窄波束贴壁天线在地铁隧道通信覆盖的研究和实践

传统地铁隧道4/5G通信覆盖采用隧道壁挂泄漏同轴电缆的方式,但是该方案造价高且周期长,存在一定的局限性。为此,文章以福州地铁4号线螺洲温泉站至帝封江站为例,结合地铁隧道环境和天线无线传播模型的特点,提出采用窄波束贴壁天线替代泄漏同轴电缆的解决方案,对天线覆盖隧道方案的网络性能和实施安全进行研究,通过实践方案验证,该方案具有良好的经济性和安全性,相关研究成果可为其他隧道类场景4/5G通信覆盖提供参考。

地铁车辆天线梁振动加速度及动应力试验

为考察地铁车辆天线梁的安全可靠性,基于在线测试进行了ATP吊座处振动加速度和疲劳薄弱点的动应力研究.采用有限元法对天线梁进行随机振动分析确定疲劳薄弱部位,从而为电阻应变片布置方案的选取提供依据.在空车和超员工况下获得ATP吊座处的加速度-时间历程和疲劳薄弱部位的应变-时间历程,对所采集的加速度信号进行频谱分析,得到ATP吊座处3个方向的振动频率和加速度谱.采用雨流计数法和结构损伤一致性原则对应变-时间历程分析,得到各测点的应力谱和等效应力幅.结果表明:整个过程ATP吊座处的加速度和疲劳薄弱部位的应力的小幅值出现次数占整个过程的绝大部分,而出现大幅值的次数很少;在空车时ATP吊座处的3个方向的振动加速度大于超员的状况,疲劳薄弱点的等效应力幅是超员的大于空车的工况.

地铁司机室双八木天线射频电磁场暴露的健康风险评估

为了有效评估B型地铁车载双八木天线对地铁司机射频电磁场暴露的安全性,利用3维电磁仿真软件构建了在双八木天线辐射下的地铁司机室射频电磁环境模型。通过设计司机室、车载双八木天线和司机人体模型,数值模拟了天线在不同输入功率条件下对司机人体模型的射频电磁场暴露影响。仿真结果表明,当地铁实际运行时的天线输入功率达到最大值200 m W时,人体模型中质量为10 g的任意相邻组织内的平均比吸收率(specific absorption rate,SAR10 g)的峰值为0.018 649 W/kg,电场强度的峰值为16.201 V/m,磁场强度的峰值为0.176 16 A/m,峰值皆出现在躯干组织中,且都低于国际非电离辐射委员会(International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection,ICNIRP)制定的职业电磁暴露限值,说明司机在此射频电磁场暴露环境中是安全的。分层头模型的仿真结果表明,平均比吸收率在大脑组织中的穿透深度大于电场强度和磁场强度。

地铁高频电磁辐射的安全评估

为有效评估B型地铁乘客信息系统天线(Passenger information system,PIS)对司机室高频电磁辐射的安全性,设计PIS系统所用的5.8 GHz八木天线和司机人体模型,利用三维电磁仿真软件构建在PIS系统天线辐射下的地铁司机室高频电磁环境模型,数值模拟天线在不同输入功率条件下对地铁司机人体模型的高频电磁辐射影响。仿真结果表明,当天线的输入功率达到最大值50 W时,人体模型的比吸收率最大值0.63 W/kg,低于国际非电离辐射委员会(International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection,ICNIRP)制定的职业电磁暴露基本限值10 W/kg;电场强度最大值为72.37 V/m,低于ICNIRP职业电磁暴露参考限值137 V/m;磁场强度最大值为0.74 A/m,高于ICNIRP职业电磁暴露参考限值0.36 A/m。当天线的输入功率降为10 W时,磁场强度最大值降为0.33 A/m,低于参考限值。因此,为了避免此高频电磁辐射对司机造成健康危害,地铁实际运行时,需要保证天线的输入功率低于10 W,使司机处于安全辐射范围内。

