防干扰电磁屏蔽墙系统在高速铁路中的应用研究

靳 远，孙万鑫

0 引言

随着高铁、城际等电气化铁路的发展，高速铁路基本连通了国内所有的主要城市，方便了人们出行，同时也加剧了与民用设施电磁兼容的问题。近年来几乎每条高速铁路沿线均与地方或国家相关部门的无线设施存在电磁兼容问题。

本文以京张高铁与北京地球站的电磁兼容问题为例，通过模拟测试明确电磁骚扰程度是否构成电磁干扰，以及干扰影响范围，结合受干扰对象以及干扰源相对位置关系，制定防护方案、设计电磁屏蔽墙，模拟测试电磁屏蔽墙的多方面特性，最终解决北京地球站电磁兼容问题。

1 高铁电磁兼容问题解决方案概述

随着社会发展，信息化等需求逐步加大，大部分城市的无线通信设施逐年增多，新建铁路不可避免会遇到电磁兼容问题。解决电磁兼容问题的手段归纳有四方面：解决干扰源、对受影响对象进行防护、阻断干扰路径以及搬迁（另选址还建）。

（1）解决干扰源问题。结合本次研究对象，铁路产生电磁影响是个系统化问题，解决干扰源不现实。随着我国高铁技术的提高，牵引供电系统产生的电磁影响也逐渐减小，但由于民用无线设施的数量和精度也逐步提高，依然会存在干扰问题。铁路产生的电磁兼容问题是动态的，只可能是更改线路走向，但如此会导致投资、规划等方面的巨大调整，往往无法实现。

（2）对受影响对象进行防护。结合本次研究对象，北京地球站为我国卫星地面站之一，卫星地面站的发射功率可以从增大功率、改变天线直径等方面进行调整。由于卫星距离太远接收卫星信号极其微弱，故防护率要求较高，经模拟检测，卫星接收的C频段信号（3.7 GHz～4.2 GHz）多受铁路电磁干扰。单独增加接收天线直径、加装滤波器等方案无法完全解决电磁兼容问题。

（3）阻断干扰路径。由于本次研究对象为方向性强的高频波段，在传播路径上设置阻隔传播的屏蔽设施，理论上可以实现降低辐射强度的效果。故对途经地球站区段的铁路进行屏蔽处理，解决电磁兼容问题。对于屏蔽范围，需进行模拟检测明确受干扰程度，才能进一步深入研究。

（4）搬迁（另选址还建）。北京地球站属于国内等级较高的卫星地面站，规模较大，搬迁投入巨大，且在北京市郊另选址也很困难，不具备搬迁条件[1]。

综上，本次研究思路初步为以阻断干扰路径为主，由于京张高铁处于在建阶段，故先选取类似标准的铁路进行模拟检测，明确干扰程度，并进一步研究防护方案。

2 模拟检测及计算

2.1 模拟检测

根据京张高铁在地球站附近主体工程的建设方案、运行时速以及线路走向，选取国内同标准铁路沿线电磁环境较为干净的位置进行模拟测试。经踏勘，选取津保铁路沿线某位置进行模拟检测[2]。

接收机输入端接收1 MHz带宽功率电平Preceiverin=Pantenna+Gmax= -103.56 dBmW。Pantenna为地球站天线口面的1 MHz带宽内接收功率；Gmax为地球站天线增益40.00 dBi；根据广电总局地球站信息及国家级地球站要求，总局地球站系统C频段最小接收天线直径为3 m。

根据GB 13615—2009《地球站电磁环境保护要求》中“来自频段为1 GHz～18 GHz的工业、科学和医疗设备的辐射干扰，落入地球站输入端的干扰信号电平比正常接收信号电平低30 dB。”则电气化铁路辐射1 MHz带宽内功率电平应低于-133.56 dBmW，此为电气化铁路的干扰电平最大限值。距电气化铁路轨道中心22 m处落入地球站接收机输入端干扰电平检测值见表1。

