CN101353046B

CN101353046B - 用于铁路车辆的通信设备

Info

Publication number: CN101353046B
Application number: CN 200810161122
Authority: CN
Inventors: M·海德伯特; D·杜霍特
Original assignee: Alstom Transport SA; Institut National de Recherche sur les Transports et leur Securite INRETS
Current assignee: Institut National de Recherche sur les Transports et leur Securite INRETS; Alstom Transport Technologies SAS
Priority date: 2007-05-31
Filing date: 2008-05-30
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2028-05-30
Also published as: EP2006954A1; FR2916907A1; EP2006954B1; CN101353046A; FR2916907B1; SG148137A1

Abstract

本发明涉及一种用于在铁路车辆和控制站间进行通信的设备，其包括一个放置于两条平行的轨道之间的平行六面体波导，该波导的两个相对的面被缝隙贯穿，以便来自波导内部的微波电磁辐射穿过并发送给可沿波导方向运动的车载天线，或者相反，将来自可沿波导方向运动的车载天线的微波电磁辐射发送给波导的内部。

Description

用于铁路车辆的通信设备

技术领域

广泛地说，本发明涉及一种用于在一个或多个铁路车辆和控制站间进行通信的设备，更具体地说，涉及一种辐射波导连续通信设备。

背景技术

从本申请人的文献FR 2 608 119，可以知道一种用于在铁路车辆和控制站之间进行连续通信的设备，该设备具有一个在主模下辐射的波导，主模也被称为TE₀₁模。该设备包含一个平行于运输轨道的中空管，并且该中空管沿着轨道放置，形成一个波导，该波导的仅一个发射面被形状不对称的开口所组成的网络贯穿，这些开口用于使微波电磁辐射通过。这些开口(由于它们的形状窄而细长，所以在下文中将被称为“缝隙”)组成的网络本身可以被放置成将其发射面与可沿着辐射波导运动的车辆上的天线处于一个较短的距离。这些缝隙的形状和尺寸，以及缝隙与缝隙之间的间隔是依据所使用的频率范围确定的。该波导的剖面尺寸与波长相当，而缝隙的长边尺寸小于波长。所允许使用的频率范围依据国家而定。在法国以及世界的很多区域，优选使用2.4GHz的频率范围，这个范围内所能够使用的频道是按照IEEE802.11b和g标准而确定的，该标准被称为用于无线保真的Wi-Fi，或者是按照IEEE802.11a标准使用5.8GHz的频带。电磁理论认为，对于约为波长大小或者是几个波长的天线间距离，认为天线在近场工作并且需要一种特殊的方法来研究它们的耦合。举例来说，在2.4GHz的情况下，也就在说在大气中的波长为12.5cm的情况下，电磁学上通常认为近场状态在约为波长的3到4倍的距离、或者40至50厘米内是有效的。超过这个距离，天线开始在远场工作。

沿着该波导，并且在小于四个波长的距离上，由波导所辐射的总体信号可以看作是位于车辆天线所在的当前点的上游和下游的几个缝隙的每一个近场辐射的总和。能量垂直地辐射到缝隙的平面上。对于这些短的范围，不可能清楚地示出辐射的特殊方向，就象当缝隙与缝隙之间呈现出适当的相位和功率关系时通过考虑这些缝隙的远场中辐射的组合所能获得的那样。因此，为车辆装备了用于发射和/或接收微波的天线以促进波导的发射部件和车辆的天线间的近场耦合，而不需要特殊的优选方向。

交通控制站装备了一个用于为波导提供微波的设备和/或至少一个用于接收来自波导的微波的设备。该设备使在地面上的控制站和车辆之间连续维持一个宽通带链接(>100MHz)成为可能。在近场中，该设备同时还允许对车辆速度进行测量，而不需要和地面进行物理接触，并且可以通过读取记录在波导结构中的伪随机序列对车辆的位置进行测量。该设备可以在任何的轨道(隧道、高架桥、岔路口等等)环境下使用。使用2-6GHz范围内的高频，可以克服限制铁路环境的大部分电磁兼容问题。

