新型动车组5G,MIMO组合天线研究
李鹏图
一、研究的背景与意义
作为5G移动通信网络应用的主要场景之一，新一代的智能化轨道交通特别是新型动车组列车将充分利用5G移动通信网络提供的大容量、高速度、低时延等通信技术优势，完成运动中的车辆和外界的通信联络、精准定位等功能，在这个过程中车载组合天线是必不可少的，它不仅要具备包括2G/3G/4G/5G移动通信系统和WIFI系统在内的所有频段的信号的收发能力、满足5G的MIMO多天线配置应用，还应具备高精度导航定位能力，同时还要考虑作为车载设备的特殊要求如小型化、集成化、高可靠性的要求。未来新型动车组列车车载天线领域的主要发展趋势可以归纳为以下几个方面：
（1）多系統融合
未来车载通信设备一定是多种通信系统的融合，新型的动车组MIMO组合天线，通过将移动通信天线、GNSS卫星导航天线、WIFI天线统一集成在一套天线外罩里，使得原本复杂的分离式设计，进阶为一体式的组合结构方式，且通过调整通信天线的物理结构，进一步的提高了通信天线之间的隔离度，减少彼此之间的相互影响。
（2）全频段覆盖
不管是通信天线还是导航天线都希望能覆盖全部的工作频段，天线的宽带化可以提升系统的兼容性，还可以提升系统的可靠性。移动通信系统将包括2G/3G/4G/5G所有系统的所有频段和WIFI系统;导航天线将涵盖目前GNSS四大卫星导航系统，即美国的GPS、我国北斗、俄罗斯的GLONASS和欧洲的伽利略导航系统，以提高定位精度和系统可靠性。
（3）支持5G移动通信系统的MIMO技术
随着5G的快速部署，未来大带宽大信息容量的通信系统，需要MIMO多天线系统实现信号的多入多出，以成倍的提高信息传递容量和速度。
二、主要技术指标
2.1 电气性能指标：
3.2 解决的关键技术
3.2.1 电气性能设计：
（1）全频段通信辐射单元技术：
天线单元的性能指标对组合天线的总体性能指标起着决定性作用，由于动车组列车通信系统中的天线不仅需要覆盖5G信号，也需要涵盖已有的2G/3G/4G系统各频段，所以天线单元的设计需要满足宽频带要求，即频率范围自700MHz直至6000MHz的超宽频带。为达到这一目标，天线单元由传统的单锥或双锥设计升级为三锥设计，该设计能有效地提高通信天线的隔离度指标，从而提升整机的辐射效率，由于圆锥结构设计上的圆对称性，天线的全向辐射不圆度指标优异，保证了各方向信号接收的能力。图（3a）-图（3e）为单元方向图仿真结果。
移动通信系统天线单元：
（2）MIMO组合天线提高隔离度技术：
本方案采用最新的阵列组合技术，通过评估每一个单元的方向图，优化设计阵列布局，设计重点是保证5G单元之间的隔离度，通过在天线单元之间通过加入隔离器件可以进一步提升隔离度，隔离度的提高对MIMO系统的信道容量影响是显著的。
（3）导航天线低噪声放大电路的抗干扰技术：
动车组天线工作环境中存在复杂的电磁干扰，根据指标要求和对电路稳定性考虑，采用先用电桥整合经介质滤波器抑制，再经两次的放大管放大，声表滤波器抑制。最终使用稳定系数较好的放大管进行输出。同时电源输出上为了保证电路工作电压稳定及静电保护，采用TVS管进行静电保护和稳压管进行稳压设计。原理如下：
3.2.2 结构设计
（1）整体外形设计：
由于动车组列车行驶速度高，因为天线外形设计上首先要考虑的是空气动力特性，在满足天线性能指标、整体结构强度和可靠性的前提下，天线整体外观尽可能设计成流线型，前后左右对称设计，能够保证天线前后面有效降低风阻。
（2）结构可靠性设计：
天线罩选用玻璃钢材质，玻璃钢具有轻质高强，耐腐蚀性能好，电性能好，热性能良好，可设计性和工艺性好等优点;底板和阵子天线选用铝合金材料，铝合金具有比重小，耐腐蚀，导热性好，导电性能高等优点;接头选用黄铜材质，黄铜具有较高的强度，塑性好，耐腐蚀，力学性能好等优点。
（3）IP69K等级防水设计：
动车组列车的防水设计及其重要，产品所能达到的设计目标是IP69K等级，常用的防水设计为灌注密封胶、超声波融合、二次啤塑、啤镶件和安装装O型密封圈。由于O型密封圈具有装拆方便，动静密封均可用、动摩擦力小，价格低等优点，在慎重权衡各密封设计优缺点的基础上，本项目采用了O型密封圈的防水结构设计方案。同时在天线底板上安装有透气阀，透气阀能避免产品户外使用时产品内部积水。如图（4）所示：
（4）抗振动冲击的高可靠性设计：
针对列车使用环境结构上薄弱环节，采用对插结构、减震结构改善抗振动冲击性能，并经受车规级试验的严苛考验。
（作者单位：深圳市鼎耀科技有限公司）
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