表1 距铁路轨道中心22 m处落入地球站接收机输入端干扰电平

根据现场检测结论，在卫星C频段，距铁路22 m处列车通过时辐射电平值超出1 MHz带宽内功率要求，其中最大值为-111.0 dBmW/MHz，计算到接收机输入前端为-71.0 dBmW/MHz，存在干扰问题。

2.2 干扰防护计算

北京地球站卫星传输C频段最低频率3.7 GHz，波长λ为0.082 m，以10倍波长为远场界限即0.82 m，地球站天线与京张铁路的距离均大于该远场界限值，因此，d距离限值仅考虑距离因素，距离因子计算式为

式中：Pl(22 m)为22 m距离功率电平值，dBmW/MHz；d为天线与接触网距离，m；PL(d)为距离地球站天线d处功率电平值，dBmW/MHz。

北京地球站C频段使用最小天线直径D为3 m，天线直径与波长之比D/λ＜100，天线接收干扰的旁瓣增益G(φ)计算式为

式中：φ为偏离天线主瓣波束中心轴的夹角，即地球站接收卫星工作仰角方向时来自方位角方向、铁路接触网方向与卫星方向的夹角；G(φ)为天线在被干扰方向的增益，dBi；Gmax为天线主瓣最大增益，dBi；D为天线直径，m；λ为工作波长，m。

根据京张高铁与地球站天线口面的相对位置（图1），以及卫星天线接收干扰的旁瓣因素计算，列车通过期间落入地球站接收机输入端的电磁辐射电平：

图1 北京地球站与京张高铁的位置示意图

式中：PL(d,φ)为来源于电气化铁路的电磁辐射落入地球站天线输出端（即接收机输入端）的功率电平，dBmW/MHz；干扰源进入地球站天线的方向与地球站天线主轴方向夹角为φ。

在静止卫星轨道可用弧度内的工作仰角与天际线仰角的夹角为5°时，基于津保铁路测试结果中最大值计算京张高铁电磁辐射落入地球站位置An和As的接收机输入端电平值，其中An和As位置最大辐射方向为AnBn和AsCs。dn为An到京张高铁的垂直距离114.67 m，ds为As到京张高铁的距离156.93 m。地球站北/南天线位置处受京张城际辐射电平值及京张高铁沿线各位置辐射落入地球站接收机输入端的电平值如表2、表3所示。

表2 地球站北/南天线位置处受京张城际辐射电平值 dBmW/MHz

表3 京张高铁沿线各位置辐射落入地球站接收机输入端的电平值

经计算可得，需要防护的铁路总距离Cn′Cs′为155.64 + 320.82 = 476.46 m，其中需要防护18.72～30.67 dB的铁路距离为167.66 - 5.71 =161.95 m。

3 电磁屏蔽方案设计

对铁路电磁干扰的屏蔽方案有两种，即全包围屏蔽方案和半包围方案。经过理论计算，全包围钢结构加屏蔽层造价较高，考虑经济性因素，再结合干扰频段为高频段，本次研究初步方案采用屏蔽墙方案，并实际搭建墙体进行模拟测试，验证效果。

3.1 电磁屏蔽墙体设计

由于本次采用距轨面7 m高的电磁屏蔽墙，置于铁路排水沟外侧距线路中心5 m处。结合铁路运行时速，需采取抗风压的减载结构形式设计以增加抗疲劳性。墙体采用倒V字形通道以降低风压，材质选取抗腐蚀性和抗电磁性较好的镁铝合金材质[3]。屏蔽墙侧视效果见图2。结合测试结果，对于构建内可填充坡莫合金以加强抗干扰能力。

图2 模块式电磁屏蔽墙侧视效果

屏蔽墙体设计的优势在于能够有效泄放高速列车通过时产生的风压，降低抽拉力的产生，从而提高屏蔽墙体的生命周期。另外，墙体结构设计特点是采用模块化拼接方案，可有效提高施工效率，并且便于维护更换，模块拼接方案标准化后，可以实现循环利用。

