CN104752828B - 一种地铁车地通讯系统中的地面通讯设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施方式提供了一种地铁车地通讯系统中的地面通讯设备。该地面通讯设备包括：至少一个馈电波导，所述馈电波导上包括至少一个馈电通道单元，所述馈电通道单元包括至少一个馈电通道，所述馈电通道能收发地铁车地通讯系统中的车地通讯信号；当所述地面通讯设备包括两个或两个以上馈电波导时，两个相邻馈电波导之间依靠泄漏波导负载相互连接。本申请实施方式可以实现地铁车地通讯系统中车上通讯设备与地面的通信。

Description

一种地铁车地通讯系统中的地面通讯设备

技术领域

本申请的实施方式涉及地铁通讯系统技术领域，尤其涉及一种地铁车地通讯系统中的地面通讯设备。

背景技术

目前，基于各种实际应用需要，在地铁内部建设有各种通讯系统，比如，用于实现地铁列车调度控制的地铁无线调度指挥系统(TETRA)，为解决地铁高密度、高速度及大客流带来的安全运营压力而建设的基于通信的列车控制系统(CBTC)，用于进行地铁内警用、消防调度、车站公安值班通讯的警用无线通讯系统等。这些系统在地铁内相对各自独立，采用各自的无线通信制式，这就将导致多方面的问题。比如，使用相同载波通信的不同系统之间可能产生同频干扰，地铁内的电磁环境过于复杂，重复建设严重，导致无线资源的浪费和建设成本增加。

发明内容

为了解决上述问题，本申请实施方式提供了一种地铁车地通讯系统中的地面通讯设备，通过该地面通讯设备可以实现各个系统的统一通信。

本申请实施方式提供的地铁车地通讯系统中的地面通讯设备包括：至少一个馈电波导，所述馈电波导上包括至少一个馈电通道单元，所述馈电通道单元包括至少一个馈电通道，所述馈电通道能收发地铁车地通讯系统中的车地通讯信号；当一个馈电通道单元包括两个或两个以上馈电通道时，相邻两个馈电通道的工作载波的载波频率不同；

当所述地面通讯设备包括两个或两个以上馈电波导时，两个相邻馈电波导之间依靠泄漏波导负载相互连接。

优选地，所述馈电通道包括宽带偶极子天线以及同轴外导体和同轴内导体，所述馈电偶极子天线的一个馈电点与同轴外导体连接，所述馈电偶极子天线的另一个馈电点与同轴内导体连接，所述同轴外导体固定在馈电波导上，所述同轴内导体伸入馈电波导内，同轴内导体由同轴外导体形成的圆筒内的介质实现支撑。

优选地，当一个馈电通道单元包括两个或两个以上馈电通道时，相邻馈电通道的宽带偶极子天线中心线之间的距离为半个波导波长的偶数倍，相邻两个馈电通道的宽带偶极子的工作载波的载波频率不同，每个宽带偶极子的长度为工作在其本身上的工作载波的半个载波波长。

优选地，所述同轴内导体伸入馈电波导的深度按照馈电波导的通信面辐射强度保持均匀的要求确定。

优选地，一个馈电通道单元内各个馈电通道的宽带偶极子天线的方向相同，或者，一个馈电通道单元内相邻的两个馈电通道的宽带偶极子天线的方向相互垂直。

优选地，所述馈电波导为矩形馈电波导，所述矩形馈电波导面向地铁车地通讯系统中的车上通讯设备的平面为通信面，所述馈电通道单元位于所述通信面并沿通信面的中心线分布；

所述一个馈电通道单元内各个馈电通道的宽带偶极子天线的方向相同包括：一个馈电通道单元内各个宽带偶极子天线的方向均平行于通信面的长边或短边；

所述一个馈电通道单元内相邻的两个馈电通道的宽带偶极子天线的方向相互垂直包括：一个馈电通道单元内相邻两个馈电通道中的一个馈电通道的宽带偶极子天线的方向平行于通信面的长边或短边，另一个馈电通道的宽带偶极子天线的方向平行于通信面的短边或长边。

