CN101373860B - 嵌在铁路车辆上的波导天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种安装在沿着至少一条道路(2，3)移动的车辆(A，B)上，并且借助给定波长的超高频信号与位于沿着至少一条道路(2，3)的位置上的固定连续通信装置(1)进行通信的发射和/或接收天线(4)，该连续通信装置(1)包括至少一个发射面。该天线由矩形横截面的波导构成，该波导的较大面由矩形缝隙(5)贯穿，这些矩形缝隙的较大尺寸小于所述超高频信号的半波长，并且其中两条相继的缝隙(5)的中心之间的间距小于波导中传播的超高频信号的半波长(λ_g)，从而生成具有两个对称波瓣的定向辐射图。

Description

嵌在铁路车辆上的波导天线

技术领域

本发明总体上涉及一种具有波导的定向发射/接收装置，更具体地涉及一种具有双向且对称的波导的天线。

背景技术

具有双向辐射方向图的发射/接收天线在两个优选空间方向上与发射机/接收机进行通信。

这样的天线具有例如沿着公路、铁路等运输中枢的应用。传统上，无线电覆盖由在地平面上间隔设置并用塔架举起的发射机网络保证。移动设备在这些位于地平面上的发射机之间移动。

当沿着运输中枢行进时，该移动设备与紧挨着位于上游的发射机进行通信。当离开这一上游发射机时，从该发射机接收到的信号逐渐衰弱直到变得不能使用。然而，同时，从下游发射机接收到的信号增强，因为它与移动设备之间的距离在减小。必须对移动设备进行通信转移，以将其通信(现在已不能发挥作用)从下游发射机转移到上游发射机。这一步骤在蜂窝通信网络中被称为“转交”。

为了确保这一与上游基站的通信并且同时确保这一针对下游发射机发射的信号的接收程度的监视，接收机必须使用两个天线，这两个天线沿着多个塔架上天线的方向在水平面上分别指向前向和后向。

在铁路通信系统的情况下，固定通信装置位于地平面上或位于沿着这一路径的隧道拱圈内。该固定通信装置可以是全向的，就是说，它在所有空间方向上辐射或接收电磁信号。该通信装置也可以是定向的，就是说，信号在一空间方向上具有高增益：辐射方向图表现出给定取向的主瓣。具有相同辐射方向图的定向天线会有力地优化与后一装置的通信。

在“开放”的传播媒质中，处于地平面上的通信装置将例如由定向发射机/接收机构成。在“封闭”的传播媒质中，例如在大城市网络中，处于地平面上的通信装置是例如波导。

处于地平面上的波导装置必须以千兆赫(GHz)以上的非常高的频率工作，以造成在机械上实现与其在路径上的运用相称的大小。使用这些超高频率确保所有地面火车通信都能够顾及到。这些高频率对应于在空气中5至20厘米数量级(1.5GHz至6GHz以及更高)的波长。为此，路径上的波导通常明显远离(从波长数的角度而言)位于火车上的这种天线。这导致了远场类型的电磁辐射，对于远场而言，可以从理论上计算并且利用实验测量辐射图。

由于车辆沿着运输中枢在两个相反的方向上移动(以0°和180°运动，并假设道路的轴线位于0°上)，因此发射/接收天线必须能够在两个方向上与道路上的通信装置通信。

文献US6,091,372公开了一种辐射电缆类型的，道路上的传输线和位于铁路车辆上的传输线之间的通信系统。这篇文献中讲述的原理与辐射传播线之间的耦合相关，车厢上作为天线使用的传输线长至数米。通信主要是在近电磁场中进行的，或者利用辐射电缆采用的频率(一般到500MHz)下少数几个波长进行，并且对于“车厢上的辐射电缆-地平面上的辐射电缆”的距离(或在隧道拱圈内)而言，为一米数量级。

最好是相对彼此取向的传输线之间的耦合明显证明比相反取向的耦合更重要。为了接收最强的信号并依照火车相对于道路的取向，因此证明需要使用开关来人工转变发生器/接收机的相对端子的位置和火车车厢上的这种辐射电缆上安装的相关端子的位置。

这种装置的缺点是这种类型的耦合所需要的传播线，即火车天线，的长度要数米长。另外一个缺点是需要按照车辆的行驶方向切换传输线的取向，以增强耦合和改善车辆和道路上的装置之间的通信。

发明内容

本发明的装置的目标是嵌入在车辆上的能够可靠地且稳定地与位于道路上的固定定向通信装置进行通信的定向接收和/或发射天线，该天线设计简单，体积不大且与车辆行驶的方向无关。