3.2 模拟测试

为了评估金属屏蔽墙所造成的绕射损耗，2019年4月，由防护墙施工单位临时搭建高6 m、长8 m的金属屏蔽墙，用于进行模拟测试。测试中将信号源的发射天线放置在距离屏蔽墙5 m、高5 m处，模拟屏蔽墙高于接触网1 m高度时的情况；受现场环境限制，接收天线置于金属屏蔽墙另一侧，距离屏蔽墙7 m、高2 m（卫星天线高度）处。通过多次测试，测得3.7、3.9、4.1 GHz 3个频点的实际衰减在18.720～20.625 dB范围，同绕射损耗理论计算值相差1.525～3.870 dB。受限于临时搭建的墙体未完全密封，可以预见待正式防护墙使用后，屏蔽效果应优于本次测试结果。

根据《绕射传播》（ITU-R P.526-14）建议书，当传播路径上存在一个或多个障碍时，这些障碍将造成绕射损耗。通过理论计算可以得出，当障碍物高出信号发射源1 m，且发射源和接收端距离障碍物分别为5 m（接触网与屏蔽墙实际距离）和109.67 m（卫星天线与屏蔽墙的最近距离）时，频率为3.7～4.2 GHz的无线信号的绕射损耗为20.08～20.61 dB。

综上，电磁屏蔽墙的防护效果无法满足30.67 dB的防护要求，且采用全封闭屏蔽设施不具备经济性，故研究采取屏蔽墙+天线调整的综合方案。

3.3 方案计算

3.3.1 调整卫星天线与京张铁路距离

经计算，当卫星天线仍使用直径3 m天线，其与京张铁路的距离Dn= 267 m时，接收机输入端接收电平为-113.73 dBmW，与干扰电平限值-133.56 dBmW相差19.83 dBmW；屏蔽墙绕射损耗19.96 dBmW；最终计算得到天线输入端的干扰信号强度为-133.69 dBmW，低于限值，满足防护要求。由于路径损耗使用的是自由空间传播损耗计算公式，实际环境的路径损耗也将大于该数值。

3.3.2 调整卫星天线尺寸、距离及高度

经计算，当卫星天线使用直径6 m天线时，天线增益为46 dB，计算接收机输入端接收1 MHz带宽功率电平为-97.56 dBmW，则落入地球站输入端的干扰信号电平门限值为-127.56 dBmW。

当卫星天线使用6 m天线，天线高度不变（2 m），其与京张铁路的距离Dn= 130 m时，接收机输入端接收电平为-107.81 dBmW，与电平限值-133.56 dBmW相差19.75 dBmW；屏蔽墙绕射损耗20.03 dBmW；最终计算得到天线输入端的干扰信号强度为-127.84 dBmW，低于限值，满足防护要求。

当卫星天线使用直径6 m天线，天线高度增加为3.5 m，距离Dn为114.67 m时，接收机输入端接收电平为-107.88 dBmW，与电平限值-133.56 dBmW相差19.69 dBmW；屏蔽墙绕射损耗20.04 dBmW；最终计算得到天线输入端的干扰信号强度为-127.92 dBmW，低于限值，满足防护要求。

3.4 结论与建议

北京地球站既有直径3 m和12 m两种天线，其既有12 m直径天线均在135.8 m以外，既有3 m直径天线均在267 m以外，故京张铁路不会对地球站既有两种天线的台站产生电磁干扰。鉴于地球站的扩建规划，建议如下：

在Dn小于267 m的范围内不建议采用3 m直径天线。若采用6 m直径天线，且天线高度为2 m时，Dn可缩短至130 m。若采用6 m直径天线，且天线高度增加到3.5 m时，Dn缩短至114.67 m。若在距离铁路更近位置建设台站，则建议进一步增大天线直径，以及增高天线高度。

4 结语

随着民用通信需求的不断提高，城市无线设施会越来越多，如何以经济性为前提解决电磁兼容问题是项目设计研究部门考虑的首要问题。本文以京张高铁为例，在工程中采用了电磁屏蔽墙体解决电磁兼容问题，检测并获得墙体的防护指标，为解决同类问题提供了更为经济的解决方案。