波导管技术在地铁信号系统中的应用.pdf

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1、2 0 0 8年 1 1 月 第 4 4卷第 1 1 期 铁 道 通 信 信 号 RA I I JW AY S I GN AL L I NG C 0MMUN I CA ON No v e mb e r 2 0 0 8 V0 1 4 4 No 1 1 波导管技术在地铁信号系统中的应用 邱奎 徐行 肖培龙 摘要 ：对无线传输波导管在 C B T C信号 系统 中的应用进行 了技术分析和总结。重点介绍 了波导 管的布置原则和无线衰耗计算 ，并对波导管的安装方式及测试方法进行 了详细说 明。 关键词：地铁 ；波导管；信号 系统 Ab s t r a c t ：T h e t e c h n i c a

2、 l a n al y s i s a n d s u mma r i z a t i o n f o r a p p l y i n g w a v e g u i d e w i r e l e s s t r a n s mi s s i o n t o C B T C s i g n a l s y s t e mI t i n t r o d u c e s t h e wa v e g u i d e l a y o u t p r i n c i p l e a n d t r a n s mi s s i o n a t t e n u a t i o n c a l c u

3、l a t i o n，d e t a i l e x p l a i n s for wa v e g u i d e i n s t a l l a t i o n a n d t e s t i n g Ke y wor ds： Me t r o；W a v e g u i d e；S i g n a l s y s t e m 随着地铁信号技术的发展 ，基于通信的列车控 制系统 ，即 C B T C系统已成为国内外地铁信号系统 研究与应用的主流 ，其无线传输通道主要 由无线电 台、漏缆、波导管及电缆交叉环线等设备组成。 1 波导管与信号 系统 微波漏隙波导管是一种车 地双向数据传输的

4、无线信号传输媒介，具有传输频带宽、传输损 耗小 、可靠性高、抗干扰能力强等特点。漏隙 波导管为中空铝质矩形管，顶部朝车辆天线方 向等间隔开有窄缝 ，使得无线载频信息沿波导 管裂缝向外均匀辐射；在波导管附近适 当位置 的无线接收器 ，可以接收波导管裂缝辐射的信 号，并通过处理得到有用 的数据。在这方面应 用 比较成熟是法 国 A L S T O M 公 司的 U R B A L I S 信号系统。该系统中基于漏隙波导 的无线传输 单元基本组成如下，漏隙波导管组件结构如图 1 所示 。 1 无线接人设备 ( T R E ) ：无线信号发送 接收设备及耦合单元 。 2 同 轴 电 缆( R F) ：

5、T R E 与 T G C 或 T G C C连接用电缆 。 3 漏隙波导管 ( WG ) ：无线信号传输媒介。 北京电铁通信信号勘测设计院有限公司 工程师， 1 0 0 0 3 6北京 中国中铁电气化局集团有限公司城铁公司 助理工程师 ， 1 0 0 o 3 6 北京 料北京电铁通信信号勘测设计院有限公司 教授级高工， 1 0 0 0 3 6 北京 收稿日期： 2 0 0 8 - 0 6 1 6 4 波导管连接器 1( T G C ) ：同轴 电缆与一段 波导管的连接器。 5 波导管连接器 2 ( T G C C) ：同轴 电缆 与多 段波导管的连接器。 6 双面连接法兰 ( D F L )

6、 ：两段波导管问的连接。 7 末端负载 ( E L ) ：波导管传输末端的匹配 负载。 日 圜 F一( i01 i!l 组爿 ： 3 ：T GC C 左视 芷桃图 一i! i l il 臼 一Iool 图 1波导管组件示意图 2 波导管配置 波导 管 的连 接 方 式 灵 活 多样 ，与无 线 天线 ( 包括全向和定向天线)结合，可以适应地铁各种 线路条件。 波导管配置的基本原则：使用最小数量的 T R E，尽可能减少设备投资； 保证每个波导管区 一 4 3 铁道通信信号2 0 0 8 年第 4 4 卷第 l 1 期 段末端的功率富余 ； 确保无线频率覆盖，以保证 良好 的数据传输。 波导管配

