周文穎,逯 邁,李 瑾,張 啟

(蘭州交通大學 光電技術(shù)與智能控制教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730070)

目前全國在建的地鐵里程為4448 km，保守預期十三五期間新投入的運營里程可達3000 km以上，地鐵已成為城市軌道交通的重要組成部分。不同頻段的地鐵無線通信系統(tǒng)天線被用于列車調(diào)度控制信息的傳輸，是地鐵主要的射頻電磁輻射源，其中主要包括基于歐洲陸地集群無線電標準的專用無線通信(Trans-European Trunked Radio, TETRA)系統(tǒng)天線[1]，列車自動控制(Communication Based Train Control System, CBTC)系統(tǒng)天線[2]，基于乘客信息的車地無線通信(Passenger Information System, PIS) 系統(tǒng)天線[3]，以及警用的無線通信系統(tǒng)天線。高效的信號傳輸不僅可以實現(xiàn)地鐵的統(tǒng)一指揮調(diào)度，保證列車的運行安全，也可以大大提高地鐵的運載能力。但微波頻段的電磁干擾[4]會導致無線通信設(shè)備之間發(fā)生信息傳輸故障，對地鐵的運行產(chǎn)生重大的安全影響[5]。因此，地鐵無線通信系統(tǒng)和控制信號系統(tǒng)之間的電磁兼容性是地鐵安全、高效的重要保障。

電磁兼容不僅需要考慮電子設(shè)備抵御外界電磁場的干擾能力[6]，防止對其他的設(shè)備系統(tǒng)產(chǎn)生電磁騷擾[7]，還要考慮對周圍的環(huán)境和人造成電磁輻射影響[8-9]。已有的地鐵電磁環(huán)境測量大多集中在地鐵隧道內(nèi)信號的覆蓋[10]和傳播特性[11]，或基于某單個系統(tǒng)信號的傳輸問題[12]，然而地鐵的射頻電磁輻射源主要集中在司機室內(nèi)外，電磁干擾不僅會直接影響控制臺和地面調(diào)度中心間的無線通信，對地鐵的正常運行造成潛在的安全隱患，也會使地鐵司機一直暴露于射頻電磁環(huán)境中，遭受可能的健康危害[13]。僅從隧道內(nèi)部和高架路段上測量時，電波傳輸?shù)浇邮仗炀€可等同為理想的自由空間，并不能直接反映出地鐵司機室內(nèi)射頻電磁場的分布情況[14]。可見，明確不同輻射源對司機室內(nèi)射頻電磁場的變化影響，評估地鐵司機室的射頻電磁環(huán)境的安全性是一項具有現(xiàn)實意義的課題。

由于地鐵司機室內(nèi)的主要射頻輻射源是TETRA系統(tǒng)天線和CBTC系統(tǒng)天線，明確這2種射頻輻射源下司機室內(nèi)的射頻電磁環(huán)境，需要對司機室內(nèi)電場強度的分布情況進行量化分析。本文首先運用頻譜分析儀和電場強度分析儀對地鐵司機室在運行過程中2種系統(tǒng)天線信號的功率電平進行實地測量，分析它們單獨輻射下司機室內(nèi)電場強度的分布情況。再運用3維高頻電磁結(jié)構(gòu)仿真(High Frequency Structure Simulator，HFSS)軟件[15]，分別模擬它們單獨和共同輻射下地鐵司機室內(nèi)的電場強度分布。對比分析電場強度的測量與仿真結(jié)果，并與國際電磁安全暴露標準進行比較，可以進一步明確地鐵司機室內(nèi)射頻電磁場的變化情況，并及時預見地鐵不同射頻信號間可能產(chǎn)生的電磁干擾、增強列車的無線通信信號傳輸質(zhì)量、提高地鐵的運行效率、評估司機室射頻電磁環(huán)境的安全性，為提升整個無線通信系統(tǒng)的電磁兼容性提供有效保障。

1 測量方法和仿真軟件

1.1 測量目標

(1)TETRA系統(tǒng)天線的工作頻率范圍為806～876 MHz，該天線安裝在司機室車頂外部的中心位置，負責收發(fā)地鐵指揮中心與列車之間的調(diào)度信息，對列車的行車過程進行監(jiān)督。

