CRH3型動(dòng)車組ATP天線駐波比試驗(yàn)數(shù)據(jù)保障方法研究

李兆成

摘要：ATP系統(tǒng)是保障列車運(yùn)行安全的系統(tǒng)，系統(tǒng)中的天線是與信號(hào)樓通信的重要設(shè)備，在車輛完成裝配進(jìn)入調(diào)試場地后需要對(duì)天線進(jìn)行駐波比試驗(yàn)。駐波比是用來表示饋線與天線的匹配情形，不匹配時(shí)接收信號(hào)不良。經(jīng)過查閱相關(guān)資料和對(duì)以往故障處理經(jīng)驗(yàn)的分析，得出影響駐波比的因素主要有：天線電纜（饋線）自身內(nèi)部因素，車輛結(jié)構(gòu)因素，布線過程因素，連接器制作的因素。本文主要介紹的是ATP天線駐波比試驗(yàn)數(shù)據(jù)保障方法的研究過程，簡述了現(xiàn)階段的保障的方法。

關(guān)鍵詞：ATP系統(tǒng)；天線電纜；駐波比；保障方法

1 概述

CRH3型動(dòng)車組是動(dòng)力分散型高速動(dòng)車組，它的持續(xù)運(yùn)營速度可達(dá)到300km/h。車上搭載了諸多系統(tǒng)來保證列車在高速運(yùn)行中的安全，ATP系統(tǒng)是其中重要的組成部分。ATP系統(tǒng)為列車自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)，可對(duì)列車運(yùn)行速度進(jìn)行分級(jí)或連續(xù)監(jiān)督，當(dāng)列車實(shí)際速度超過允許值時(shí)，輸出制動(dòng)信號(hào)。

本文主要探討的是ATP系統(tǒng)中的GSM-R天線，簡稱為ATP天線。每個(gè)EC車上各有兩個(gè)ATP天線，他們的功能完全相同，車輛運(yùn)行中啟用其中一個(gè)天線，另一個(gè)備用。

CRH380BL型動(dòng)車組第1至10列EC車車頂天線布置如圖1（a）所示，其中2號(hào)、4號(hào)位置天線為ATP天線；CRH380BL型動(dòng)車組第11至45列EC車以及后續(xù)CRH380系列動(dòng)車組EC車車頂天線布置如圖1（b）所示，其中5號(hào)、6號(hào)位置天線為ATP天線：

圖1 EC車車頂天線布置

ATP天線下方自帶電氣接口為N型同軸電纜連接器，天線信號(hào)通過天線電纜（饋線）傳輸?shù)杰噧?nèi)的ATP機(jī)柜，電纜通過車頂右側(cè)型腔從車輛的二位端（ATP機(jī)柜所在位置）到達(dá)天線所在位置。

圖2 ATP天線、連接器和電纜（饋線）布線

裝配完成后在調(diào)試場地進(jìn)行駐波比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果合格后對(duì)車頂天線進(jìn)行打膠密封。

圖3 天線連接、密封

由于在生產(chǎn)中發(fā)生過駐波比試驗(yàn)數(shù)據(jù)不合格現(xiàn)象，經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工藝優(yōu)化，已基本可以杜絕此類現(xiàn)象的發(fā)生。本文主要介紹了保障ATP天線駐波比試驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法。

2 駐波比試驗(yàn)

所謂駐波就是頻率和振幅均相同、振動(dòng)方向一致、傳播方向相反的兩列波疊加后形成的波。波在介質(zhì)中傳播時(shí)其波形不斷向前推進(jìn)，故稱行波；上述兩列波疊加后波形并不向前推進(jìn)，故稱駐波。

駐波比全稱為電壓駐波比，又名VSWR和SWR。在入射波和反射波相位相同的地方，電壓振幅相加為最大電壓振幅Umax，形成波腹；在入射波和反射波相位相反的地方電壓振幅相減為最小電壓振幅Umin，形成波節(jié)。其它各點(diǎn)的振幅值則介于波腹與波節(jié)之間。

為了表征和測量天線系統(tǒng)中的駐波特性，也就是天線中正向波與反射波的情況，人們建立了“駐波比”這一概念。

駐波比的值在1到無窮大之間。駐波比為1，表示完全匹配；駐波比為無窮大表示全反射，完全失配。在ATP系統(tǒng)中，要求駐波比小于1.5。駐波比就是表示饋線與天線匹配情形。不匹配時(shí)，發(fā)射機(jī)發(fā)射的電波將有一部分反射回來，在饋線中產(chǎn)生反射波，反射波到達(dá)發(fā)射機(jī)，最終產(chǎn)生為熱量消耗掉。接收時(shí)，也會(huì)因?yàn)椴黄ヅ洌斐山邮招盘?hào)不良。

所以在車輛完成所有裝配工序進(jìn)入單車調(diào)試場地后，試驗(yàn)人員將車頂ATP天線與天線電纜（饋線）相連，然后將車頂天線預(yù)緊到車體上，最后再將試驗(yàn)儀器連接到天線電纜（饋線）的車內(nèi)端，用來測試天線和天線電纜（饋線）的匹配程度，從而測試信號(hào)傳輸情況。