7、置 的设计 内容 ：确定 T R E设 备的初 步位置 ，确定连接到每个 T R E的波导管 区段长度 ， 计算每个波导管区段末端的功率衰耗。 2 1 与 T R E的连接 1个 T R E最多可连接 4段波导管 ，每段波导管 基本长度一般可保持在 5 0 0 m左右。当然 ，每段波 导管长度需要根据无线发送和接收设备的性能 ，在 确保接收信号的强度条件下最终确定。波导管与 T R E设备 的基本连接方式见 图 2 。 图 2 波导管基本连接示意 图 此种连接方式可用于双线单隧道区问 ，波导管 与同轴电缆的连接采用 T G C类 型的连接器 。由于 该连接只使用 1 套无线接入设备 ，所以是最

8、为经济 实用的一种连接方式 。 在双线双隧道区间或地面上下行 2条线路距离 较远情况下 ，一般使用 1个 T R E连接 2段波导管 的方式。当然 ，根据地铁线路实际条件 ，也可以使 用 1 个 T R E连接 1 段或 3段波导管等方式。 波导管的安装连接方式比较灵活 ，根据需要可 以按 图 3的连接方式进行配置。 图 3 波导管灵活的连接方式 与基本连 接方式不 同 ，波 导管 2 - 1端 头采用 T G C C型连接器与波导管 2 - 2和 2 - 3相连。该连接 方式的典型应用是线路 中有道岔的区段。 2 2 线路 中的连续安装方式 线波导传输单元波导管问应加装小型全向天线 以扩 展

9、间隔部分 ，保证无波导管区域无线信号场强的覆 盖。2段波导管之 间的间隔不宜过大 ，一般在 l m 左右。 图 4 线路 中的连续安装方式 根据线路安装条件 ，波导管也可安装于同一线 路的两侧。为保证无线信号传输 的连续与稳定 ，线 路两侧 2个无线单元的相邻波导管端头处需要重叠 安装 ，其重叠长度在 l 2 m之 间。 线路中存在安装障碍时 ，可使用图5所示方式 进行波导管的配置。 线 路右 测 l 二 ： ： l 线路左侧 一 厂 图 5 有 障碍时可用的波导管安装方式 3 波导管无线单元的损耗计算 波导管配置设计 时 ，为保证无 线信 号可靠传 输 ，波导管末端信号强度必须满足无线系统标

10、准的 要求 ( 2 0 d B ) 。进行波导管末端功率计算时，需要 分析无线单元 中各组件的无线损耗 。 3 1 同轴 电缆 这是可灵活使用 的部件 ，用于将 T R E和波导 管区段或 2个波导管区段连接在一起。同轴 电缆 的 无线损 耗是 0 1 2 d B m，每段 同轴 电缆 的损 失 为 儿 =0 1 2 X L。其 中， 是 同轴 电缆 的长度。为 减少衰耗 ，应尽可能使同轴电缆长度最小化 。同轴 电缆在无线单元 中长度定义如表 1所示 。 在线路一侧连续安装方式如图 4所示 ，2个无 况 ， - - 4 4 - 对 于初步的波导管布置 ，可以首先考虑最坏情 采用最大长度值 1

11、5 m来进行计算。 RAI L W A Y S I G NAL L I NG & C 0MMUNI C AT 1 0N Vo 1 4 4 No 1 1 2 0 0 8 表 1 同轴电缆在无线单元 中长度定义 同轴电缆 最小长度 m 最大长度 瑚 T R E与波导管之间 2 个波导管区段之间( 长分支连接) 2 个波导管区段之间( 短分支连接) 3 2 TGC T G C是连接 器 ，是波 导管与 同轴 电缆相连 的 物理接 口，一个 T G C的无线损耗为 0 2 d B。 3 3 TGCC T G C C也是连接器 ，用于几个波导管 区段之间 与同轴 电缆 相 连 接。一个 T G C C