优选地，所述馈电通道包括在馈电波导上设置的条形缝隙槽口。

优选地，当一个馈电通道单元包括两个或两个以上条形缝隙槽口时，相邻两个条形缝隙槽口的工作载波的载波频率不同，各个条形缝隙槽口的长度为在其本身上的工作载波的半个载波波长，相邻两个条形缝隙槽口之间的间隔为半个波导波长的奇数倍，所述条形缝隙槽口交错平行分布在馈电波导的一个平面的中心线两侧和/或交错偏置分布在馈电波导的一个平面上。

优选地，条形缝隙槽口交错分布在馈电波导的一个平面的中心线两侧时条形缝隙槽口到中心线的距离以及条形缝隙槽口交错偏置分布在馈电波导的一个平面上时条形缝隙槽口偏置角度按照馈电波导的通信面辐射强度保持均匀的要求确定。

优选地，所述馈电波导为铜制或铝制馈电波导，馈电波导的外表面敷设透波材料。

本申请实施方式可以实现地铁车地通讯系统中车上通讯设备与地面的通信。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：

图1为本申请的地铁车地通讯系统中地面通讯设备的一个实施例的组成结构图；

图2为本申请一个实施例中宽带偶极子天线的馈电通道的剖面图；

图3a为多个宽带偶极子天线方向排列为水平方向的示意图；

图3b为多个宽带偶极子天线方向排列为垂直方向的示意图；

图3c为多个宽带偶极子天线方向水平、垂直交错排列的示意图；

图4为馈电通道的电波辐射示意图；

图5a为本申请另一个实施例中条形缝隙槽口的一种排列方式示意图；

图5b为本申请另一个实施例中条形缝隙槽口另一种排列方式示意图；

图5c为本申请另一个实施例中条形缝隙槽口再一种排列方式示意图；

图6为不同条形缝隙槽口长度的工作波导示意图。

具体实施方式

下面将参考若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。相反，提供这些实施方式是为了使本申请的公开更加透彻和完整，并且能够将本申请公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在地铁内的车地通讯系统中至少包括两部分内容，一是位于地铁列车上的列车通讯设备部分，二是位于地铁的隧道中的地面通讯设备部分，车地通讯系统通过列车通讯设备和地面通讯设备这两部分之间的信息交互实现信号控制、调度等重要任务。参见图1，该图示出了本申请提供的地铁车地通讯系统中的地面通讯设备的一个实施例的组成结构。在该实施例中地面通讯设备10包括：

至少一个馈电波导11，所述馈电波导上包括至少一个馈电通道单元12，所述馈电通道单元包括至少一个馈电通道，所述馈电通道能收发地铁车地通讯系统中的车地通讯信号；当所述地面通讯设备包括两个或两个以上馈电波导时，两个相邻馈电波导11之间相互依靠泄漏负载13连接。

在实际应用过程中，根据地铁线路的情况，上述实施例中的地面通讯设备中的馈电波导可能为一个或者数个，一个馈电波导一般长度可以达到一百至数百米，当存在多个馈电波导时，两个相邻的馈电波导需要进行连接形成一个整体，连接的方式可以多种多样，比如，通过泄漏波导负载或法兰进行连接。对于馈电波导的材质可以选用铝制的，以降低造价。此外，基于其他需要，比如防尘防潮的需要，可以在馈电波导的外部敷设聚四氟乙烯等透波材料，在馈电波导内部充气，以满足“三防”的要求。一个馈电波导上可以包括一个或数个馈电通道单元，一个馈电通道单元中可以包括一个或数个馈电通道，比如，可以选择4个馈电通道构成一个馈电通道单元，多个馈电通道单元重复设置在馈电波导上，这里构成馈电通道单元的各个馈电通道可以接收来自地铁车地通讯系统中列车通讯设备发送的信号，也可以将馈电波导接收到的信号发送到列车通讯设备上，即能够收发地铁车地通讯系统中的车地通讯信号。