隧道场景列车车体对无线电波传播的影响

应用射线跟踪法,仿真对比地铁隧道场景中列车车体加入前后采用直接覆盖和中继覆盖2种通信方式、1.4和38.0GHz 2种通信载频,以及收发天线不同位置时无线电波传播特性的变化情况。结果表明:采用直接覆盖的通信方式,无线电波在穿越车体时会产生严重的穿透损耗,均方根时延扩展明显增大;采用中继覆盖的通信方式,列车车体的存在对2种载频情况下的路径损耗结果影响不明显,但对均方根时延扩展结果影响会有较大不同;在隧道内有列车的情况下,载频为1.4GHz时,收发天线分别设置在车头中部和隧道墙边位置路径损耗最小,均方根时延扩展亦不大,而载频为38.0GHz时,发射天线设置在隧道顶部或者墙边效果较好,接收天线设置在车头中部位置时,路径损耗和均方根时延扩展均最小。

一种地铁通信倒F天线的设计

根据地铁通信的要求,需要在地铁车顶上安装体积小、轮廓低的全向天线。首先详细地介绍了单极天线的特性,研究了如何降低天线高度和增加使用带宽的技术方法,全面地讨论了倒F天线的设计方法和主要参数;然后对倒F天线的结构和电性能进行了仿真分析;最后制作出了一种性能较好的倒F天线,通过实际测试,验证了仿真结果。该形式全向天线在地铁通信中已经得到广泛应用。

地铁专用无线通信系统射频电磁暴露安全的评估

为了研究在地铁专用无线通信系统天线辐射下地铁司机射频电磁暴露的安全性,基于高频结构仿真软件(High frequency structure simulator,HFSS)构建该系统天线辐射下的地铁司机室射频电磁环境模型,模拟司机室内电场强度的分布范围为0.005~0.118 V/m。运用电场强度分析仪对地铁司机室内射频电磁环境进行实地测量,测得专用无线系统天线信号的功率电平为-54.91^-30.22 d Bm,对应的电场强度分布范围是0.006~0.109 V/m,与电场强度的模拟结果基本一致,验证了利用HFSS软件的计算可靠性。在此基础上分别模拟地铁司机站姿人体模型和坐姿人体模型的射频电磁暴露情况。仿真结果表明:司机坐姿和站姿人体模型中平均比吸收率峰值分别为3.838 3×10^(-7) W/kg和3.118 7×10^(-7) W/kg;电场强度峰值分别为0.12 V/m和0.11V/m;磁场强度峰值分别为7.586 8×10^(-4) A/m和7.276 7×10^(-4) A/m。模拟结果均低于由国际非电离辐射防护委员会制定的职业电磁暴露限值,说明在该射频电磁环境中地铁司机职业电磁暴露处于安全范围内。

典型地铁站台射频天线电磁暴露安全评估

为有效评估典型地铁站台射频天线对乘客电磁暴露的安全性,设计地铁站台无线通信系统吸顶天线和乘客人体模型,利用基于有限元的电磁仿真软件,构建吸顶天线辐射下的地铁站台乘客候车电磁环境模型,研究候车乘客的公众电磁暴露问题。结果表明:天线分别工作在900和2 440 MHz时,人体组织的平均比吸收率最大值分别为4.441×10-7和1.165×10^-6W·kg^-1,电场强度最大值分别为0.139和0.148V·m^-1,平均比吸收率在人体组织内的衰减均大于电场强度的衰减;2 440MHz时的射频电磁能量在颅内的穿透能力小于900MHz时;所有计算值均低于国际非电离辐射委员会制定的公众电磁暴露限值,说明地铁站台射频天线对乘客的电磁暴露不会构成健康威胁。

地铁司机室射频电磁环境的测量与模拟对比

运用频谱分析仪和高频电磁场强度频率分析仪对运行中的地铁司机室射频电磁环境进行实测,并采用基于有限元法的高频结构仿真软件对2大系统天线和司机室进行建模仿真。对比分析测量数据与仿真结果,并与国际标准中电场强度的职业暴露限值进行对比,评估地铁司机室射频电磁环境的安全性。结果表明:实测得到专用无线通信系统天线和列车自动控制系统天线各自单独辐射作用下,司机室射频电磁环境中的电场强度分布区间分别为0.006~0.109和0.016~0.127V·m-1,对应的仿真结果分别为0.005~0.12和0.015~0.13V·m-1,验证了HFSS软件评估射频电磁环境电磁暴露安全的可靠性;2大系统天线共同辐射作用下司机室内电场强度分布区间为0.01~0.19V·m-1,说明不同系统天线共同辐射作用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;与国际标准中电场强度的职业暴露限值对比,表明2种辐射源无论是在单独作用下还是在共同作用下,地铁司机室的射频电磁环境都是安全的。