12、的无 线 损 耗 为 3 2 d B 。漏隙波导管的衰减是 0 0 2 d B m，T G C C的 引入将减少漏 隙波 导管长度 1 5 0 m，而且 T G C C的 引入需要使用同轴电缆 ，也会增加总衰减。 3 4 波导管段 波导管段是指连续的没有经过连接元件 的一段 波导 管 ，始 于 一 个 T G C，止 于 一个 T G C C T G C E L 。波导管段 的无线损耗为 0 0 2 d B m，波导管的 损失为 儿 =0 0 2L，其 中 是 波导 管段 的 长度。 3 5 计算实例 关键 部 件参 数 ：无 线 调 制 解 调 器 发 射 功率 1 8 d B m ；无线调

13、制解 调器在 6 Mb s时 的灵敏度为 一 9 0 d B m；耦 合 单 元 的 衰 减 6 d B；波 导 管 衰 减 0 0 2 d B m；波导与接收天线空 间耦合损失 6 5 d B。 一 个无线单元在隧道 内的最大工作范 围是 1 0 0 0 m， 对应每侧波导管其最大长度是 5 0 0 m，漏隙波导管 部分的衰减被 限制在 1 0 d B。图 6可 以帮助理解基 于波导管传输无线信息的无线链路衰耗计算 ，无线 单元末端无线覆盖情况如下。 图 6 无线衰耗计算举例 1 接入点发射功率 1 8 d B m 2 T R E盒内同轴 电缆损耗 一 0 3 d B 3 T R E盒内耦合

14、单元损耗 一 6 d B 4 1 5 m周轴电缆损耗 一 1 8 d B 5 1 0 0 0 m波导管损耗 一1 0 d B 6 T G C损耗 一 0 2 d B 7 空间耦合损耗 一 6 5 d B 8 车载同轴 电缆损耗 一 0 3 d B 9 车载耦合器损耗 一 3 d B 1 0 车载单元间连接馈线损耗 一l d B l 1 无线单元末端的接受水平 一 6 9 6 d B m 1 2 接受器灵敏度 一 9 0 d B m l 3 接收端余量 2 0 4 d B 4 波导管安装 波导管可以安装在隧道顶部或地面上，根据安 装原则 ，实际工程中结合现场环境灵活确定 。漏隙 波导管 的安装应

15、保证漏 隙波导管和列车无线天线的 距离保持不变。为保证波导传播 ，漏隙波导管与车 载天线的距离应该保持在 3 0 4 0 c m之间。实际安 装时，可根据车顶部天线距离轨面的高度以轨面为 基础计算。安装过程中，需要用激光测距仪和激光 角度尺不断进行复测和修正 ，以满足技术需求 。 4 1隧道顶部的安装 波导管如安装于隧道顶部 ，应采取膨胀螺栓固 定支架波导管悬挂的方式 。根据隧道顶部距离轨面 的高度不同，可 以选取不 同长度 的支架 ，确保波导 管与轨面的距离符合技术要求。 安装原则 ：每段波导管从靠近 A P点 的一侧安 装 固定支架 ，滑动支架每 隔 4 m一个。每个支架与 连接法兰盘 的

16、距离需要大 于 2 0 0 m m。每段波导管 之间需要有 5 0 8 0 e ra 的间距 。在岔区或站 台，波 导管末端附近应分别安装适用于岔 区或站 台的天 线 ，并用同轴电缆连接。在隔断门处 中断波导管连 接 ，在波导管末端的 T G C上安装小型全向天线 。 4 2地面的安装 波导管如安装于隧道地面 ，应采取膨胀螺栓 固 定支架支撑波导管的方式。根据线路条件 ，安装时 采用可调高度的支架 ，以确保波导管与轨面的距离 符合技术要求 。 安装原则：每段波导管从靠近 A P点的一侧开 始安装固定支架 ，滑动支架每隔 3 m一个 。每个支 架与连接法兰盘的距离需要大 于 2 0 0 mm。每

17、段波 导管 问距需要有 5 08 0 c m。在岔 区，根据岔 区线 路布置 ，利用同轴电缆穿管过轨 ，分别连接安装在 轨道左侧或右侧的波导管 ，确保岔区无线传输的不 一 4S 一 铁道通信信号2 0 0 8 年第4 4 卷第 l 1 期 间断 ；在站台，波导管贯穿安装 。隔 断门处中断波导管连接 ，在波导管末 端的 T G C上安装小型全向天线。 5 设备调试 安装后要进行波导管的传输性能 测试 ，测试不合格的区段要及时进行 故障排查 ，保证传输通道稳定可靠。 测试的仪器采用高频信号发生器 、微 波测 试 仪 、故 障 定 位仪 、1 0 MH z 1 8 G H z 传感器和功率计等。 5

