一种适用于高铁动车组的新型车载四端口组合天线

刁文海

北京新府学外国语学校 北京 101399

引言

高速铁路作为现阶段我国重要的交通方式，具有显著的优势，缩短了旅客的出行时间，产生了巨大的社会效益，促进了铁路沿线地区的经济发展。电信运营商早已将高速铁路的2G/3G/4G网络覆盖作为建设的关键场景。随着手机流量无限制套餐的普及和高铁客流的快速增长，对高铁4G/5G移动通信有巨大需求。经过近几年的网络建设，高铁网络覆盖质量总体较好，基本能够满足客户需求[1]。GSM-R（Global System for Mobile Communication）是一项用于铁路通信及应用的国际标准，完成列车和调度中心的通信，该系统基于GSM和EIRENE-MORANE，当车速高达500km/h时，也不会丢失任何通信。中国铁路频段的上行频率为885～889MHz，下行频率为930～934MHz[2]。本文主要从多天线组合和超宽频带两个方面介绍新型高铁动车组车载天线。一方面通过将GSM移动通信天线、GSM-R天线、GNSS（Global Navigation Satellite System）卫星导航天线、WiFi天线统一集成在一套车载天线外罩内，提高各天线之间的隔离度，减少彼此之间的相互影响。另一方面提升动车组列车车载天线的工作带宽，可涵盖通信和导航全部工作频段，提高系统的可靠性。移动通信系统包括2G/3G/4G/5G的所有频段和WiFi系统；导航天线将涵盖目前GNSS四大卫星导航系统的天线：GPS、北斗、GLONASS和伽利略导航天线。本文介绍一种可用于GSM-R频段、5G-R频段、公网频段和GNSS频段的新型车载四端口组合天线。

1 动车组车载四端口组合天线

高铁动车组列车前端顶部和后端顶部可安装3G、4G、5G、GPS、北斗及WiFi多频段车载组合天线。对于高速行驶的动车组，铁路线附近的基站可能出现在车辆的前后左右，要求其车载天线具有较好的全向辐射特性，尤其要求天线在车头和车尾方向有较强的辐射能力。

在相同的输入功率条件下，车载天线在某方向(θ，φ)的辐射场强平方值与无方向性天线的辐射场强平方值的比值，称为该方向的方向性系数。即：

目前，新型外置车载天线可涵盖GPS、GLONASS、BDS、GALILEO的四系统全频段，且要求体积小巧、外观精美、可靠性高等特性，可配合多种GPS、北斗接收机使用。下面介绍一种用于动车组的新型车载四端口组合天线。

该新型车载四端口组合天线的尺寸为350mm×160mm×125mm，重量2.5kg；端口数为4个；端口对应频段分别为：端口1为GSM-R频段，端口2为5G-R频段，端口3为公网频段，端口4为GNSS频段；GSM-R频段为：885～889MHz（上行），930～934MHz（下行）。公网频段为：825～960MHz，1710～2170MHz，2300～2390MHz，2515～2675MHz，3400～3600MHz，4800～4900MHz；公网天线数量为2个。GNSS频段包括GPS、GLONASS、BDS、GALILEO4个系统的全部工作频段。天线结构布置如图1所示。

图1 新型车载四端口组合天线

由于动车组列车通信系统中的天线不仅需要覆盖5G信号，也需要涵盖已有的3G/4G系统各频段，所以该车载四端口组合天线中的公网天线单元需要满足宽频带要求，频率范围包括825～4900MHz的超宽频带。众所周知，天线振子直径越大，天线的带宽就越宽。为实现超宽带目标，公网天线采用等效直径很大的酒杯形状宽带单极子天线形式，它由辐射振子、抑波槽、馈电三个部分组成，其中抑波槽位于辐射振子底部，其作用为提高天线的适配性能，增强辐射。该天线带宽宽，支持多模工作模式，增益较高、全向性较好。以安装在动车组车尾顶部的车载组合天线为例，其3D方向图如图2所示。在825～960MHz频段，车尾公网天线的主要辐射方向集中在车尾和两侧方向，最大辐射方向车尾增益3.5dBi，两侧方向增益约为1.5dBi；在1710～2170MHz频段，车尾公网天线的主要辐射方向集中在车尾和两侧方向，最大辐射方向车尾增益为6.3dBi，两侧方向增益约为4.5dBi；在2300～2390MHz频段，车尾公网天线的主要辐射方向集中在车尾和两侧方向，最大辐射方向车尾增益为6.7dBi，两侧方向增益约为4.2dBi；在2515～2675MHz频段，车尾公网天线的主要辐射方向集中仰角30°处一圈，最大辐射方向车尾增益为7.5dBi，两侧方向增益约为3.2dBi；在3400～3600MHz频段，车尾公网天线的主要辐射方向集中仰角30°到仰角80°空域内，最大辐射方向增益为6.8dBi，两侧方向增益约为2.0dBi，车头和车尾方向增益为1.0dBi；在4800～4900MHz频段，车尾公网天线的主要辐射方向集中列车两侧空域内，最大辐射方向（两侧方向）增益为7.7dBi，车头和车尾方向增益为0dBi。

