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摘 要：目前广泛应用的铁路专用通信网GSM-R及下一代铁路移动通信系统LTE-R，均采用无线传输方式与列车进行实时通信与调度。可靠的无线通信是列车稳定、安全运行的重要保障。随着铁路业务的扩展，还需要及时、有效传输大量视频、图片信息。这种通信方式的系统性能受环境影响较大、极化单一且不适应于高频段，还存在安装、维护困难、造价高昂、易于偷盗等工程实际问题。因此，安装简单方便、造价低廉的分布式天线覆盖方案得到了广泛关注。
关键词：天线;相控阵;高增益;隧道;无线通信
引言
随着相控阵技术的飞速发展，越来越多的雷达采用相控阵天线，其优点是增益高、波束易于控制，在目标搜索和跟踪过程中起着至关重要的作用。在相控阵雷达的性能指标测试中，天线的性能测试是十分重要的内容。由于相控阵天线的天线阵列间存在互耦效应，在发射信号时，互耦效应与天线自身的自耦效应相叠加，使得天线的驻波增大，可能会对发射机的功放组件产生安全隐患。因此，在测试相控阵天线性能时，必须考虑驻波的影响。
一、隧道电磁仿真传播模型
目前用于隧道环境电磁建模的方法主要有模式匹配法[、射线追踪法、抛物方程法及全波数值方法等。其中模式匹配法由麦克斯韦方程在特定的边界条件下推导而来，仅适用于少数形状规则简单的隧道环境;射线追蹤法基于几何光学理论，在处理简单的隧道结构时非常有效，然而对于复杂隧道环境，计算过程相当繁琐;时域有限差分法、有限元法等全波方法，具有较高的计算精度和通用性，但处理超电大尺寸的隧道结构时，其计算量极其庞大;抛物方程（PE）由波动方程推导而来，并采用步进迭代的方式进行求解，引入交替方向隐式差分技术（ADI）或分步傅里叶变换技术（SSFT）后，兼备精度和计算效率，非常适合用于建立隧道环境下的电波传播模型。
二、隧道覆盖天馈系统
隧道覆盖目的是使隧道内具有一定强度的能实现通信的无线信号。由于无线信号在不同类型隧道中具有不同的传播效果，因此在选择隧道覆盖手段和方案时，需充分考虑隧道类型、宽度、长度等具体情况。隧道覆盖效果好坏与天馈系统选择有直接关系。一般有以下3种主流天馈系统。
a）同轴馈电无源天馈系统。该系统为无源馈电，通过同轴电缆和天线将来自于信源的信号辐射出去，中间不进行信号放大和转换。单根天线覆盖是该系统的最简化方案。该系统不涉及有源设备，建设成本相对较低，条件许可时可选用不同增益的天线来控制覆盖范围，但隧道内必须有安装天馈线的空间。该系统无源，虽然覆盖范围有限，但对于较短隧道来说，无疑是一种低成本解决方案。在选用该覆盖方式时，一般在隧道墙壁、顶部或在距隧道口一定距离正对隧道的位置设置板状天线，信源与天线间通过馈线连接，馈线不宜过长。
b）光纤馈电有源分布式天馈系统。在某些长隧道或环境复杂的隧道覆盖中，同轴馈电无源天馈系统无法实现有效覆盖。若隧道内具备安装有源设备和天馈线空间时，可采用光纤馈电有源分布式天馈系统。通过光纤将信源进行拉远，经有源设备放大或处理后再馈入天馈系统。该系统不仅能减少同轴电缆的使用、降低线缆敷设难度、减少电磁干扰，且设计也更加灵活，可覆盖较长的隧道。但鉴于该系统要求有较大的有源设备和天馈线安装空间，且需进行隧道内供电，因此不仅建设成本较高，运行维护难度也相对较大。该系统常用于公路隧道覆盖中。