18、 1 回声测试 回声测试可以了解波导管内是否 有异物、金属屑或者碎片 ，保证被检 查的波导管内没有阻抗破坏。测试时 波导失配( 6 X 3 m ) 砒 ( d b ) l0 0 0 1 0 0 0 由 宋 端 负载尖 2 0 0 0 TGC 嚣 之 波 在 l8米 处 结 束 一 L 5 o O b 一 60 O0 ： 一 7 O O 0 法 兰失雕 r ； D ( m ) 0 必须使用微波测试仪和故障定位仪， 其原理是传输 一 个已知参数的高频信号到波导管中，然后测量返 回的信号。如果另一端配备了高频负载 的波导管 ， 将不会有返回信号。图 7为 由 1 8 m ( 6个 3 m)波 导管组

19、成的区段与其远端高频终端负载 ( T G C )失 配的情况。 根据波导失配情况 ，可以测出从测量起始点到 回波的距离。这样通过检查最后一个返回信号的位 置 ，就可以知道出现故障的地点 ，同时，也能验证 整个波导管区段的长度。 如果波导管上没有组装 T G C C ( 即波导管没有 引出分支) ，回声测试始于第 1个 T G C，到终端负 载 ( 或 T G C+全 向天线 )结束。如果波导 管分段 上安装了 T G C C ( 表明波导管分成 2个分支 ) ，则 每个分支都必 须进行测试 。断开 T G C C的 1个分 支 ，在不测试 的分 支上安装 5 O Q 的匹配负载 ，然 后重新连

20、接第 2个分支到 T G C，同时在第 1 个分支 上加载 5 0 Q 的匹配负载 ，就可以进行第 2个分支 的测试 。注意 ：在对每个波导管分支进行测试时 ， 需要在 T G C C上给另一个分支接线端安装 5 O Q 的 匹配负载。由图 7可见 ，由于第 1个 T G C失 配 ， 造成随后 5个法兰失配，最后终端 负载严重失配。 法兰、过渡件之 问的失 配不应 大于 一2 0 d B。可通 过图形显示的回波信号读数进行检查。 微波回声 测量 比较难 ，环境不 同结果也会 不 同。例如 ，回声测试 中遇到的干扰可能是由于墙壁 或测试者的位置高于波导管 ，或者波导管周 围有其 他器件干扰 。

21、 通过这些测量 ，可以确定出现主要故障的准确 46 图 7 波导失配测试波形图 位置 ：波导管安装不正确或安装不合格 ；波导管损 坏、破裂 ；波导管中存在异物 ；波导管 内部某一位 置有水 ；没有安装终端 负载 ，或者终端负载损坏， 或者功能异常等 。 5 2 传输测试 传输测试将验证被测波导衰减量 。传输测量的 原理是接入一个 已知频率和强度 的连续信号至波导 管，然后在波导管终端测量接收信号的强度。在传 输测试 中需要对波导管的每个区段进行测试。接人 和接收的信号强度 差即是本段波导管的传输衰减 ， 波导管区段的末端衰耗应符合设计要求。 5 3 车 - 地传 输 测试 完成地面设备 的传输性能测试之后 ，需要进行 列车车载设备利用波导管传输通道和地面设备的传 输性能测试。 6 工程应用 信号系统使用波导管技术 首次于 2 0 0 3年在新 加坡东北线信号工程中，采用地面安装的设计方 案。国内首次应用波导管技术的是 2 0 0 6年北京地 铁2 号线 “ 消隐”改造工程信号系统，采用隧道 顶部安装的设计方案 ，同时 ，这也是世界上首条隧 道顶部安装设计 的线路。2 0 0 6年首都机 场线全线 采用波导管地面安装的设计方案。希望此文能对国 内信号专业人员了解及应用波导管技术有所帮助。 参考文献 1 阿尔斯通公司相关技术文件及技术交流资料 ( 责任编辑 ：诸红)