CN113161753B - 一种轨道交通漏泄波导系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种轨道交通漏泄波导系统。包括：漏泄波导、缝隙和金属柱；漏泄波导沿列车运行方向架设，缝隙设置在所述漏泄波导的表面，缝隙交错排列，在漏泄波导内部设置感性金属柱，感性金属柱垂直于列车运行方向等间距规则排列。应用该系统，可以设计出能够消除轨道交通场景下的多普勒效应并沿列车运行方向提供均匀场强覆盖的漏泄波导，提高无线信号覆盖质量，保障列车运行中的安全、稳定、高质量通信。

Description

一种轨道交通漏泄波导系统

技术领域

本发明涉及轨道交通无线通信技术领域，尤其涉及一种轨道交通漏泄波导系统。

背景技术

截至2019年底，我国已经掌握各种复杂地质及气候条件下高铁建造成套技术，攻克了铁路工程建造领域一系列世界性难题。在高铁技术日渐成熟的今天，下一代的超高速高铁技术——真空管超高速列车技术逐步进入了人们的视野。真空管超高速列车采用磁悬浮列车技术，利用密闭管道，通过抽取空气达到接近真空的低气压环境，从而实现列车全天候在无轮轨阻力、低空气阻力、低噪声模式下的超高速(超过1000km/h)运行。由此可见，真空管超高速列车是未来轨道交通技术的重要发展方向。

无线通信系统在现有高速铁路及未来真空管超高速列车安全运行中都扮演着极其重要的角色。特别是在未来真空管超高速列车场景下，列车与地面之间的通信难以采用有线通信的方式，必然是采用无线通信方式。如果采用传统的无线自由波接入方式，信号从基站传到用户终端需经历两次重大的衰落——金属管道和车厢体，从而导致接收端信号非常弱。其次，列车在超高速运行时会产生严重的多普勒频移，这将导致传统的基站系统不能与超高速列车正常通信。因此传统无线自由波的接入方式并不适用于真空管超高速列车，而漏波系统成为比较合适的技术选择。

目前，现有技术中的轨道交通中采用的漏波系统存在的主要问题包括：传统漏泄波导或漏缆采用倾斜波束辐射，列车运行方向与波矢方向不满足垂直关系，因而会产生明显的多普勒频移，列车速度越高，多普勒效应越明显；此外，传统漏泄波导中的电磁功率在向前传输的过程中不断衰减，使其近场的电场强度沿列车运行方向逐渐减小，导致电磁信号强度不断减弱。

发明内容

本发明的实施例提供了一种轨道交通漏泄波导系统，以实现有效消除多普勒效应，且沿列车运行方向具有近场场强均匀分布的特性。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种轨道交通漏泄波导系统，包括：漏泄波导、缝隙和金属柱；

所述漏泄波导沿列车运行方向架设，所述缝隙设置在所述漏泄波导的表面，所述缝隙交错排列，在漏泄波导内部设置感性金属柱，所述感性金属柱与波导窄边平行，并沿波导传播方向等间距规则排列。

优选地，所述感性金属柱为多排或者一排，所述缝隙具有容性效应，所述感性金属柱具有感性效应，所述感性金属柱与所述缝隙共同作用，实现阻抗匹配。

优选地，

β_-1＝β₀-2π/P， (1)

cosθ＝β_-1/k₀， (2)

其中，β_-1是-1次空间谐波的相位常数，k₀是自由空间中的波数；

根据公式(1)，在已知0阶基模的相位常数β₀的前提下，选择合适的缝隙周期P的值，使得β_-1＝0，根据公式(2)，得到漏泄波导的辐射场角度与波导轴线之间的夹角θ为90°，实现-1次谐波的辐射场沿法向辐射。

优选地，根据工作频段要求确定所述漏泄波导的横截面尺寸，使所述漏泄波导工作于单模传输状态。

优选地，所述漏泄波导选用矩形波导作为基础结构，选定矩形波导横截面尺寸，使其工作在矩形波导TE10模的单模传输状态。

优选地，沿漏泄波导纵向的衰减常数α随坐标位置z的分布α(z)根据公式(3)得到：

其中P(0)是漏泄波导起始端z＝0的馈入功率，P(L)是坐标z＝L处的漏泄波导内部的功率，该α(z)的分布使沿漏泄波导纵向的近场场强实现均匀分布。

优选地，保持缝隙周期P不变，令所有缝隙具有相同偏移量，通过提取漏泄波导的散射参数，计算得到当前偏移量对应的沿漏泄波导纵向的衰减常数α的值；改变缝隙的偏移量，仍保持所有缝隙具有相同的偏移量，计算得到当前偏移量对应的α值；重复上述操作过程，得到衰减常数α与不同的缝隙偏移量之间的对应关系。