上述实施例中的馈电通道可以有不同的具体实现方式，在本申请中可以优选采用宽带偶极子天线的方式来实现，也可以在馈电波导上开槽实现。下面结合附图分别予以说明。参见图2，该图示出了采用宽带偶极子天线的馈电通道的剖面图，从该图可以看出，馈电通道包括一个宽带偶极子天线、同轴外导体和同轴内导体，宽带偶极子天线包括两个馈电点，其中一个馈电点连接到同轴外导体22上，另一个馈电点连接到同轴内导体上，同轴外导体固定在馈电波导的表面上，其固定方式是在馈电波导的表面打孔，同轴内导体则插入固定在同轴外导体上而由介质形成的圆筒内，伸入到馈电波导内，但通常不接触到圆筒的底部，特别注意的是，同轴内导体伸入馈电波导的深度可以按照在馈电波导的通信面上辐射强度保持均匀的要求确定。此外，在有些实施例中，可以填充的介质有聚四氟乙烯等透波材料，从而对同轴内导体起到支撑平衡作用。

在上述这种馈电通道中，一个馈电通道单元可以包括两个或两个以上的馈电通道，这种情况下，则存在多个馈电通道如何排列的问题，主要涉及到馈电通道的宽带偶极子天线的方向。为说明本申请的技术方案，这里示例性地给出三种设置多个宽带偶极子天线方向的方式，本领域技术人员在此基础上可以根据技术需要选择其他设置方式。参见图3，该图示出了三种多个宽带偶极子天线方向的排列方式，其中：图3a示出的多个宽带偶极子天线的方向均为水平方向(注：这里的“水平”是按照图中放置馈电波导的方式而言的，下同)，这种排列方式形成的“馈电波导-偶极子”组合可以实现水平极化；图3b示出的多个宽带偶极子天线的方向均为垂直方向，这种排列方式形成的“馈电波导-偶极子”组合可以实现垂直极化；图3c示出的多个宽带偶极子天线的方向包括两种：水平方向和垂直方向，即相邻的两个宽带偶极子天线的方向一个为水平方向、一个为垂直方向相互交错分布。通过上述三种示例性排布可以知道，多个宽带偶极子天线方向的排列方式可以划分为两个类别：一个是相同方向，如前述的图3a或3b所示，多个宽带偶极子天线的方向均为水平方向或均为垂直方向；二是不同方向，如前述的图3c所示的，多个宽带偶极子天线中相邻两个相互垂直，从而达到极化复用的目的。这两个类别在实际实现过程中，可能需要根据馈电波导的形状来确定。假如馈电波导为矩形馈电波导，由于矩形馈电波导实际上为六面体，存在六个面，通常情况下，不会在六个面均设置馈电通道单元，为此，这里定义一个“通信面”的概念，即将矩形馈电波导中面向地铁车地通讯系统中的车上通讯设备的那个“面”确定为通信面，比如，可以是馈电波导的一个“长*宽”平面，馈电通道单元位于该通信面上，矩形馈电波导的通信面为矩形，存在一个长边一个短边，这样，在理解馈电通道单元内各个馈电通道的宽带偶极子天线的方向相同时，则可能存在至少如下两种情况：一是各个宽带偶极子天线的方向均平行于通信面的长边；二是各个宽带偶极子天线的方向均平行于通信面的短边。同样地，在理解馈电通道单元内相邻两个馈电通道的宽带偶极子天线的方向相互垂直也可能存在至少如下两种情况：一是相邻两个馈电通道中的第一个馈电通道的宽带偶极子天线的方向平行于通信面的长边，另一个(第二个)平行于通信面的短边；二是相邻两个馈电通道中的第一个馈电通道的宽带偶极子天线的方向平行于通信面的短边，第二个平行于通信面的长边。

