机车顶多部天线布局带来的互耦效应研究

摘要

客运高速化是当今世界铁路发展的共同趋势。高速动车组在提供给我们快捷,舒适的出行方式的同时,其在高速运行状态下的安全问题一直是人们所关心的话题。随着以GSM-R无线通信和调度系统作为核心的CTCS-3级列控系统的应用,以及现有的450MHz车载电台和GPS卫星定位系统,机车顶上势必会存在多部天线共存的情况。车载天线间由于相互耦合存在电磁干扰,若不能很好的解决天线之间的耦合问题,就可能对整个机车系统的正常工作产生影响,使行车安全存在严重的隐患。车载天线工作在开放且十分有限的空间环境中,通常的空间隔离及屏蔽技术不能用于天线间干扰的抑制,合理的天线布局是降低天线间相互耦合的有效措施。
　　 本文结合多年来前人对车载、机载天线系统的研究,首先建立了一个较为简单的天线系统模型,即在有限大的长方形金属平板上放置多副天线组成的系统。然后综合考虑机车顶上的实际情况对天线性能的影响,细化了模型,考虑了天线间存在障碍物遮挡的情况,提出以天线之间的耦合度为优化参数的目标函数,再基于Matlab高级语言,根据遗传算法得到了机车顶多部天线布局的优化方案。为机车实际的天线布局提供了理论上的指导。
　　 其次本文基于高频算法和矩量法的混合算法,对机车车顶上天线进行仿真,具体分析了车体、边缘效应、障碍物遮挡、接触网、地面等多种因素对天线性能的影响。并针对优化后和优化前两种天线布局方案的天线方向性和天线间的耦合度进行了大量的仿真,验证了经遗传算法用于天线布局优化问题中的正确性和有效性。
　　 最后在半电波暗室中进行了实验,将全反射地面等效成机车车顶,四周为自由空间,忽略实际地面以及车体的影响。在考虑障碍物和不考虑障碍物的情况下,使用矢量网络分析仪测试了“一”字形和“W”形两种布局方式下天线间的耦合度,得到大量实用的数据,并把得到的数据与理论结果进行比较,给出了误差分析。