天线极化和阵元间距对地铁隧道MIMO性能的影响

在上海地铁隧道环境中对5.6 GHz多输入多输出系统开展了基于伪随机序列的信道测量。通过相关运算获得了子信道冲激响应,分析了不同天线极化和阵元间距对2×2 MIMO信道条件数、等效自由度和信道容量的影响。结果表明,当交叉极化天线的条件数均值约为10时,分别比垂直同极化和水平同极化约低5和8。当交叉极化的等效自由度均值约为1.6时,分别比垂直同极化和水平同极化约高0.3和0.2。当交叉极化的信道容量均值约为5.8 bit/s/Hz,分别比垂直同极化和水平同极化约高0.7 bit/s/Hz和0.8 bit/s/Hz。3个结果都一致表明交叉极化天线有利于MIMO性能的提高。另外,天线阵元间距对于同极化MIMO的信道容量影响较大,而对于交叉极化MIMO的信道容量影响较小,表明采用交叉极化能以较小的阵元间距获取较大的信道容量,这些结果对于地铁隧道狭小空间中减少天线尺寸提升信道容量有参考意义。

地铁隧道5G天线布局对MIMO性能的影响

为推广第五代无线通信系统(5G)大规模多输入多输出系统(Massive MIMO)技术在地铁中的应用,使用射线跟踪预测在隧道场景中,不同阵列的布局对MassiveMIMO系统性能的影响。对射线跟踪法进行校准,确定隧道场景下的相关参数,通过以5.6 GHz为中心的160 M带宽的射线跟踪仿真,分析MassiveMIMO系统中多种天线阵列布局下的系统容量、路径损耗以及均方根时延,对5G通信系统中的天线与基站设计有参考意义。

某地铁车辆辅助逆变器与信号BTM天线电磁干扰分析及改进

针对地铁列车BTM天线受车辆电气设备的电磁干扰,影响车地无线定位信号的传输效率和质量,进而影响列车正常运行的问题,文章从干扰频率、干扰源和干扰路径等方面进行了分析,从消除干扰路径、增强BTM天线抗干扰能力、消除干扰源等方面提出了改进措施,并对改进措施进行了现场测试和分析。结果表明,在辅助逆变器箱体内的DC 1 500 V负线和箱体间增加0.5μF电容,并将接地电阻移至接地回流线靠近BTM天线处能够有效降低车辆的电磁干扰对BTM天线的影响,保证列车正常运行。上述问题的解决可为后续地铁线路的车载BTM天线电磁干扰提供有效的解决思路,并为后续同类设计方案提供参考。

地铁深基坑墙顶水平位移监测方法

从视准线法、小角法、极坐标法等方面,列举了地铁深基坑墙顶水平位移几种传统监测方法,分别论述了各方法的原理、精度、优点及不足之处,并对国内外其他领域采用的新型水平位移监测技术进行了介绍,对轨道交通建设施工安全风险控制具有一定的参考价值。

地铁微带缝隙天线阵列的设计及其辐射性能研究

微带缝隙天线阵列结构紧凑,覆盖范围广,不容易产生通信盲区,可制成漏缆敷设于地铁隧道内,提高地铁无线通信的可靠性和便利性。基于电磁场与电磁波的传播原理,设计适用于地铁无线通信的微带缝隙天线阵列,运用三维电磁仿真软件HFSS模拟其各项辐射性能指标。仿真结果表明:缝隙的开缝角度和排列方式对天线的辐射性能有影响,当缝隙角度为30°时,回波损耗比增加,电压驻波比减小,天线的辐射效率上升,增益提高;当缝隙八字排列时,馈源端口的相互影响最低,天线的定向性最好,获得的增益最高。

一种地铁数字集群系统新型天线的设计及其性能仿真

为了优化地铁数字集群系统无线通信天线的辐射性能,提高地铁的调度效率,结合微带天线和八木天线原理,提出了一种基于层叠结构的微带圆盘八木天线.模拟仿真的结果表明,该型天线的电压驻波比为1.33,输入阻抗为47.54Ω,最大增益2.53dB.与传统TETRA杆状天线相比,体积缩小了6.4倍,驻波比下降了1.88倍,输入阻抗提高了2.38倍,增益提高26%.同时,分析了该天线的抗干扰能力.