(2) CBTC系統(tǒng)天線，工作在2.4～2.48 GHz頻段，該天線的安裝位置與軌旁通信天線的安裝位置一致。當軌旁通信為隧道壁上方的AP (Access Point)八木天線時，CBTC系統(tǒng)天線安裝在司機室內(nèi)頂部；當軌旁通信為漏纜時，CBTC系統(tǒng)天線安裝司機室車體外底部；當軌旁通信采用AP與漏纜混合使用的方式時，CBTC系統(tǒng)天線既要安裝在司機室內(nèi)頂部，也要安裝在司機室車體外底部。本文測量的地鐵CBTC系統(tǒng)天線采用的是第1種安裝方式，CBTC安裝在司機室內(nèi)頂部，采用雙天線結(jié)構(gòu)，負責與隧道內(nèi)壁上方的AP八木天線進行信息傳輸，實時接收列車自動控制命令及時發(fā)送當前列車的狀態(tài)信息，實現(xiàn)自動控制信息的雙向傳輸。

1.2 測量設(shè)備

鑒于地鐵司機室的空間有限，測量過程中攜帶的測量設(shè)備為：RIGOL DSA832E型頻譜分析儀，德國COLIY E73型高頻電磁場強度頻譜分析儀，濾波器帶寬的范圍分別為10 Hz～1 MHz和1 kHz～50 MHz。測量過程中，RIGOL DSA832E型頻譜分析儀使用的接收天線為偶極子全向天線，其工作頻率為10 MHz～3.2 GHz，增益為5 dB，天線高度為45 mm；COLIY E73型高頻電磁場強度頻譜分析儀使用的接收天線為對數(shù)周期天線，其工作頻率為1 MHz～9 GHz，增益為5 dB，天線高度為28 cm，天線系數(shù)為22～44 dB·m-1，標準阻抗為50 Ω。在現(xiàn)場測試前，對2臺設(shè)備進行校準驗證。

1.3 測量方法

根據(jù)已有的地鐵電磁環(huán)境測量方法[16]，制定具體的測量步驟如下。

(1)攜帶2臺測試設(shè)備及接收天線進入地鐵司機室，按圖1連接測試設(shè)備。

圖1 測試設(shè)備連接圖

圖1中2臺測試設(shè)備的接收天線可以調(diào)整高度和接收方向，由于測量過程中地鐵司機室一直處于正常的運行狀態(tài)，為了使測量設(shè)備進入穩(wěn)定的工作狀態(tài)，需要通電幾秒鐘進行預熱。

(2)測量時采用定向測量方法，由于地鐵站點間隔僅為4 min，為了保證測量精度，設(shè)置掃頻范圍700 MHz～3.4 GHz，頻率帶寬為2 700 MHz，完全覆蓋了被測天線的工作頻率范圍。根據(jù)測量過程中設(shè)備的響應速度，將2臺設(shè)備的濾波器帶寬分別設(shè)置為100 kHz和1 MHz，記錄行駛過程數(shù)據(jù)需要在4個站點來回反復幾十次，設(shè)置掃頻時間為5 ms～1 s。

(3)由于TETRA系統(tǒng)天線和CBTC系統(tǒng)天線均為垂直極化，實測過程中將對數(shù)周期天線進行水平、垂直以及多角度放置，以接收來自不同方向、不同極化方式的輻射能量。

(4)因為直接由設(shè)備測量到的電場強度是測量設(shè)備天線接收范圍內(nèi)所有射頻輻射源共同作用下的復合電磁環(huán)境。為了更好地分析不同射頻輻射源對司機室內(nèi)電磁環(huán)境的影響，先分別評估不同頻段系統(tǒng)天線單獨輻射作用下司機室內(nèi)電場強度的分布情況。可通過測量不同頻點信號的功率電平Pr，根據(jù)式(1)將功率電平Pr轉(zhuǎn)換為接收設(shè)備天線接收到的電磁場入射功率密度Pd，單位為W·m-2。