波导是由金属制成的。对金属的选择折中考虑了金属成本的限制和对金属固有传导率的限制，前述的固有传导率影响着波导内波的传导性能。因此，取决于所选择的金属，纵向衰减会比较高，并且每公里波导所需要的发射机/接收机的数量会按比例地比较多。总的纵向衰减是由焦耳效应造成的损耗和由通过波导的缝隙所辐射的波的能量的引出所造成的损耗的总和。

例如，在一个2.4GHz的具体实施例中，一个铝制波导表现出焦耳效应引起的15-16dB/km的线性损耗以及由构造限制带来的2-3dB/km的线性损耗。

通过文件US 3 648 172也可以了解到一种具有两个由位于波导上部部件的圆形开口构成的纵向网络的圆形波导。在所提到的甚高频率条件下(7.5-10GHz)，波导利用更高阶的传播模式，通常称为TE_mn(m，n>1)，以便在其沿传送网络的使用上获得有限的纵向衰减。为了允许这些模式传播，该波导的直径至少比波导中传播的波的波长大三倍。贯穿波导的圆形开口同时发射电磁辐射的多个分量。因此，它们在不同的空间方向上发射电磁能量。然而，火车天线通常只接收在一个特殊空间方向上的单个电场分量，因此，只呈现出了由波导发射出的能量中的一部分，被辐射的其他部分则没有被使用。因此，这降低了链路的信噪比，进而限制了地面对火车通信时的有效输出，然而在现代的地面对火车通信系统中，信噪比应该是比较高的。并且，在该波导中可能同时产生多个传输模式的传播，在这些传输模式间产生信号的跳动和局部衰减，因此需要使用一个夹层波导结构作为模式滤波器使用，使用在铁路环境中考虑到材料的耐久性或者是在火灾时可能散发出有毒烟雾时可以接受的材料来制作这样的设备是很复杂的。

当需要装备通信设备的铁路网络是一个双轨网络时，波导将平行于每一条轨道放置，每一侧都具有所需数量的发射器和接收器。因此交通控制站通过将微波发送到两台通信设备中来与在每一条轨道上行驶的每一列火车进行通信。

发明内容

本发明所要解决的问题是减少安装在地面上的发射器/接收器的数量，同时限制沿着双轨安装的波导的长度，以便限制所需的材料和部件的数量而不产生任何特殊的机械应力，在允许控制站与在两条平行的轨道上运行的火车以高速的数据传输进行通信的同时减少安装和维护设备的时间，并且实现与现有技术的通信设备相同的安全性和可用性。两条平行的轨道被一个有效的距离分隔开，该距离以所使用的微波通信信号的波长表示。

依照本发明，用于在控制站和至少一个铁路车辆间进行连续通信的设备包括至少一个利用非发射面放置于两条平行的轨道之间的波导，该波导包含两个发射面，每一个发射面被一个开口网络贯穿，使得给定波长的微波电磁辐射通过；还包括至少一个装备了至少一个天线的车辆，该天线用于发送和接收微波；控制站装备了至少一个用于向波导提供微波的设备和至少一个用于接收来自波导的微波的设备，并且其中的波导的形状是平行六面体，波导的开口是由缝隙形成的。