c）泄漏电缆系统。对于大多数铁路和地铁隧道来说，由于隧道内空间狭窄、列车填充效应明显、隧道内无适合的天线安装空间，加之天线覆盖距离又非常有限，此时就需考虑采用泄漏电缆系统。该系统可将无线信号均匀地辐射到隧道内，不仅信号波动范围较小、基本上不受填充效应影响，还可方便地实现多系统共用。虽然该系统覆盖效果好，是目前中/长铁路和地铁隧道的主流解决方案，但建设成本高、协调和施工难度大、运行维护成本也很高。泄漏电缆一般安装在隧道内壁上高度与车窗相平行的位置，信源（直放站或RRU）安装在隧道内的设备洞或避车洞内，泄漏电缆与信源设备间一般通过较短的馈线相连，信源数量需根据通信系统覆盖能力、泄漏电缆覆盖性能、隧道内可安装设备位置的间距等因素来确定，而泄漏电缆开断点则与隧道内信源设置方案（包括位置、数量等）有关。
三、相控阵天线系统设计与优化
电磁波在隧道内传播时，天线辐射激起的高次模以较快的速度衰减，远场区的贡献主要来自于低次模和主模。多径效应使得远场区场量随传播距离呈现出震荡性变化，即场强波峰、波谷交错分布。因此，空间分集的直观思路就是将两副以上的天线置于不同的位置，使得接收点合成电场的最小值幅值达到最大。考虑隧道的特殊环境及工程实现，只能采用简化方案：选取两副天线?天线1与天线2，分别安装于隧道横截面上靠近隧道顶壁、高度相同且左右对称的位置处，由于位置固定，不能通过调整位置达到空间分集的效果，但可通过调整天线的相位达到相同的目的。
为了优化天线2的相位，首先，建立电波传播数值仿真计算模型;然后，计算安装隧道内两副八木天线的远场方向图，将其进行远近场变换，得到辐射源口径场，作为抛物方程电磁仿真的初始场;根据电波传播数值仿真模型，计算隧道内电磁场的分布，得到远场观察区内合成电场的最小值幅值。调整天线2的相位，再次计算天线的远场方向图，再次根据电波传播数值仿真模型，计算隧道内电磁场的分布及远场观察区内合成电场的最小幅值。多次调整天线2的相位，使远场观察区内合成电场的最小幅值最大，此时天线2的相位，即为最优相位。
结语
本文对现有隧道种类和结构进行了详细介绍，对隧道内无线信号传播特点和隧道覆盖方式进行了认真分析和总结，论述了隧道覆盖规划方案要点、多系统干扰共存、覆盖方案协同、共建共享、维护方式。
参考文献：
[1]张昕，杨晓冬，郭黎利，等.隧道中泄漏同轴电缆和螺旋天线辐射场的比较[J].系统工程与电子技术，2008，30（5）：973-976.
[2]曹思聪.受限空间中的新型天线设计及其电波覆盖特性的研究[D].北京：北京交通大学，2016.
关键词：天线;相控阵;高增益;隧道;无线通信
引言
随着相控阵技术的飞速发展，越来越多的雷达采用相控阵天线，其优点是增益高、波束易于控制，在目标搜索和跟踪过程中起着至关重要的作用。在相控阵雷达的性能指标测试中，天线的性能测试是十分重要的内容。由于相控阵天线的天线阵列间存在互耦效应，在发射信号时，互耦效应与天线自身的自耦效应相叠加，使得天线的驻波增大，可能会对发射机的功放组件产生安全隐患。因此，在测试相控阵天线性能时，必须考虑驻波的影响。
一、隧道电磁仿真传播模型
目前用于隧道环境电磁建模的方法主要有模式匹配法[、射线追踪法、抛物方程法及全波数值方法等。其中模式匹配法由麦克斯韦方程在特定的边界条件下推导而来，仅适用于少数形状规则简单的隧道环境;射线追蹤法基于几何光学理论，在处理简单的隧道结构时非常有效，然而对于复杂隧道环境，计算过程相当繁琐;时域有限差分法、有限元法等全波方法，具有较高的计算精度和通用性，但处理超电大尺寸的隧道结构时，其计算量极其庞大;抛物方程（PE）由波动方程推导而来，并采用步进迭代的方式进行求解，引入交替方向隐式差分技术（ADI）或分步傅里叶变换技术（SSFT）后，兼备精度和计算效率，非常适合用于建立隧道环境下的电波传播模型。
二、隧道覆盖天馈系统
隧道覆盖目的是使隧道内具有一定强度的能实现通信的无线信号。由于无线信号在不同类型隧道中具有不同的传播效果，因此在选择隧道覆盖手段和方案时，需充分考虑隧道类型、宽度、长度等具体情况。隧道覆盖效果好坏与天馈系统选择有直接关系。一般有以下3种主流天馈系统。