按照本发明，安装在沿着至少一条道路移动的车辆上并且借助给定波长的超高频信号与沿着至少一条道路放置的固定通信装置进行通信的接收和/或发射天线由矩形横截面的波导构成，该波导的较大面由矩形缝隙贯穿，这些缝隙的较大尺寸小于所述超高频信号的半波长，并且因此其中两条相继缝隙的中心之间的间距接近波导中传播的超高频信号的半波长。

该接收和/或发射天线还可具有以下一个或多个单独看待或按照所有技术上可行的组合看待的特征：

缝隙的数目为5到10个之间，

所述天线的波导的放射面为垂直的，并且与沿着道路定位的固定通信装置的放射面相平行放置，

天线波导的轴线与固定通信装置的轴线平行，

该天线远离该固定的连续通信设备的距离为所述超高频信号在空气中的波长的至少四倍，

该天线位于该车辆的单独一侧上，

该天线位于该车辆的每一侧上，

该天线由天线罩覆盖。

因由本发明，天线的各个缝隙相对于垂直于这一缝隙平面的平面沿着两个对称方向辐射表现为两个主瓣的信号。该波导容于制作，使用简单可靠，并且双方向性能够在无需任何特别干预的情况下实现与车辆的行进方向无关。由于地面火车之间的通信的传播环境由不同的周围障碍物(火车，墙......)的反射强度表征，将其辐射集中到路径上的波导的定向天线限制了这些多重反射对于链路质量的影响，并因此增大了实践中可利用的“嵌在火车上的天线-路径上的波导”之间的距离。

此外，从路径上的波导并且关于根据本发明的天线，信号的幅度明显证明是常量并且不需要特别的信号“平滑”。在两个特别空间取向上的特定聚集、对称并且仅在这些与路径上的波导的最大辐射相对应的方向上，证明对于优化地面火车传输的平衡特别有利的。

附图说明

本发明的其他目标、特征和优点将从以下描述中显现出来，该描述是参照附图进行的，其中：

图1是铁路网的通信装置的示意图，

图2示出了与波导的物理表示相关的、按照通信装置的方位角测得的辐射图，

图3示出了按照本发明的波导天线的透视图，

图4示出了属于按照本发明的天线的辐射图，

图5示出了装备了按照本发明的天线的车辆借助两条路径之间的环线改变方向和路径，

图6示出了装备了两个按照本发明的天线的车辆借助车库道路改变方向和道路。

具体实施方式

图1是铁路网(例如城际铁路)的通信装置的示意图。

使得线路的控制站能够与在道路2，3上行驶的车辆A，B通信(并且反之亦可，使得车辆能够与控制站通信)的定向通信装置1位于例如两条道路2，3之间。这一信息可以是例如针对车辆的自动控制信息、与线路信令相关的信息或者甚至是车辆到控制站的视频或音频信息。它包含在由双向箭头S1和S2表示的超高频信号中。作为替代，定向通信装置可以位于道路的两侧。

超高频信号注入到由至少一个波导构成的通信装置1中。该波导具有包括四个面的矩形截面中空管的形式。它以非发射面着地地位于地平面上或者隧道拱圈内。

每个波导具有两个发射的垂直且相对的表面1a和1b，各个面贯穿有垂直于波导轴的缝隙的网络，这两个面位于波导的大面上，缝隙的较大尺寸远小于波导中传播的信号的波长。这一特性使得各个缝隙中泄露出的仅为传播信号的能量的很小一部分。结果，由于信号仅仅会因为经由缝隙传输到波导外面而受到非常轻微的衰减，因此路径上的波导可以具有数百米的长度。

通信装置在两个面上的缝隙也可以接收来自车辆A，B上的天线4的超高频信号的方向上是双向的。

图2表示按照通信装置的波导1的方位角测得的辐射图，波导1以较小的非发射面着地地位于地面上。双缝隙网络的波导1具有在远场中有两个主瓣L₁和L₂的定向辐射图，这两个主瓣L₁和L₂相对于波导的轴(轴0°)对称。各个波瓣的取向描述了与波导的轴线成大约30°的α角。为了与这样的波导通信，嵌入在车辆上的发射/接收天线也必须是定向的。因此它必须具有能够在路径上的波导和这一天线之间实现最佳能量传递的定向辐射图。换句话说，该天线的辐射图必须具有至少一个取向与波导辐射图的主瓣之一的取向相同的主辐射波瓣。