该通信设备也可以包含一个或多个如下的特性：

-波导发射面的较大尺寸约为波导中传播的电磁辐射的波长的大小；

-缝隙的长边尺寸至少比波导中传播的电磁辐射的波长小五倍，

-缝隙间的间隔小于在大气中发射的信号的一半波长，

-由缝隙构成的两个网络是相同的，

-由缝隙构成的网络中的一个大于另一个，

-发射面是被垂直布置的，

-缝隙是垂直布置的，

-车载的天线和通信设备之间的距离至少是波长的4倍，

-车载的天线具有和通信设备相同的辐射方向性。

因此，具有双重缝隙网络的波导通信设备的第一个优点是，制造波导所需的材料量减少了一半而仅仅略微增加发射器/接收器的数量。

具有双重缝隙网络的波导通信设备的第二个优点是，通过将波导安装在实际的轨道外，减少了轨道的安装应力，从而便利了后续的维护工作。

第三个优点是，这样配置的波导虽然很坚固，但被证明不易受到与物体从车辆上坠落或拖曳有关的特别是在维护轨道时产生的材料损害。

第四个优点是，对双重缝隙网络进行垂直布置，可以减少由于污垢、水、雪、冰等等在发射面上堆积而造成的不利影响。

此外，波导的尺寸使得仅仅主传播模式TE₀₁被使用，因此由于不再需要过滤不同的传播模式而简化了波导的机械结构。

附图说明

下面通过结合附图的说明，本发明将变得更加清楚，其中：

-附图1是一种用于铁路网络的通信设备的示意图，

-附图2示出了一种依照本发明的波导的截面图，

-附图3示出了一种依照本发明的第二实施例的波导的截面图，

-附图4示出了依照本发明的通信设备的一个实施例，

-附图5示出了对依照本发明的通信设备进行方位角测量的辐射图，与波导的物理表述相关。

具体实施方式

附图1示出了一个用于在控制站P和至少一个在轨道上运行的车辆A之间进行通信的设备，其包含多个固定的波导1、1’、1ⁿ等等，沿着轨道一个接一个地连续放置。通信设备的长度依赖于网络的类型。波导的长度是数百米，并且该通信设备包含覆盖整个铁路网络的n个波导。

由于所有的波导都是相同的，所以将仅对波导1进行说明。波导1是由两个独立的部分1a和1b构成的，波在部分1a和1b的末端2a和2b处例如通过同轴线-波导转换的方式被注入到其中。波导1的末端3a和3b被加负荷(charge)以避免在波导内建立驻波，例如通过波导-同轴线转换方式以及适当的阻性负荷(resistive charge)，或者是在波导的金属短路面的前面布置微波吸收材料。末端3a和3b不将波传输到相邻的波导1’和1ⁿ中。

通过连接至通信网络R的发射器/接收器4对波进行发射和接收，该通信网络R将所有的发射器/接收器4、4’、4ⁿ等等链接至控制站P。因此数据从控制站P，经过通信网络R、发射器/接收器4、4’、4ⁿ、波导1，1’，1ⁿ、流动至车辆A，反之亦然。

如图2所示，在该具体实施例中波导1的形状是平行六面体，较大表面6a和6b被缝隙8a和8b贯穿(这里示出的是垂直的)用于辐射或接收波。该表面6a和6b被称为“较大表面”是因为它们的边b大于“较小表面”7a和7b的边a。发射面6a和6b的较大尺寸b与波长大小相当。由于这一特征，只有主模TE₀₁被使用，也就是在波导中只能传输第一模式，而抑制了其他任何模式。

缝隙的长边尺寸D比边b的长度小得多：至少比在波导中传输的波的波长小5倍。这可以将每单位长度的辐射损失限制在2-3dB/km同时保持波导的功率辐射足够保证与车辆进行高速输出通信。

换句话说，

b～λ

D≤λ/5

λ是在波导中传播的电磁辐射的波长。

优选地，缝隙的长边D位于垂直的方向，垂直于波导的方向。缝隙的这一配置和非常不对称的形状(D至少比缝隙的短边大6倍)使得有可能在波导的方向上辐射单个电场分量。该电场分量被车辆的天线使用。这样，从波导中引出并向外辐射的能量被限制在地面-车辆通信所需的最小程度。

在实践中，以主模方式工作在较低的2.4GHz低频下的波导具有一个大约为12.5cm的较大面b，或者波导中传播的电磁辐射的波长λ。缝隙D的长边是19mm，缝隙的短边是3mm，并且缝隙间的间距是61mm。

如图3中所示，作为一种变形，在一个发射面例如发射面6a上，所有缝隙8a的长边D₁可以相对于另一个发射面6b上的缝隙8b的长边D₂均匀地增加。这样可以增强朝向两条轨道中的一条的电磁辐射。例如，这可以补偿轨道间放置波导时的不对称，这与该地点采用的配置有关，这使一条轨道相比另一条轨道离波导更远一些成为可能。

