天线单独辐射作用下司机室内的电场强度见表1。

表1司机室TETRA系统天线和CBTC系统天线信号的功率电平和电场强度

TETRA系统天线信号CBTC系统天线信号测量频率/MHz功率电平/dBm电场强度/(V·m-1)测量频率/MHz功率电平/dBm电场强度/(V·m-1)869-43.000.0252 442-49.690.032864-52.290.0082 416-53.370.021864-54.000.0072 437-46.000.049865-49.270.0122 410-50.680.028866-44.850.0202 476-55.760.016869-30.220.1092 411-45.700.051869-33.560.0742 453-37.870.127864-45.000.0192 437-46.000.049864-48.290.0142 405-39.730.101864-54.910.0062 448-38.770.115

由表1可见：由于测量过程中受到外界条件变化和列车运行速度的影响，TETRA系统天线信号的功率电平变化范围为-54.91～-30.22 dBm，最大值和最小值相差1.8倍；CBTC系统天线信号的功率电平变化范围为-55.76～-37.87 dBm，最大值和最小值相差1.5倍。

2.2 地铁司机室射频电磁环境的建模仿真

TETRA系统天线的型号为RC1，CBTC系统车天线的型号为2701A006，2种天线的辐射性能指标见表2。

表2 天线的辐射性能参数

根据层叠微带八木天线的工作原理，在HFSS软件中建立1个由6层圆盘组成的微带八木天线，作为TETRA系统天线的等效辐射源，圆盘贴片所在的介质板相对介电常数为4.4 mm，长度和宽度均为120 mm，厚度为1.55 mm，具体结构如图5所示。

图5 TETRA系统天线结构图(单位：mm)

运用HFSS软件设计7单元准八木天线作为CBTC系统天线的等效辐射源，选取相对介电常数为3.3，长度为175 mm、宽度为80 mm、厚度为1mm的介质板。天线结构模型如图6所示。

为了尽可能准确地反应实地测量到的司机室内射频电磁场的变化情况，按照实地测量的位置，沿着司机室内部的横向和纵向，布置9条间隔400 mm的测试线，测试线的高度与司机室的高度一致，地铁司机室内测试线分布如图7所示。

图6 TETRA系统天线结构图 (单位：mm)

图7 司机室测试线分布示意图 (单位：mm)

TETRA系统天线单独作用时，9根测试线上电场强度分布的仿真结果如图8所示。

图8 TETRA系统单独辐射下9根测试线上电场强度的分布

由图8可知：电场强度的最大值区域主要分布在测试线2上，其峰值为0.12 V·m-1；电场强度在其余8根测试线上的分布区域较为一致，主要分布区间为0.008～0.1 V·m-1，电场强度的最小值为0.005 V·m-1。

CBTC系统天线单独作用时，9根测试线的仿真结果如图9所示。

由图9可知：电场强度的最大值区域主要分布在测试线3上，其峰值为0.13 V·m-1；电场强度在其余8根测试线上的分布区域较为一致，主要分布区间为0.02～0.1 V·m-1，电场强度的最小值为0.015 V·m-1。

TETRA系统天线和CBTC系统天线共同作用时，地铁司机室内的中心平面仿真结果如图10所示。

图9 CBTC系统单独辐射下9根测试线上电场强度的分布

图10 地铁司机室中心平面的场强分布

由图10可知，2种辐射源同时作用下，地铁司机室内的电场强度峰值为0.19 V·m-1，主要分布在TETRA车顶天线周围，司机室内的电场强度集中范围为0.01～0.14 V·m-1。

3 地铁司机室射频电磁场环境的安全评估

将测量结果与国际非电离辐射防护委员会(International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection, ICNIRP)制定的《限制时变电场、磁场和电磁场暴露的导则(300 GHz以下)》[23]中的电场强度暴露限值进行比较，评估地铁司机室的射频电磁暴露的安全性。由于司机室是地铁司机的工作区域，故只需要考虑司机室的职业电磁暴露的安全性。

ICNIRP导则在600 MHz～6 GHz的时变电场和磁场暴露的职业暴露限值定义为：400～2 000 MHz频段中的不同频率f对应的电场强度暴露限值(参考限值)的计算公式为：3f1/2(f为400～2 000 MHz频段中的任意1个频率)；2～300 GHz频段中的任意1个频率对应的电场强度暴露限值(参考限值)为137 V·m-1。将测量结果与ICNIRP职业暴露限值(参考限值)进行比较，见表3。表中，“/”前为TETRA系统天线的相关参数值，“/”后为CBTC系统天线的相关参数值；“相差倍数”为职业暴露限值与电场强度的比值。

由表3可见，TETRA系统的电场强度低于ICNIRP职业暴露限值811倍以上，CBTC系统的电场强度测量值低于ICNIRP职业暴露限值1078倍以上，证明地铁司机室在这2个系统作用下的射频电磁暴露是安全的。

表3单频率电场强度测量结果与ICNIRP职业暴露限值(参考限值)的比较

测量频率/MHz电场强度/(V·m-1)职业暴露限值/(V·m-1)相差倍数869/2 4420.025/0.03288.44/1373 538/4 281864/2 4160.008/0.02188.18/13711 023/6 524864/2 4370.007/0.04988.18/13712 597/2 795865/2 4100.012/0.02888.23/1377 353/4 893866/2 4750.020/0.01688.28/1374 414/8 562869/2 4100.109/0.05188.44/137811/2 686869/2 4530.074/0.12788.44/1371 195/1 078864/2 4370.019/0.04988.18/1374 641/2 795864/2 4050.014/0.10188.18/1376 299/1 356864/2 4480.006/0.11588.18/1371 4696/1 191

4 结 论

(1) TETRA系统天线辐射下，实测地铁司机室内电场强度分布区间为0.006～0.109 V·m-1，对应的仿真结果为0.005～0.12 V·m-1，仿真结果与测量数据的误差范围为10%～16%；CBTC系统天线辐射下，实测地铁司机室内电场强度的分布区间为0.016～0.127 V·m-1，对应的仿真结果为0.015～0.13 V·m-1，仿真结果与测量数据的误差范围为2.4%～6.3%。验证了HFSS软件对地铁司机室射频电磁环境进行电磁暴露安全评估的可靠性。

(2) TETRA系统天线和CBTC系统天线共同作用下，地铁司机室中心平面横截面和纵截面的电场强度分布范围为0.01～0.19 V·m-1。说明不同系统天线共同辐射作用下形成的射频电磁波，并不会使司机室内的电场强度发生较大的变化。

(3) 与ICNIRP导则中电场强度的职业暴露限值进行对比，TETRA系统天线单独作用下，地铁司机室内的电场强度比对应的ICNIRP电磁暴露参考限值低811倍以上；CBTC系统天线单独作用下，地铁司机室内的电场强度比对应的ICNIRP电磁暴露参考限值低1 078以上；2个系统共同作用下，地铁司机室内的电场强度峰值为0.19 V·m-1，比ICNIRP导则400 MHz～300 GHz频段内的最大暴露限值137 V·m-1低720倍以上；上述结果表明，无论是在单辐射源作用下还是在2种辐射源共同作用下，地铁司机室的射频电磁环境仍然是安全的。

(4) 在地铁实际运行环境中，除了地铁专用通信系统的射频电磁辐射源外，还有民用无线通信系统的射频电磁辐射源，对PIS系统及民用通信系统的测量数据有待进一步完善，论文后续工作是对由多种辐射源构成的复杂地铁射频电磁环境进行安全评估。