在一个馈电通道单元中存在多个馈电通道时，如前所述，多个宽带偶极子可以形成多种排列方式，无论哪种排列方式，均将涉及到相邻两个宽带偶极子之间排布的间隔、各个宽带偶极子天线的工作频率等问题。在本申请的一种实施例中，各个宽带偶极子天线的间隔可以设置为半个波导波长的偶数倍，由于宽带馈电偶极子包括两个“叶片”，通常以两个宽带偶极子的中心线之间的距离作为两个宽带偶极子之间的间隔。这种将相邻宽带偶极子天线的间隔设定为半个波导波长的偶数倍，可以实现同相位激励各个宽带偶极子天线。在本申请的另一种实施例中，各个宽带偶极子的长度取决于在该宽带偶极子上工作的载波波长，通常情况下，为了使馈电波导上的馈电通道适应各种用户、应用，会考虑将一个馈电通道单元内的各个馈电通道的工作载波频率设置得略有不同，那么宽带偶极子的长度则可以设定为在其上工作的工作载波的半个载波波长，在各个工作载波波长相同的情况下，对于第一个宽带偶极子的工作频率可以设定为(Fo-ΔF，或者Fo+ΔF)，第二个宽带偶极子频率为(Fo-2ΔF，或者Fo+2ΔF)，….，依次类推。这样，针对不同的用户、不同的应用，可以方便地分配相应的载波频率和减少或避免同频干扰。比如，由于工作的载波频率提高，工作的频带展宽，可以在此带宽内设置更多的工作通道，提供更多的应用信道，满足不同用户需要，而且可以把分散的各种应用整合到一根波导管内传输，使得地铁隧道内干净整洁而又统一。还比如，公众无线通信系统使用的公众便携WiFI频率通常为2.4GHz，那么可以通过上述设定将馈电波导的工作频率设定在5GHz或者以上，这样便可有效避免同频干扰。

在前述提及的馈电通道单元中，通过在馈电波导上设置宽带偶极子天线的方式可以实现与地铁车地通讯系统中的车上通讯设备通信的目的，这种设置实际上形成了“电波刷”。由于“馈电波导-偶极子”组合在一个通信面上，向一端辐射，在近区，其辐射的功率密度方向图形成“丛林状”(参见图4)，类似于一个“刷子”的形状。当地铁车地通讯系统中的车上通讯设备与通信面出现相对运动时，车上通讯设备如同被地面通讯设备“刷过”，因此，本申请的地面通讯设备又可称为“电波刷”。这种“电波刷”与车上通讯设备组合，既很好地解决了车-地之间的动静的相互传输问题，又因为二者离开距离较近而不会产生高强度的电磁辐射而产生辐射污染。

如前所述，馈电通道除了可以通过前述的宽带偶极子天线实现外，还可以在馈电波导上开槽形成波导缝隙天线，也就是说，馈电通道可以是馈电波导上设置的条形缝隙槽口。当一个馈电通道单元包括多个条形缝隙槽口时，与前述道理类似，存在如何在馈电波导上分布这些条形缝隙槽口。这里可以采取两种示例性分布方式：一是条形缝隙槽口交错平行分布在馈电波导的一个平面的中心线两侧，参见图5a所示，在该图中，馈电波导为矩形馈电波导，在该矩形馈电波导的一个平面(比如，长*宽平面)中多个条形缝隙以中线的虚线(平面的中心线)为基准，平行且交错(即在中心线一边有一个条形缝隙槽口后，紧随其后的条形缝隙槽口在中心线的另一边)地分布在该中心线两侧。二是条形缝隙槽口交错偏置分布在馈电波导的另一个平面上，比如窄边平面。参见图5b所示，在馈电波导的一个平面上相邻两个条形缝隙槽口交错偏置。在实际应用过程中，基于各种实际应用需要，可以在上述两种示例性排列方式基础上延伸出多种其他排列方式，比如，图5c所示的方式。通过在馈电波导上开槽口的方式也能实现与车上通讯设备通信的目的。