作为一种变形(未示出)，波导可以具有圆形或椭圆形的剖面，并且其电磁辐射在大气中具有类似的特性。

图4是一个设备的视图，该设备用于在交通控制站P(未示出)和两辆分别在平行轨道2和3上以相反方向行驶的车辆A和B之间进行连续通信。下文的说明中假设两辆火车出现在轨道2和3上，但是应该知道即使只有一辆火车行驶在单独的一条轨道上，该装置的作用也是完全相同的。

波导1被放置在轨道2和3之间，它的较小面7b被放置在地面上，或者是放置在和地面保持一定的距离的支撑物上，作为发射面的6a和6b是垂直的。或者，波导1可以被悬挂在隧道的拱顶上，位于两个轨道(2，3)之间。

通过以一组微波的形式将信号S1和S2注入到波导1，1’，1ⁿ中，交通控制站P和火车A和B进行通信，该微波是在波导1a和1b中按照“向外的”传播模式传播的，并且全都在火车A和B的天线5的方向上由波导1a和1b的发射面进行辐射(在图4中，所发出的波以二向的双箭头表示)。因此每一个车载的天线接收到注入到波导1a和1b中的所有波(图1)，每一个天线的接收器以已知的方式处理接收到的信号S1和S2，以便分辨出哪一个信号是发送给它的。可以在车上安装一个或多个天线，可以在火车的同一侧或者每一侧上安装一个或多个天线。

考虑到由于焦耳效应造成的能量损耗以及由于从缝隙8a和8b引出能量造成的损耗，当波被发射器/接收器4注入时，波的功率在靠近末端2a和2b的地方达到最大值(图2)。相反地，在末端3a和3b处，波的功率是最小的，这是因为波在沿着波导进行传播时，以及通过缝隙8a和8b进行辐射时损失了能量。

所述车载天线5(图4)是发射器和接收器。因此，火车A和B通过以微波的形式发射信号可以和控制站P进行通信，信号是通过车载天线5向波导1发送的，然后信号从发射面6a和6b的缝隙8a和8b向波导1的末端2a和2b(图1)进行传播，传播的方式是和“向外”模式相同的“返回”传播模式。

在这种情况下，考虑能量的损耗，注入到波导1中的波的功率在末端2a和2b到发射器/接收器4的方向上减小(图1)。

众所周知，现有技术的波导(非常长并且只在一个表面上形成缝隙，缝隙的尺寸远远小于波长)的辐射图，在近场中呈现出一个辐射方向，在垂直于开口的平面上，指向波导的外部，不可能在特殊空间方向上获得能量的集中。

天线可以从波导类型的传输线开始产生同样也是已知的。因此RichardC.Johnson和Henry Jasik在“Antenna Engineering Handbook”中，在由McGraw-Hill图书公司出版的第二版中(第10章，第11页)，描述了一种被称为“漏波天线”的天线。这种天线是从一种具有长度很短的矩形剖面的波导开始构造的。它所使用的缝隙的长边约为波长大小的一半。开发这些天线一方面是为了获得较高的效率，也就是通过一个减小了尺寸(约为几个波长)的天线对所有发送至天线的能量进行辐射，另一方面是在很远的距离处对在所期望的特殊空间方向上所辐射的能量进行集中。因此，天线工作在远场并且其辐射图是有方向性的。

在同一章中，作者描述了通过在波导的四个面上形成缝隙而制作的另一个天线，以便获得在一个特殊的空间方向上发射的信号的圆极化。这时，不同的开口的辐射干涉强烈并且混合在了一起，从而产生了所需要的方向性和极化。因此产生并利用了这些开口间的强耦合和在波导中产生的场。

另一方面本发明的目的是严格地限制该结构的辐射以便只从波导的内部泄漏很少的能量。因此波导1被非常小的缝隙8a和8b贯穿，如前所述，只从波导内部引出非常少量的能量。

现在申请人将对依照本发明的波导1的多个缝隙8a和8b进行描述，与先前介绍的具有被四个缝隙网络贯穿的波导的天线的不同之处在于，辐射是独立的而不和波导内传播的能量或者其他靠近缝隙8a和8b的能量进行明显的交互。事实上，位于波导1的相对发射面6a和6b上的缝隙8a和8b所构成的不同网络的辐射基本上是独立的，在两个发射面6a和6b之间不出现明显的耦合。这一效果使得可以通过放置在轨道上的n个波导1在很长的距离上对信号进行连续的发送和接收，每一个波导1通过缝隙8a和8b的两个网络进行辐射，两个网络的辐射特性是彼此无关的。