图2 公网天线3D方向图

车载四端口组合天线中的GSM-R天线采用双套筒偶极子天线形式，它由中心辐射振子、套筒振子、引向隔离振子和馈电四个部分组成。其中，位于中心辐射振子两侧的振子为套筒振子，其作用是对天线的辐射方向图进行赋形，增强天线辐射方向图的全向性，典型频率的3D方向图如图3所示。天线的主要辐射方向集中在车头和车尾方向，并以车头方向最大，最大方向增益值为3.9dBi，车尾方向增益为0dBi，两侧方向增益约为1.5dBi。

图3 GSM-R天线3D方向图（890MHz）

位于套筒振子外侧的振子为引向隔离振子，它们位于两副公网天线的中间位置，其作用是防止两公网天线与GSM-R天线之间产生相互耦合，提高天线之间的隔离度。GSM-R天线端口与两个公网天线端口之间全频段隔离度大于15dB，就是说：如果GSM-R天线发射功率为1W（30dBmW），则在公网天线端口接收到的功率约为15dBmW。对于825MHz ～960MHz频段，两公网天线之间的隔离度大于15dB；高于1000MHz频段，两公网天线之间的隔离度大于25dB。

GNSS天线尺寸比较小，对其他天线的影响可以忽略不计。出线槽位于公网天线和GSM-R天线之间，引出4个天线的接口电缆。

2 动车组天线的天线罩

动车组列车行驶速度很高，天线外形需要考虑其空气动力学特性，在满足天线性能、整体结构强度和可靠性的前提下，天线整体外观设计成流线型，前后左右对称，以保证天线前后面可有效降低风阻。

由于聚碳酸酯具有质量轻、强度高、耐腐蚀性能好，绝缘性能好、耐热性好的特点；铝合金具有重量轻、耐腐蚀、导热性好、导电性能高等优点；天线罩材料选择为聚碳酸酯，天线底板材料选择为6061-T6铝合金。6061-T6铝合金的屈服强度为265MPa，聚碳酸酯的屈服强度为58MPa。

动车组列车车载组合天线的防水设计及其重要，常用的防水设计为灌注密封胶、超声波融合、二次啤塑、安装O型密封圈等。由于O型密封圈具有装拆方便，动、静密封均可用，其动摩擦力小，价格较低，一般可采用O型密封圈的防水结构，同时在天线底板上安装透气阀，避免天线罩内部积水。对于高速行驶的动车组，车载天线应具有抗振动冲击和高可靠性。针对高铁列车使用环境结构上的薄弱环节，采用对插结构、减震结构来改善抗振动冲击性能，满足车顶安装环境的严苛要求。

天线罩用于保护天线在动车组高速运行时免受风压。设动车组列车车载天线的载荷冲击条件为500km/h（即140 m/s），天线罩结构所受应力应低于材料屈服强度，结构位移应在可控范围之内。为了提高天线罩的抗风能力，天线罩外形采用“鲨鱼鳍”外形设计，厚度4mm，见图4。为了提高天线的防水性，天线罩侧面翻边和天线底板固定，翻边区域设计防水垫圈，固定孔位和底板之间也需要防水垫圈设计。

图4 新型车载四端口组合天线的天线罩

仿真计算表明，该天线罩在规定风载荷冲击下，等效应力为15.964Mpa，最大位移为0.50603mm，迎风面最大压力为0.010683Mpa。可见，天线罩结构所受应力均低于材料屈服强度，结构位移较小，满足动车组列车高速行驶车顶环境使用要求。

3 结束语

新型车载四端口组合天线包括两副公网天线、1副GSM-R天线和GNSS天线，涵盖GSM-R频段、5G-R频段、公网频段和GNSS频段。GSM-R天线除位于中心辐射振子两侧的套筒振子外，在两套筒振子外侧还设置了引向隔离振子，可提高两公网天线之间的隔离度。该车载组合天线的天线罩外形采用“鲨鱼鳍”外形设计，在载荷500km/h风载荷冲击条件下，天线罩结构强度满足动车组列车高速行驶条件下车顶安装环境使用要求。