3 保障數(shù)據(jù)方法分析

經(jīng)過查閱相關(guān)資料和對(duì)以往故障處理經(jīng)驗(yàn)的分析，得出影響駐波比的因素主要有以下方面：

3.1天線電纜（饋線）自身內(nèi)部因素

經(jīng)過查閱相關(guān)資料（1）得知駐波比同樣是反映電纜波阻抗不均勻性的參數(shù)，因此可以將對(duì)電壓駐波比的分析轉(zhuǎn)換為對(duì)波阻抗不均勻性的分析。影響同軸電纜波阻抗不均勻性的因素有許多，主要因素為：內(nèi)外導(dǎo)體及絕緣結(jié)構(gòu)尺寸的均勻性；內(nèi)外導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率，絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)、介質(zhì)損耗和介質(zhì)磁導(dǎo)率在長度上的均勻性等。

經(jīng)過計(jì)算可得出內(nèi)導(dǎo)體直徑的偏差對(duì)波阻抗的偏差影響最大，故在制造過程中必須嚴(yán)格保證內(nèi)導(dǎo)體的尺寸精確及平直圓整。在實(shí)際生產(chǎn)條件下，一般內(nèi)導(dǎo)體直徑公差可控制在±0.005mm范圍內(nèi)。若內(nèi)導(dǎo)體的直徑偏差能夠控制在±0.005mm范圍內(nèi)，則相應(yīng)的外導(dǎo)體公差與絕緣公差要求經(jīng)過計(jì)算，如下表1所示：

在電纜生產(chǎn)過程中，還存在許多因素影響內(nèi)外導(dǎo)體尺寸及絕緣層偏差，從而影響波阻抗的不均勻性，進(jìn)而影響到電壓駐波比。這些因素主要包括電纜內(nèi)導(dǎo)體制造設(shè)備方面的故障或操作不當(dāng)所產(chǎn)生的偏差，擠壓絕緣層時(shí)溫度設(shè)置不當(dāng)或預(yù)熱溫度不均勻產(chǎn)生的偏差，生產(chǎn)線的線速度、擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速以及生產(chǎn)線張力的穩(wěn)定性產(chǎn)生的偏差，由于操作不當(dāng)導(dǎo)致的絕緣偏心等等。

此部分為天線電纜內(nèi)部可影響電壓駐波比的因素，屬于電纜供應(yīng)商控制的范疇。

3.2車輛結(jié)構(gòu)因素

車輛結(jié)構(gòu)方面主要體現(xiàn)在ATP天線安裝座的差異，CRH3型車的天線安裝座有長、短兩種類型，不同類型的安裝座，在ATP天線完成安裝后，天線下方線束情況如圖4所示：

圖4 天線安裝座及下方線束情況

通過圖4可看出在長安裝座下的電纜鋪設(shè)平緩，彎曲半徑很大；而短安裝座下的電纜受空間限制彎曲半徑較小，容易對(duì)電纜造成損傷，導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)不合格。并且在車輛運(yùn)維、檢修時(shí)，遇到需更換天線的故障時(shí)，長安裝座類型的天線只需將緊固螺栓拆下后即可完成更換，短安裝座類型的天線則另外需要拖拽天線電纜才可完成更換，增加了損傷電纜的風(fēng)險(xiǎn)。

同時(shí)經(jīng)過前期駐波比試驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集，短天線座類型發(fā)生故障的概率遠(yuǎn)大于長天線座類型。綜合以上因素，在后續(xù)所有類似結(jié)構(gòu)的項(xiàng)目中，ATP天線的安裝座已全部更改為長安裝座。

3.3布線過程因素

在天線電纜布線的工藝中有關(guān)電纜最小彎曲半徑的要求：布線后的彎曲半徑≥129mm；布線過程操作輕緩，不得出現(xiàn)電纜折皺，操作過程對(duì)電纜彎曲也應(yīng)保證彎曲半徑≥129mm。 但實(shí)際僅能對(duì)布線結(jié)束后的彎曲半徑進(jìn)行檢驗(yàn)，無法實(shí)現(xiàn)操作全過程測量。因此當(dāng)駐波比試驗(yàn)數(shù)據(jù)不合格時(shí)，不能完全排除操作過程中存在對(duì)電纜造成損傷的可能。

4 現(xiàn)階段控制方法

根據(jù)以上的分析結(jié)果，得出現(xiàn)階段的控制方法有以下3點(diǎn)：

1.嚴(yán)格控制來料質(zhì)量，要求供應(yīng)商對(duì)電纜先進(jìn)行駐波比試驗(yàn)，數(shù)據(jù)合格后方可供貨。

2.在動(dòng)車組設(shè)計(jì)中，建議天線安裝座的結(jié)構(gòu)采用長安裝座類型。

3.加強(qiáng)布線工序的操作規(guī)范性，對(duì)每根天線線束的路徑進(jìn)行明確，并配套相應(yīng)照片，保持布線的一致性，并且在施工時(shí)對(duì)ATP天線電纜線束重點(diǎn)控制。

5 結(jié)束語

通過對(duì)上述的控制方法的應(yīng)用，在現(xiàn)階段生產(chǎn)和維修的車輛中ATP天線駐波比試驗(yàn)的數(shù)據(jù)都能控制在合格范圍內(nèi)，有效的保證了車輛的安全性能。

參考文獻(xiàn)

[1]江成.物理發(fā)泡同軸電纜電壓駐波比的性能分析【J】.電線電纜，2003.

（作者單位：中車長春軌道客車股份有限公司

檢修運(yùn)維事業(yè)部檢修運(yùn)維工程技術(shù)部）