(1)

式中：G為測量設(shè)備接收天線增益對應的數(shù)字值；λ為測量設(shè)備接收到的信號頻率對應的波長。

由于測量設(shè)備接收天線的增益為5 dB，計算其數(shù)字值G=105/10=3.16。再通過式(2)，將入射功率密度Pd轉(zhuǎn)換為空間電磁環(huán)境的電場強度E，單位為V·m-1。

(2)

(5)測量環(huán)境包括隧道和高架路段，如圖2所示。測量司機室內(nèi)的射頻電磁場，不用在車外或高架段另外設(shè)置接收天線，避免地鐵車身對電磁波的傳播損耗。

圖2 測量環(huán)境

1.4 仿真軟件

HFSS軟件已被廣泛應用于射頻微波元件、天線設(shè)計、雷達、電磁兼容等領(lǐng)域[17]， HFSS軟件采用四面體網(wǎng)格剖分，基于趨膚效應、頻變材料和介質(zhì)損耗等材料特性，能夠精確地求解三維電磁場中的復雜結(jié)構(gòu)問題。HFSS的核心算法是有限元法[18]，能夠解決頻域中的大型復雜問題，如汽車、飛機、戰(zhàn)艦、地鐵的天線布局和電磁兼容問題[19]。

隨著公眾對射頻電磁輻射危害的關(guān)注，評估工作人員和乘客在軌道交通工具中射頻電磁暴露安全性的研究越來越多[20]。由于人體內(nèi)的輻射劑量不能直接被測量，主要通過電磁劑量學進行模擬研究。因此，HFSS軟件也越來越多地被應用于射頻電磁環(huán)境的仿真模擬中，比如無線通信天線為對周邊環(huán)境和電子設(shè)備的電磁干擾[21]以及人體的射頻電磁暴露安全評估[22]。

仿真時運用HFSS軟件對TETRA系統(tǒng)天線和CBTC系統(tǒng)天線輻射下的地鐵司機室進行建模仿真，對比地鐵司機室內(nèi)的實際測量數(shù)據(jù)，進一步明確地鐵司機室內(nèi)電場強度分布，評估地鐵司機室射頻電磁暴露的安全性。

2 實地測量與建模仿真的對比

2.1 地鐵司機室射頻電磁環(huán)境的測量

測量地鐵在運行過程中司機室內(nèi)TETRA系統(tǒng)天線和CBTC無線通信子系統(tǒng)的信號強度，運用DSA832E型頻譜分析儀測量2個頻段信號瞬時功率電平的屏幕截圖如圖3所示。

運用E73型高頻電磁場強度頻譜分析儀測量2個頻段信號瞬時功率電平的屏幕截圖如圖4所示。

圖3 DSA832E型頻譜分析儀測量時的屏幕截圖

圖4 E73型高頻電磁場強度頻譜分析儀測量時的屏幕截圖

根據(jù)測量數(shù)據(jù)整理地鐵司機室在不同運行區(qū)間內(nèi)，統(tǒng)計2臺測量設(shè)備在17:25—18:15時間段內(nèi)同時接收到的TETRA系統(tǒng)天線和CBTC系統(tǒng)天線信號的功率電平，得到每一種系統(tǒng)天線單獨輻射作用下司機室內(nèi)的電場強度見表1。

表1司機室TETRA系統(tǒng)天線和CBTC系統(tǒng)天線信號的功率電平和電場強度

TETRA系統(tǒng)天線信號CBTC系統(tǒng)天線信號測量頻率/MHz功率電平/dBm電場強度/(V·m-1)測量頻率/MHz功率電平/dBm電場強度/(V·m-1)869-43.000.0252 442-49.690.032864-52.290.0082 416-53.370.021864-54.000.0072 437-46.000.049865-49.270.0122 410-50.680.028866-44.850.0202 476-55.760.016869-30.220.1092 411-45.700.051869-33.560.0742 453-37.870.127864-45.000.0192 437-46.000.049864-48.290.0142 405-39.730.101864-54.910.0062 448-38.770.115