例如，为了和具有相对于波导的轴成30°指向的主瓣的波导进行有效的通信，嵌入在车辆上的天线也必须具有30°的起始角度，以在这一优选空间方向上有效地接收和发射信号。

为了与分布在波导1附近的两条道路中的一条或另一条上的车辆的行驶方向无关，车载天线4必须为“对称的”，即，各个发射缝隙必须相对于穿过缝隙中心且垂直于波导纵轴的平面对称地辐射。换句话说，并且重复上述例子，各个缝隙必须具有取向成30°的波瓣和取向成150°(180°减30°)的波瓣。

包括这两种特性(定向和对称)的天线为图3中所示的依照本发明的发射和/或接收天线4。它由矩形截面波导构成，该波导的长度为b的大面中的一个穿透有7个缝隙5，这些缝隙垂直于波导的纵轴。该波导的一端以50欧姆的同轴阻抗填充物7封闭，并且其另一端经由同轴接线6连到接收机(未示出)。缝隙5的较大尺寸D接近在波导中传播的超高频信号的半波长，但是稍小些以避免从波导中传播的信号中引出过多的能量。

两条连续的缝隙5的中心之间的间距E接近波导中传播的信号的波长的一半。在矩形截面的波导中，波导中传播的信号的波长记为λ_g、空气中传播的信号的波长记为λ，波导的截止波长(在其之上波导不传播功率)记为λ_c，它们之间的关系为：

${\left(\frac{1}{\mathrm{\λ}}\right)}^2={\left(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_c}\right)}^2+{\left(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_g}\right)}^2$

在该矩形截面的波导中，截止波长λ_c等于波导的较大横向内部尺寸的两倍。举例来说，对于较大内部边长为10cm的波导，这给出了

λ_c＝20cm

乃至1.5GHz的低截止频率。在这一频率上，没有信号在波导中传播：根据上面的公式，λ_g倾向于无穷大。在该频率以上，信号开始以低衰减在波导中传播。

在同样的条件下，在2GHz，或者空气中的波长λ为15cm时，从上面的公式计算出的波导中传播的信号的波长λ_g为22.6cm。考虑到均匀地间隔开且在一端馈电的几个缝隙的网络。传送到这一端的能量按照与这一导波波长λ_g成比例的相位滞后从一个缝隙传播到另一个缝隙。这一能量的一部分辐射到波导的外面且此时在空气中以波长λ传播。由于信号在金属波导中的传播而得以异相馈电的这些缝隙在空气中的辐射的组合提供了具有所需的起始辐射角的辐射图，导波半波长

的相位滞后提供了所需的双辐射波瓣，并且这两个辐射波瓣具有等同于取向0°和180°的起始角。这一相位滞后是由两个相继缝隙5之间接近半波导波长的间距E从物理上完成的。

对于缝隙5之间更小的间距E，只有单独一个辐射波瓣，类似于在所使用的道路上在波导1上获得的波瓣。

所获得的电磁场的极化是线极化，辐射电场具有按照天线或波导支撑的纵轴取向的主分量。

波导中形成的每个缝隙5具有较小的边，该较小边的边长对于波导的金属厚度足够大，以至于波长的金属厚度相对于这一尺寸很小(考虑波导的金属厚度为1mm，优选较小边为3-4mm的缝隙，以忽略由于信号经由在金属厚度中非常薄的缝隙的传播而带来的另一个波导的影响)。

天线增益随着与辐射组合的缝隙的数目而增大。在五个缝隙这一最小数量下，增益不是最理想的，但是如果存在严重的火车天线脚印大小问题，则此时的增益也是足够的。在10个缝隙以上，增益增加略微变大，但是辐射波瓣变窄，将能量集中到细小的波束中，并且在车辆出现过度悬浮错位的情况下，存在脱离足够的覆盖区域的风险(纵倾，侧倾)。

图4示出了按照本发明的天线的图示。天线波导的纵轴为处于0°的轴线上。两个波瓣L_A和L_B清楚地出现在大约30°和大约150°的角度上，表明波是在这两个优选的方向上以同样的增益被发射的。

天线波导的发射面处于垂直位置上并且平行于沿着道路安放的固定连续通信装置的发射面。实际上，通信装置的波导是非发射面着地地定位的，发射面处于垂直位置上。道路上的波导的辐射的极化方式与接收/发射天线相同。