在前述提及的条形缝隙槽口以及多个条形缝隙槽口的排列方式中，涉及到几个重要方面(重要参数)。比如，条形缝隙槽口的长度、相邻条形缝隙槽口之间的间隔，在前述第一种排列方式下条形缝隙槽口距离中心线的距离(又称为偏置距离)，在前述第二种排列方式下条形缝隙槽口的偏置角度(倾斜角度)等，这些方面将在不同程度上影响到本申请的技术效果。比如，通过控制偏置距离或倾斜角度的大小，可以控制条形缝隙槽口产生辐射的强度和极化情况。下面有重点地叙述几个与条形缝隙槽口相关的方面。

对于相邻条形缝隙槽口的间隔。为了建立一个具有任意分布的等相位阵列，可以使相邻两个条形缝隙槽口之间的间隔为半个波导波长的奇数倍。当然，在实际应用中，可能还需要进行适度微调，比如，对于驻波阵，相邻的条形缝隙应稍大于或稍小于半个波导波长，一般取值范围可以是：此外，相邻条形缝隙槽口的长度还最好能大于一个自由空间波长，以避免出现栅瓣现象。

对于条形缝隙的偏置距离和偏置角度。下面给出一种示例性的计算方法，在该示例性方法中，馈电波导为矩形馈电波导，条形缝隙槽口中的一部分平行并且交错分布于矩形馈电波导的长边面(即长宽组成的平面)，一部分交错偏置分布在馈电波导的短边面(长高组成的平面)。先按照如下公式计算出宽边面上的条形缝隙槽口的电导：

g＝g₁·sin²(d·π/a)

上式中：g₁＝(2.09λg·a/b·λ)·cos²(λπ/2λg)，λ为自由空间波长，λg为波导波长，d为缝隙偏离波导中心的偏置距离，a和b为矩形馈电波导的宽边和窄边大小。

或者按照如下公式计算短边面上的条形缝隙槽口的归一化电导：

上式中：θ₀为条形缝隙槽口相对于馈电波导的窄边沿垂线的倾斜角。

对上述公式进行求解即可得到长边平面上的偏置距离d和窄边平面上的偏置角度θ₀。

接下来，再来计算缝隙间隔Q，Q的取值范围为：

并且，与波束偏离波导宽边法向的角度ψ的关系：

再者，根据阵的场分布来求得每一个条形缝隙槽口的归一化电导，对于第n个条形缝隙槽口的电导：

上式中：i、n、N皆是条形缝隙槽口的编号，i＝2，3，4，﹒﹒﹒n，﹒﹒﹒N，P_n为第n个条形缝隙槽口的归一化辐射功率。

基于此，反射功率γ加上所有条形缝隙槽口的辐射功率总合必定等于1，即：

γ+ΣP_n＝1

而辐射功率P_n正比于条形缝隙槽口的激励电平a_n的平方，即：

利用所需要的线性阵列电平分布，设置各个条形缝隙槽口的辐射电平，当整个线性阵列为均匀分布时，存在如下等式：

a₁＝a₂＝…a_n＝a_N

从而，可求出长边平面上每一个条形缝隙槽口的归一化电导，进而求出缝隙的偏置距离d。进而，也可求出窄边平面上缝隙的偏置角度θ₀。实际上，总体而言，对于条形缝隙槽口的偏置距离和偏置角度进行设计的总原则是要保证馈电波导在通信面上的辐射强度保持均匀，这样可以确保“电波刷”均匀整齐。

在本申请的另一些实施例中，如前所述，为了展开频带，针对不同的用户、应用，可以方便的分配相应的载波频率，可以将采用图6所示的条形缝隙的排列方式，在该排列方式中各个条形缝隙槽口交错平行分布在中心线的两侧，且每个条形缝隙槽口的长度(图中包括l₁、l₂、l₃)、对应的载波频率各不相同。

本申请实施方式提供的地铁车地通讯系统的地面通讯设备可以安装于地铁内，用于实现车地通讯。现有用于实现信号调度、控制的地铁无线调度指挥系统、地铁内警用、消防调度等无线通信系统均可通过本申请的地面通讯设备的馈电通道实现通讯。值得说明的是，虽然前述内容已经参考若干具体实施方式描述了本发明创造的精神和原理，但是应该理解，本发明创造并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合，这种划分仅是为了表述的方便。本发明创造旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。