由表1可見：由于測量過程中受到外界條件變化和列車運行速度的影響，TETRA系統(tǒng)天線信號的功率電平變化范圍為-54.91～-30.22 dBm，最大值和最小值相差1.8倍；CBTC系統(tǒng)天線信號的功率電平變化范圍為-55.76～-37.87 dBm，最大值和最小值相差1.5倍。

2.2 地鐵司機室射頻電磁環(huán)境的建模仿真

TETRA系統(tǒng)天線的型號為RC1，CBTC系統(tǒng)車天線的型號為2701A006，2種天線的輻射性能指標見表2。

表2 天線的輻射性能參數(shù)

根據(jù)層疊微帶八木天線的工作原理，在HFSS軟件中建立1個由6層圓盤組成的微帶八木天線，作為TETRA系統(tǒng)天線的等效輻射源，圓盤貼片所在的介質(zhì)板相對介電常數(shù)為4.4 mm，長度和寬度均為120 mm，厚度為1.55 mm，具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 TETRA系統(tǒng)天線結(jié)構(gòu)圖(單位：mm)

運用HFSS軟件設(shè)計7單元準八木天線作為CBTC系統(tǒng)天線的等效輻射源，選取相對介電常數(shù)為3.3，長度為175 mm、寬度為80 mm、厚度為1mm的介質(zhì)板。天線結(jié)構(gòu)模型如圖6所示。

為了盡可能準確地反應實地測量到的司機室內(nèi)射頻電磁場的變化情況，按照實地測量的位置，沿著司機室內(nèi)部的橫向和縱向，布置9條間隔400 mm的測試線，測試線的高度與司機室的高度一致，地鐵司機室內(nèi)測試線分布如圖7所示。

圖6 TETRA系統(tǒng)天線結(jié)構(gòu)圖 (單位：mm)

圖7 司機室測試線分布示意圖 (單位：mm)

TETRA系統(tǒng)天線單獨作用時，9根測試線上電場強度分布的仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 TETRA系統(tǒng)單獨輻射下9根測試線上電場強度的分布

由圖8可知：電場強度的最大值區(qū)域主要分布在測試線2上，其峰值為0.12 V·m-1；電場強度在其余8根測試線上的分布區(qū)域較為一致，主要分布區(qū)間為0.008～0.1 V·m-1，電場強度的最小值為0.005 V·m-1。

CBTC系統(tǒng)天線單獨作用時，9根測試線的仿真結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知：電場強度的最大值區(qū)域主要分布在測試線3上，其峰值為0.13 V·m-1；電場強度在其余8根測試線上的分布區(qū)域較為一致，主要分布區(qū)間為0.02～0.1 V·m-1，電場強度的最小值為0.015 V·m-1。

TETRA系統(tǒng)天線和CBTC系統(tǒng)天線共同作用時，地鐵司機室內(nèi)的中心平面仿真結(jié)果如圖10所示。

圖9 CBTC系統(tǒng)單獨輻射下9根測試線上電場強度的分布

圖10 地鐵司機室中心平面的場強分布

由圖10可知，2種輻射源同時作用下，地鐵司機室內(nèi)的電場強度峰值為0.19 V·m-1，主要分布在TETRA車頂天線周圍，司機室內(nèi)的電場強度集中范圍為0.01～0.14 V·m-1。

3 地鐵司機室射頻電磁場環(huán)境的安全評估

將測量結(jié)果與國際非電離輻射防護委員會(International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection, ICNIRP)制定的《限制時變電場、磁場和電磁場暴露的導則(300 GHz以下)》[23]中的電場強度暴露限值進行比較，評估地鐵司機室的射頻電磁暴露的安全性。由于司機室是地鐵司機的工作區(qū)域，故只需要考慮司機室的職業(yè)電磁暴露的安全性。