优选地，根据沿漏泄波导纵向的衰减常数α随坐标位置z的分布α(z)，衰减常数α与不同的缝隙偏移量之间的对应关系，得到沿漏泄波导纵向的缝隙偏移量d_i随坐标位置z的分布，并根据该分布设定每个缝隙所对应的偏移量，使得漏泄波导产生所需要的衰减常数分布α(z)。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例的系统通过采用-1次空间谐波法向辐射及开阻带抑制方法，实现了有效的法向辐射，能有效消除列车运行过程中的多普勒效应；通过使每个缝隙具有不同的偏移量，构造衰减常数沿漏泄波导纵向的特定分布，实现近场电场场强的均匀分布。从而提高轨道交通的无线信号覆盖质量，保障列车运行中的安全、稳定、高质量通信。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种轨道交通漏泄波导系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中5米长漏泄波导的缝隙偏移量d_i随坐标位置z的分布图；

图3为本发明实施例中10米长漏泄波导的缝隙偏移量d_i随坐标位置z的分布图；

图4为本发明实施例中20米长漏泄波导的缝隙偏移量d_i随坐标位置z的分布图；

图5为本发明实施例中5米长漏泄波导的近场不同高度处的电场强度分布图；

图6为本发明实施例中5米长漏泄波导的近场不同高度处的相位分布图；

图7为本发明实施例中10米长漏泄波导近场不同高度处的电场强度分布图；

图8为本发明实施例中10米长漏泄波导近场不同高度处的相位分布图；

图9为本发明实施例中20米长漏泄波导近场不同高度处的电场强度分布图；

图10为本发明实施例中20米长漏泄波导近场不同高度处的相位分布图。

其中，1、漏泄波导；2、缝隙；3、金属柱。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施例提供了一种轨道交通漏泄波导系统，该系统能使漏泄波导具有法向辐射特性，能够有效消除多普勒效应，且沿列车运行方向具有近场场强均匀分布的特性，从而提高轨道交通无线通信的信号覆盖质量。

实施例一

本发明实施例提供了一种轨道交通漏泄波导系统的结构示意图如图1所示，包括漏泄波导1、缝隙2和金属柱3。

漏泄波导(1)沿列车运行方向架设，根据工作频段要求，确定波导横截面尺寸，使其工作于单模传输状态。优选地，漏泄波导1选用矩形波导作为基础结构，选定矩形波导横截面尺寸，使漏泄波导(1)工作在矩形波导TE10模的单模传输状态。TE10模是矩形波导的主模，其特征是沿传播方向有磁场分量而没有电场分量，电场只有横向分量，模序数1指的是模式在矩形波导宽边方向上有半驻波的变化，0指的是模式在矩形波导窄边方向上呈均匀分布，没有变化。

在波导表面设置缝隙2，缝隙2交错排列，缝隙2用于抑制基模(快波)辐射。设定合适的缝隙周期P，实现-1次空间谐波的法向辐射。如图1所示，波导的法向是指y轴正方向，于是-1次空间谐波的法向辐射即沿y轴正方向辐射。

具体地，根据公式(1)，在已知0阶基模的相位常数β₀的前提下，选择合适的缝隙周期P的值，使得β_-1＝0。此时，根据公式(2)，可得漏泄波导1的辐射场角度与波导轴线之间的夹角θ为90°，于是就可以实现-1次谐波的辐射场沿法向辐射。

β-₁＝β₀-2π/P， (1)

cosθ＝β_-1/k₀， (2)

其中，β_-1是-1次空间谐波的相位常数，k₀是自由空间中的波数。

在漏泄波导内部设置感性金属柱3，感性金属柱3与波导窄边平行，并沿波导传播方向等间距规则排列，感性金属柱3可以为多排或者一排。缝隙2具有容性效应，感性金属柱3具有感性效应，感性金属柱3与缝隙2共同作用，实现阻抗匹配，消除开阻带效应，提升法向辐射的强度。

上述漏泄波导1、缝隙2和金属柱3互相作用，能够有效消除列车运行中的多普勒效应。

计算得到沿漏泄波导1纵向的衰减常数α随坐标位置z的分布，该分布α(z)可以根据公式(3)得到。

其中P(0)是漏泄波导1起始端(z＝0)的馈入功率，P(L)是坐标z＝L处的漏泄波导1内部的功率。该α(z)的分布可以使沿漏泄波导1纵向的近场场强实现均匀分布特性。

确定衰减常数α与漏泄波导1缝隙偏移量d_i(i＝1,2,…)之间的对应关系。具体方法是保持缝隙周期P不变，令所有缝隙2具有相同偏移量，通过提取漏泄波导1的散射参数，计算得到当前偏移量对应的α值。然后改变缝隙2偏移量，但仍保持所有缝隙2具有相同的偏移量，计算得到当前偏移量对应的α值。重复该操作，得到衰减常数α与不同的缝隙偏移量之间的对应关系。

综合上述沿漏泄波导1纵向的衰减常数α随坐标位置z的分布α(z)，以及衰减常数α与不同的缝隙偏移量之间的对应关系，可以得到沿漏泄波导1纵向的缝隙偏移量d_i随坐标位置z的分布，并根据该分布，设定每个缝隙所对应的偏移量d_i，于是可以构造出漏泄波导1，使得漏泄波导1能够产生所需要的衰减常数分布α(z)，从而完成整个设计流程。该分布可以实现预期的衰减常数α(z)的分布，进而实现沿漏泄波导1纵向的近场场强均匀分布特性。