事实上，当在导电板上提供了非常小尺寸的缝隙的情况下，极化理论证实，如果具有相对于波长很小的横向尺寸的缝隙位于薄的导电板上，并且在远场状态下时，那么该缝隙的辐射在与沿着缝隙的长边的轴方向的单元偶极子的辐射是可比的，该单元偶极子在波导的方向上辐射一个电场分量。该电磁偶极子是由于中断金属表面的电流线而产生的，与存在开口有关。等效辐射的这个磁偶极子垂直于缝隙的平面。

通过计算大量的具有正确的间隔和相位差的缝隙所产生的辐射的总体贡献，可以获得远场中的特定辐射图的结构。因此，依照本发明的波导1工作在远场中并且其辐射图是具有方向性的。然而，它并非像现有技术中的波导那样工作，因为依照本发明的波导1工作在远场中，而非近场中。它也不像现有技术中波导类型的天线那样工作，因为依照本发明的波导1仅辐射出在其中穿过了很长的一段波导距离的信号的很小一部分能量，而现有技术中的天线将在其中穿过了很短的一段波导距离的信号的所有能量辐射出去。

可以使用已知的方式计算缝隙间的间隔，当能量从缝隙8a和8b中穿过之后，一方面要考虑到由于微波信号在波导1中传播所引起的相移，另一方面还要考虑到这些信号在波导1每一侧的大气中传播所引起的信号的相移。缝隙间的临界间隔，也就是允许相长地相加不同的连续缝隙的辐射，当其处于2.4-5.8GHz频带内时大约为几个厘米，或者稍微低于在大气中发射信号的波长的一半，这样，无论天线处于何位置：在一个缝隙之上或者在两个缝隙之间等等，在波导上提供了一个具有恒定幅度的信号。超过该临界间隔，由缝隙网络所发送的信号从一个开口向另一个开口强烈波动，并且因此被证明并不适用于维持地面和车辆间的通信。

附图5示出了依照本发明的波导1的辐射图，两个发射面的缝隙8a和8b具有相同的尺寸。波导1的轴对应于0°角。由于两个缝隙网络的对称结构，相对于波导1的轴而言对称的辐射图包含两个主瓣9和10。该两个主瓣9和10，转换到附图3所示的传输环境中，就有可能通过放置在地面上或隧道拱顶上的中央位置的一个单独的辐射波导1，将电磁能量同时集中在两条传输轨道2和3的方向上。

一旦积累了足够数量的缝隙的辐射就可以获得该辐射图。在实践中，大约一百个缝隙就可以获得该上限值，超过该限制之后缝隙所提供的辐射总和就可以趋近于一条渐进线。如前所述，波导1被连续地安装在车站之间，超过了数百米的距离。因此，它包含着数千个缝隙。

在一个垂面上，辐射瓣9和10具有最大值，这取决于波导1距离地面的高度。地面和其物理特性的存在在辐射波导的高度上影响着辐射图。依赖于由安装点的机械应力所限定的波导距离地面的有效高度，应该为车辆选择一个匹配的天线高度，以便将车辆的天线定位在位于轨道上的波导1的辐射主瓣9或10中。实践中，车载天线5和波导1之间的距离至少应该是波长的4倍以便工作在近场状态。小于波长的4倍，天线位于近场状态。然而，在远场状态下，无法形成这样的辐射图因而不允许波导1将微波能量有效地集中指向天线5，此外无法在车辆和地面间进行具有最佳连接平衡的通信。

虽然相对于现有技术中的波导，波导1和车辆A、B上的每一个天线5之间的距离实际上增加了，但能量的汇总和集中所提供的增益在很大程度上对那些从波导1至车载天线5在大气中传播很长距离的信号的额外衰减进行了补偿。