ICNIRP導則在600 MHz～6 GHz的時變電場和磁場暴露的職業(yè)暴露限值定義為：400～2 000 MHz頻段中的不同頻率f對應的電場強度暴露限值(參考限值)的計算公式為：3f1/2(f為400～2 000 MHz頻段中的任意1個頻率)；2～300 GHz頻段中的任意1個頻率對應的電場強度暴露限值(參考限值)為137 V·m-1。將測量結(jié)果與ICNIRP職業(yè)暴露限值(參考限值)進行比較，見表3。表中，“/”前為TETRA系統(tǒng)天線的相關(guān)參數(shù)值，“/”后為CBTC系統(tǒng)天線的相關(guān)參數(shù)值；“相差倍數(shù)”為職業(yè)暴露限值與電場強度的比值。

由表3可見，TETRA系統(tǒng)的電場強度低于ICNIRP職業(yè)暴露限值811倍以上，CBTC系統(tǒng)的電場強度測量值低于ICNIRP職業(yè)暴露限值1078倍以上，證明地鐵司機室在這2個系統(tǒng)作用下的射頻電磁暴露是安全的。

表3單頻率電場強度測量結(jié)果與ICNIRP職業(yè)暴露限值(參考限值)的比較

測量頻率/MHz電場強度/(V·m-1)職業(yè)暴露限值/(V·m-1)相差倍數(shù)869/2 4420.025/0.03288.44/1373 538/4 281864/2 4160.008/0.02188.18/13711 023/6 524864/2 4370.007/0.04988.18/13712 597/2 795865/2 4100.012/0.02888.23/1377 353/4 893866/2 4750.020/0.01688.28/1374 414/8 562869/2 4100.109/0.05188.44/137811/2 686869/2 4530.074/0.12788.44/1371 195/1 078864/2 4370.019/0.04988.18/1374 641/2 795864/2 4050.014/0.10188.18/1376 299/1 356864/2 4480.006/0.11588.18/1371 4696/1 191

4 結(jié) 論

(1) TETRA系統(tǒng)天線輻射下，實測地鐵司機室內(nèi)電場強度分布區(qū)間為0.006～0.109 V·m-1，對應的仿真結(jié)果為0.005～0.12 V·m-1，仿真結(jié)果與測量數(shù)據(jù)的誤差范圍為10%～16%；CBTC系統(tǒng)天線輻射下，實測地鐵司機室內(nèi)電場強度的分布區(qū)間為0.016～0.127 V·m-1，對應的仿真結(jié)果為0.015～0.13 V·m-1，仿真結(jié)果與測量數(shù)據(jù)的誤差范圍為2.4%～6.3%。驗證了HFSS軟件對地鐵司機室射頻電磁環(huán)境進行電磁暴露安全評估的可靠性。

(2) TETRA系統(tǒng)天線和CBTC系統(tǒng)天線共同作用下，地鐵司機室中心平面橫截面和縱截面的電場強度分布范圍為0.01～0.19 V·m-1。說明不同系統(tǒng)天線共同輻射作用下形成的射頻電磁波，并不會使司機室內(nèi)的電場強度發(fā)生較大的變化。

(3) 與ICNIRP導則中電場強度的職業(yè)暴露限值進行對比，TETRA系統(tǒng)天線單獨作用下，地鐵司機室內(nèi)的電場強度比對應的ICNIRP電磁暴露參考限值低811倍以上；CBTC系統(tǒng)天線單獨作用下，地鐵司機室內(nèi)的電場強度比對應的ICNIRP電磁暴露參考限值低1 078以上；2個系統(tǒng)共同作用下，地鐵司機室內(nèi)的電場強度峰值為0.19 V·m-1，比ICNIRP導則400 MHz～300 GHz頻段內(nèi)的最大暴露限值137 V·m-1低720倍以上；上述結(jié)果表明，無論是在單輻射源作用下還是在2種輻射源共同作用下，地鐵司機室的射頻電磁環(huán)境仍然是安全的。

(4) 在地鐵實際運行環(huán)境中，除了地鐵專用通信系統(tǒng)的射頻電磁輻射源外，還有民用無線通信系統(tǒng)的射頻電磁輻射源，對PIS系統(tǒng)及民用通信系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)有待進一步完善，論文后續(xù)工作是對由多種輻射源構(gòu)成的復雜地鐵射頻電磁環(huán)境進行安全評估。