采用以上处理步骤，可以设计出能用于轨道交通的漏泄波导，使得漏泄波导具有法向辐射特性，能够有效消除多普勒效应，且沿列车运行方向具有近场场强均匀分布的特性。

实施例二

图1中的漏泄波导1的横截面(内部)尺寸为72.14mm×34.04mm，波导壁厚度为2mm。缝隙2的尺寸为28mm×4mm，缝隙周期P为106.5mm。金属柱3的尺寸为4mm×4mm×34.04mm。

图2、3、4分别是本发明实施例中5米长、10米长、20米长的漏泄波导的缝隙偏移量d_i随坐标位置z的分布图。

图5、7、9依次是漏泄波导长度为5米、10米、20米时，在漏泄波导口面上方不同高度处的电场强度分布图。从图中可知，本发明提出的漏泄波导在不同长度下，均可实现近场电场强度的均匀分布，其波动在0.27dBV之内。给出不同长度的设计实例的目的，是为了证明本发明所提出的方法，能够用于任意长度的漏泄波导设计，且都能够实现沿波导纵向具有近场电场强度的均匀分布特性。

图6、8、10依次是漏泄波导长度为5米、10米、20米时，在漏泄波导口面上方不同高度处的相位分布图。从图中可知，本发明提出的漏泄波导在不同长度下，均可实现近场相位的均匀分布，其波动在2°之内。给出不同长度的设计实例的目的，是为了证明本发明所提出的方法，能够用于任意长度的漏泄波导设计，且都能够实现沿波导纵向具有法向辐射特性。

综上所述，本发明实施例提出了一种漏泄波导的设计方法，能够消除轨道交通场景下的多普勒效应，并能够在列车运行方向提供均匀的场强覆盖，提高无线信号覆盖质量，保障列车运行中的安全、稳定、高质量通信。

本发明提出的设计方法可以根据实际应用中的频段要求，设计出所需要的漏泄波导。可以消除列车运行过程中的多普勒效应，且适用于任意速度的列车。可以沿列车运行方向实现漏泄波导近场场强的均匀分布。

本发明实施例通过使漏泄波导工作在恒定的法向辐射，从而消除多普勒效应的影响。并通过控制缝隙偏移量，实现所以要的衰减常数α与传输距离的关系，实现波导近场电场强度沿波导纵向保持恒定不变，从而提高无线信号的稳定性。本实施例给出的漏泄波导设计，能在轨道交通场景下改善车地无线信号的传输质量。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种轨道交通漏泄波导系统，其特征在于，包括：漏泄波导、缝隙和金属柱；

所述漏泄波导沿列车运行方向架设，所述缝隙设置在所述漏泄波导的表面，所述缝隙交错排列，所述缝隙方向与列车运行方向平行，在漏泄波导内部设置感性金属柱，所述感性金属柱设置在波导窄边的侧壁上，所述感性金属柱与波导窄边平行，并沿波导传播方向等间距规则排列；所述感性金属柱为多排或者一排，所述缝隙具有容性效应，所述感性金属柱具有感性效应，所述感性金属柱与所述缝隙共同作用，实现阻抗匹配；

在所述漏泄波导系统中：

β_-1＝β₀-2π/P， (1)

cosθ＝β_-1/k₀， (2)

其中，β_-1是-1次空间谐波的相位常数，k₀是自由空间中的波数；

根据公式(1)，在已知0阶基模的相位常数β₀的前提下，选择合适的缝隙周期P的值，使得β_-1＝0，根据公式(2)，得到漏泄波导的辐射场角度与波导轴线之间的夹角θ为90°，实现-1次谐波的辐射场沿法向辐射；

沿漏泄波导纵向的衰减常数α随坐标位置z的分布α(z)根据公式(3)得到：

其中P(0)是漏泄波导起始端z＝0的馈入功率，P(L)是坐标z＝L处的漏泄波导内部的功率，该α(z)的分布使沿漏泄波导纵向的近场场强实现均匀分布；

保持缝隙周期P不变，令所有缝隙具有相同偏移量，通过提取漏泄波导的散射参数，计算得到当前偏移量对应的沿漏泄波导纵向的衰减常数α的值；改变缝隙的偏移量，仍保持所有缝隙具有相同的偏移量，计算得到当前偏移量对应的α值；重复上述操作过程，得到衰减常数α与不同的缝隙偏移量之间的对应关系；

根据沿漏泄波导纵向的衰减常数α随坐标位置z的分布α(z)，衰减常数α与不同的缝隙偏移量之间的对应关系，得到沿漏泄波导纵向的缝隙偏移量d_i随坐标位置z的分布，并根据该分布设定每个缝隙所对应的偏移量，使得漏泄波导产生所需要的衰减常数分布α(z)。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，根据工作频段要求确定所述漏泄波导的横截面尺寸，使所述漏泄波导工作于单模传输状态。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述漏泄波导选用矩形波导作为基础结构，选定矩形波导横截面尺寸，使其工作在矩形波导TE10模的单模传输状态。

Images