a）同轴馈电无源天馈系统。该系统为无源馈电，通过同轴电缆和天线将来自于信源的信号辐射出去，中间不进行信号放大和转换。单根天线覆盖是该系统的最简化方案。该系统不涉及有源设备，建设成本相对较低，条件许可时可选用不同增益的天线来控制覆盖范围，但隧道内必须有安装天馈线的空间。该系统无源，虽然覆盖范围有限，但对于较短隧道来说，无疑是一种低成本解决方案。在选用该覆盖方式时，一般在隧道墙壁、顶部或在距隧道口一定距离正对隧道的位置设置板状天线，信源与天线间通过馈线连接，馈线不宜过长。
b）光纤馈电有源分布式天馈系统。在某些长隧道或环境复杂的隧道覆盖中，同轴馈电无源天馈系统无法实现有效覆盖。若隧道内具备安装有源设备和天馈线空间时，可采用光纤馈电有源分布式天馈系统。通过光纤将信源进行拉远，经有源设备放大或处理后再馈入天馈系统。该系统不仅能减少同轴电缆的使用、降低线缆敷设难度、减少电磁干扰，且设计也更加灵活，可覆盖较长的隧道。但鉴于该系统要求有较大的有源设备和天馈线安装空间，且需进行隧道内供电，因此不仅建设成本较高，运行维护难度也相对较大。该系统常用于公路隧道覆盖中。
c）泄漏电缆系统。对于大多数铁路和地铁隧道来说，由于隧道内空间狭窄、列车填充效应明显、隧道内无适合的天线安装空间，加之天线覆盖距离又非常有限，此时就需考虑采用泄漏电缆系统。该系统可将无线信号均匀地辐射到隧道内，不仅信号波动范围较小、基本上不受填充效应影响，还可方便地实现多系统共用。虽然该系统覆盖效果好，是目前中/长铁路和地铁隧道的主流解决方案，但建设成本高、协调和施工难度大、运行维护成本也很高。泄漏电缆一般安装在隧道内壁上高度与车窗相平行的位置，信源（直放站或RRU）安装在隧道内的设备洞或避车洞内，泄漏电缆与信源设备间一般通过较短的馈线相连，信源数量需根据通信系统覆盖能力、泄漏电缆覆盖性能、隧道内可安装设备位置的间距等因素来确定，而泄漏电缆开断点则与隧道内信源设置方案（包括位置、数量等）有关。
三、相控阵天线系统设计与优化
电磁波在隧道内传播时，天线辐射激起的高次模以较快的速度衰减，远场区的贡献主要来自于低次模和主模。多径效应使得远场区场量随传播距离呈现出震荡性变化，即场强波峰、波谷交错分布。因此，空间分集的直观思路就是将两副以上的天线置于不同的位置，使得接收点合成电场的最小值幅值达到最大。考虑隧道的特殊环境及工程实现，只能采用简化方案：选取两副天线?天线1与天线2，分别安装于隧道横截面上靠近隧道顶壁、高度相同且左右对称的位置处，由于位置固定，不能通过调整位置达到空间分集的效果，但可通过调整天线的相位达到相同的目的。
为了优化天线2的相位，首先，建立电波传播数值仿真计算模型;然后，计算安装隧道内两副八木天线的远场方向图，将其进行远近场变换，得到辐射源口径场，作为抛物方程电磁仿真的初始场;根据电波传播数值仿真模型，计算隧道内电磁场的分布，得到远场观察区内合成电场的最小值幅值。调整天线2的相位，再次计算天线的远场方向图，再次根据电波传播数值仿真模型，计算隧道内电磁场的分布及远场观察区内合成电场的最小幅值。多次调整天线2的相位，使远场观察区内合成电场的最小幅值最大，此时天线2的相位，即为最优相位。
结语
本文对现有隧道种类和结构进行了详细介绍，对隧道内无线信号传播特点和隧道覆盖方式进行了认真分析和总结，论述了隧道覆盖规划方案要点、多系统干扰共存、覆盖方案协同、共建共享、维护方式。
参考文献：
[1]张昕，杨晓冬，郭黎利，等.隧道中泄漏同轴电缆和螺旋天线辐射场的比较[J].系统工程与电子技术，2008，30（5）：973-976.
[2]曹思聪.受限空间中的新型天线设计及其电波覆盖特性的研究[D].北京：北京交通大学，2016.