Claims (8)

1.一种地铁车地通讯系统中的地面通讯设备，其特征在于，该地面通讯设备包括：至少一个馈电波导，所述馈电波导上包括至少一个馈电通道单元，所述馈电通道单元包括至少一个馈电通道，所述馈电通道能收发地铁车地通讯系统中的车地通讯信号；当一个馈电通道单元包括两个或两个以上馈电通道时，相邻两个馈电通道的工作载波的载波频率不同；

当所述地面通讯设备包括两个或两个以上馈电波导时，两个相邻馈电波导之间依靠泄漏波导负载相互连接；

所述馈电通道包括宽带偶极子天线以及同轴外导体和同轴内导体，所述馈电偶极子天线的一个馈电点与同轴外导体连接，所述馈电偶极子天线的另一个馈电点与同轴内导体连接，所述同轴外导体固定在馈电波导上，所述同轴内导体伸入馈电波导内，同轴内导体由同轴外导体形成的圆筒内的介质实现支撑；

或者，所述馈电通道包括在馈电波导上设置的条形缝隙槽口。

2.根据权利要求1所述的地面通讯设备，其特征在于，当一个馈电通道单元包括两个或两个以上馈电通道时，相邻馈电通道的宽带偶极子天线中心线之间的距离为半个波导波长的偶数倍，相邻两个馈电通道的宽带偶极子的工作载波的载波频率不同，每个宽带偶极子的长度为工作在其本身上的工作载波的半个载波波长。

3.根据权利要求1所述的地面通讯设备，其特征在于，所述同轴内导体伸入馈电波导的深度按照在馈电波导的通信面上辐射强度保持均匀的要求确定。

4.根据权利要求1至3中任何一项所述的地面通讯设备，其特征在于，一个馈电通道单元内各个馈电通道的宽带偶极子天线的方向相同，或者，一个馈电通道单元内相邻的两个馈电通道的宽带偶极子天线的方向相互垂直。

5.根据权利要求4所述的地面通讯设备，其特征在于，所述馈电波导为矩形馈电波导，其面向地铁车地通讯系统中的车上通讯设备的平面为通信面，所述馈电通道单元位于所述通信面并沿通信面的中心线分布；

所述一个馈电通道单元内各个馈电通道的宽带偶极子天线的方向相同包括：一个馈电通道单元内各个宽带偶极子天线的方向均平行于通信面的长边或短边；或者，

所述一个馈电通道单元内相邻的两个馈电通道的宽带偶极子天线的方向相互垂直包括：一个馈电通道单元内相邻两个馈电通道中的一个馈电通道的宽带偶极子天线的方向平行于通信面的长边或短边，另一个馈电通道的宽带偶极子天线的方向平行于通信面的短边或长边。

6.根据权利要求1所述的地面通讯设备，其特征在于，当一个馈电通道单元包括两个或两个以上条形缝隙槽口时，相邻两个条形缝隙槽口的工作载波的载波频率不同，各个条形缝隙槽口的长度为在其本身上的工作载波的半个载波波长，相邻两个条形缝隙槽口之间的间隔为半个波导波长的奇数倍，所述条形缝隙槽口交错平行分布在馈电波导的一个平面的中心线两侧和/或交错偏置分布在馈电波导的一个平面上。

7.根据权利要求6所述的地面通讯设备，其特征在于，条形缝隙槽口交错分布在馈电波导的一个平面的中心线两侧时条形缝隙槽口到中心线的距离以及条形缝隙槽口交错偏置分布在馈电波导的一个平面上时条形缝隙槽口偏置角度按照馈电波导的通信面辐射强度保持均匀的要求确定。

8.根据权利要求1所述的地面通讯设备，其特征在于，所述馈电波导为铜制或铝制馈电波导，馈电波导的外表面敷设透波材料。