车辆A或B的天线5被安装成使其位置能够始终接近于表现出附图4中辐射图的缝隙8a或8b的网络，并且在车辆A或B运动时，能够逐渐并连续地扫过波导1的数千个缝隙8a或8b(如图4所示)。辐射图总是伴随着车辆的运动并且能够在一个特殊的空间方向上向两个运输轨道2和3连续地提供最大的电磁能量。

一种天线被称为全向天线，也就是说无论所发射信号到达的方向如何该天线总是呈现出电磁场，或者其可以在所有的空间方向上使用相同的方式辐射电磁信号。该天线可以以与在其他空间方向上所接收或发送的信号相同的电平，在其特殊辐射方向上捕获由波导1发出的信号以及在波导的方向上传输该信号。

然而，这样的天线不能提供与将能量集中在一个或多个特殊空间方向上相关的任何特定增益。因此，由该天线所显示的信号是微弱的或者不足以通过缝隙将高功率注入波导中。这意味着这样的天线不能获得较高的通信输出，除非增加由火车或地面的发射器所发射的功率。

具有呈现出辐射方向性的辐射图的成形束天线能够在轨道上的波导1和天线之间实现最好的能量传输。换句话说，该天线的辐射图应该至少有一个辐射主瓣，主瓣的方向等于波导1的辐射图的主瓣中的一个的方向。该方向是通过主瓣的轴和天线或波导的轴之间的夹角α定义的。例如在图4中，依照本发明的波导1的一个主瓣和波导的轴之间大约呈30°角，和火车共线的天线5应该也具有一个30°的起始角度，以便在该特殊空间方向上有效地接收和发送信号。这种天线可以获得较高的通信输出率。

在波导1中的单位长度的总衰减仅少量的增加，这是由于通过将同样的缝隙的数量增加一倍，只有由于从波导中引出能量而导致的损失增加了一倍。在一个2.4GHz的具体实施例中，在使用铝制波导的情况下，单位长度的总衰减在18dB至21dB之间，并且在该范围内的衰减应该是3:18，或者是大约17％。通过少量地减小缝隙的尺寸可以减轻在该范围内的衰减，然而这会减少通过波导发送或接收的能量。

特别是由于在相邻的缝隙网络间的微弱电磁耦合，双缝隙网络的特点和它在远场中的辐射图被证明在比较宽的频带中是稳定的，并且特别是仅仅依赖于波导1中的正确传播模式。

Claims

1.一种用于在至少一个铁路车辆(A、B)和控制站(P)之间进行连续通信的设备，其包括至少一个设置于两条平行的轨道之间并且放置在非发射面(7b)上的波导(1，1’，1ⁿ)，该波导包含两个发射面(6a、6b)，每一个发射面被开口(8a、8b)的网络贯穿以使得给定波长的微波电磁辐射通过；至少一个铁路车辆(A、B)装备了至少一个天线(5)，用于发送和接收微波；控制站(P)装备了至少一个用于向波导(1，1’，1ⁿ)提供微波的设备和至少一个用于接收来自波导(1，1’，1ⁿ)的微波的设备，其特征在于，波导(1，1’，1ⁿ)的形状是平行六面体，所述两个发射面(6a、6b)是垂直布置的，并且所述开口是由缝隙形成的，缝隙(8a、8b)是垂直布置的。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，波导(1，1’，1ⁿ)的发射面(6a、6b)的垂直布置的边的尺寸b与波导中传播的微波电磁辐射的波长大小相当。

3.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，缝隙(8a、8b)的长边尺寸(D)至少比波导(1，1’，1ⁿ)中传播的微波电磁辐射的波长小五倍。

4.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，缝隙间的间隔小于在大气中发射的信号的一半波长。

5.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，由缝隙(8a、8b)构成的两个网络是相同的。

6.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，由缝隙(8a、8b)构成的网络中的一个大于另一个。

7.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，铁路车辆(A、B)承载的天线(5)和通信设备之间的距离至少是微波电磁辐射的波长的4倍。

8.如权利要求7所述的设备，其特征在于，铁路车辆(A、B)承载的天线(5)具有和通信设备相同的辐射方向性。