因此天线是这样定位在车辆上的：使得天线波导的纵轴平行于道路上的波导的纵轴，从而天线的辐射方向图的波瓣和道路上的波导1的辐射图的波瓣具有相同的取向。

如果通信装置1位于两条道路2，3之间的地平面上，则将天线安装在车辆的底盘下面，或者如果通信装置1位于两条道路2，3之间的隧道拱圈内，则将天线安装在车辆的顶上。由于通信装置向天线的辐射(以及反过来的辐射)是在远场中发生的，因此接收和/或发射天线与通信装置1之间的间距至少是超高频信号在空气中传播的波长的四倍。火车天线可以是横向安装的，其波导体积集成在底盘上，缝隙表面由与底盘表面平齐的天线罩覆盖。

天线可以位于车辆的一侧或位于车辆的两侧。实际上，当车辆到达前行线路的一个终点时，它经由连接两条道路的末端的大半径环线移动在平行的返回线路上或者通过在位于返回道路上游的车库线路上进行返回过程来移动在返回线路上。

图5示出了第一种图解情况：车辆A按照与前行道路2上相同的布局处于返回道路3上，即，车头在前端。车辆上的箭头表示车辆在道路上的路径。位于道路上的波导1依照由三角形L₁和L₂表示的两个方向发射出信号。为了简化的目的，在图5中示出了仅由波导1的少数几个缝隙的辐射能量供应的信号，但是实际上这一信号沿着整个波导1都存在。安装在车辆上的天线4具有两个波瓣L_A和L_B。

在前行路径2上，由于波导1在波瓣L₁的区域中发射(或接收)的信号与天线4的接收(或发射)波瓣L_B的区域具有相同的取向，因此天线4和道路上的波导1通信。在返回道路3上，由于波导1在波瓣L₂的区域中发射(或接收)的信号与天线4的接收(或发射)波瓣L_A的区域具有相同的取向，因此天线4和道路上的波导1通信。在这种线路末端布局中，需要在车辆上最接近道路上的波导1的一侧上设置单独一个天线4。

图6示出了第二种图解情况：车辆A经由旁轨20从前行道路2转移到返回道路3。因此布局与前行道路2上的布局相反，即，车头在车尾(在这种情况下，车辆通常每一端有一个车头，此处未示出)。必须在车辆的两侧上安装两个天线，因为在旁轨20上进行前行和返回过程的时候，当车辆移动到返回道路3上时，安装在车辆在前行路径2上移动时最接近道路上的波导1的位置上的天线4此时处于距离道路上的波导1最远的一侧上。

Claims (8)

1.一种接收和/或发射天线(4)，其被安装在沿着至少一条道路(2，3)移动的车辆(A，B)上，并且借助给定波长的超高频信号与沿着至少一条道路(2，3)放置的固定通信装置(1)进行通信，其特征在于，所述天线由矩形横截面的波导构成，该波导的较大表面由矩形缝隙(5)贯穿，这些缝隙的较大尺寸小于所述超高频信号的半波长，并且特征在于，两条相继的缝隙(5)的中心之间的间距接近于波导中传播的超高频信号的半波长(λ_g)，其中所述天线的各个缝隙相对于垂直于这一缝隙的平面的平面沿着两个对称方向辐射表现为两个主瓣的信号；

其中所述天线的缝隙垂直于所述天线的波导的纵轴；

其中所述固定通信装置(1)由至少一个矩形截面的波导构成，所述固定通信装置的波导具有两个垂直且相对的发射面(1a，1b)，且所述固定通信装置的波导的各个发射面(1a，1b)贯穿有与所述固定通信装置的波导的轴线垂直的缝隙的网络，所述固定通信装置的缝隙的较大尺寸远小于所述固定通信装置(1)的波导中传播的信号的波长。

2.如权利要求1所述的天线，其特征在于，缝隙(5)的数目为5到10之间。

3.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述天线(4)的波导的发射面是垂直的，并且与沿着道路(2，3)定位的固定通信装置(1)的发射面相平行放置。

4.如权利要求1所述的天线，其特征在于，天线(4)的波导的轴线与固定通信装置(1)的轴线平行。

5.如权利要求1所述的天线，其特征在于，天线(4)离开固定通信装置(1)的距离为所述超高频信号在空气中传播时的波长的至少四倍。

6.如权利要求1所述的天线，其特征在于，该天线位于车辆(A，B)的单独一侧上。

7.如权利要求1所述的天线，其特征在于，该天线位于车辆(A，B)的每一侧上。

8.如权利要求1所述的天线，其特征在于，该天线由天线罩覆盖。

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