关于地铁无线基站故障原因的分析

2022-10-07

广州地铁三号线自2006年12月29日全线正式开通运营以后, 用于广州地铁三号线进行专用无线调度指挥的T e t r a数字集群无线系统过半基站频频出现故障, 导致发射功率减半和停止发射等这些基站避免由于过大的外部干扰信号引入导致驻波比过大引起损坏的保护机制的启动甚至功分器烧毁的现象。本文将从系统、功分器、隔直环等三大方面分析和解答这些故障的原因及处理过程, 为正在面临类似故障的朋友或有意进行地铁相关无线系统设计的人员提供有益的参考。

1 系统概况

广州地铁三号线采用的是MOTOROLA T e t r a数字集群无线系统, 主要作用是为广州地铁三号线提供安全的、不间断的无线调度指挥通信, 其用户有:行车调度1、行车调度2、车厂调度1、车厂调度2、维修调度、环境调度、公安调度等七大调度;车载电台、车站电台以及全线其它各大生产部门所需的手持电台等。系统设置一个中心, 1 9个基站分别设在全线各站及车辆段, 另在2个长大隧道区间设置有3台光纤无线直放站。

1.1 无线基站系统结构

如图1所示, 广州地铁三号线无线集群系统为满足全线车站及隧道区间无线信号的覆盖, 在全线各站均设有一个无线基站, 其作用是产生射频信号供移动用户进行无线接入。

1.2 功分器

广州地铁三号线无线系统中采用的是安德鲁公司的功分器为低功率功分器, 其作用是将基站产生的一路射频信号分成多路以满足地铁车站及隧道信号覆盖分配的需要。功分器内部采用微带线的结构, 为保证反向传输时的阻抗匹配和输出端口之间的隔离, 各端口之间的微带线之间需要内加隔离电阻, 这些电阻的耐功率值较低。图2是1分2功分器结构示意图 (R为隔离电阻, 耐功功率为5 W) 。

2 故障现象及分析

地铁专用集群无线系统是地铁安全运营、列车无线调度指挥的关键系统, 在广州地铁三号线开通初期, 由于不明原因造成了基站频繁出现告警, 基站发射功率减低或停止发射, 造成地铁车站及隧道区间无线信号丢失, 相关区域列车及无线电台不能使用, 给地铁运营安全带来极大的危险。为保证地铁无线列车调度的安全, 必须迅速找到故障原因并进行相应处理, 本文将使用排除法对相关故障进行深入分析和解决。

2.1 基站故障现象及分析

在广州地铁三号线专用集群无线系统基站的双工器内部具有功率表功能, 它能通过一系列的测量测定驻波比, 系统根据驻波比的变动来启动基站的保护机制以免基站损坏, 在广州地铁三号线无线基站, 当驻波比大于等于1.7∶1时, 基站功率减半, 驻波比大于等于2.4∶1时, 基站停止发射。

在广州地铁三号线专用集群无线系统基站的一系列故障中, 主要表现为在系统监控终端上显示基站B R无线射频单元激励器故障, 故障原因为反射功率过大、驻波比V S W R过高。利用排除法, 首先应该排除故障是由于基站本身引起的。通过将基站与外部天线系统断开后与标准5 0Ω终端负载进行连接, 然后用基站测试软件进行基站内部参数测定, 结果发现基站工作一切正常, 同时也证明了基站故障是由于基站外部引起。

2.2 功分器故障及分析

排除了是基站内部原因引起基站故障后, 进一步对基站外部的射频分配系统原因进行分析。在广州地铁三号线一系列基站故障中, 大部分时候都同时出现了功分器被烧毁的情况, 既然已经判断射频分配系统的阻抗与基站发射机阻抗是匹配的, 那么功分器的烧毁不会是由于基站发射功率及由于两者阻抗的不匹配引起的反射功率过大烧毁, 因此必须从功分器的工作原理及射频分配系统以外的原因进行深入分析。

2.2.1 功分器前向功率传输分析

信号进入A端口;信号分成两路等幅同相的信号进入端口B1和B2, 有3dB的分路损耗;两路信号通过阻抗变换到D 1和D 2端口;由于两路信号是等幅同相的, 所以电阻R不吸收前向的功率 (实际端口不可能做到完全匹配, 即驻波比不可能是1, 所以电阻会吸收一定反射功率) ;因为微带线采用非导电介质所以会带来的相应的传输损耗即插入损耗

2.2.2 功分器反向功率传输分析

信号进入端口D 1;信号分成两部分, 一部分会被电阻R吸收, 两功分器中隔离电阻R的耐功率值为5 W;5 0%的信号进入端口A, 5 0%的信号被电阻吸收;为信号被电阻吸收, 所以端口D 1和D 2之间有较好的隔离;电阻R是低功率电阻, 所以反向不能合并过大的功率, 对前向而言, 如果输出端口开路 (信号基本上全部被反射回去) , 也会有很大的功率反射回来而被电阻吸收, 从而可能损坏电阻。

2.2.3 功分器耐功率分析

假设端口A输入功率耐功率值为5 0 W

(1) 例1:D1和D2端口匹配, 驻波为1.1∶1, Pr1/Po (功率反射系数) 约等于0.002。

电阻中吸收的功率可以计算如下。

端口D1反射功率=50W×0.5×0.002=0.05W。

端口D1反射功率中被电阻R吸收的功率=0.05W×0.5=0.025W。

电阻R的总吸收功率为D1、D2反射吸收功率之和=2×0.025W=0.05W (小于电阻R耐功功率为5 W, 器件正常工作) 。

(2) 例2:D 1端口开路, 所有的D 1端口功率被反射回来, 驻波比为∞, D 2端口匹配, 驻波比为1.1∶1, P r/P o (功率反射系数) 约等于0.002。

电阻中吸收的功率可以计算如下。

端口D1反射功率=50W×0.5=25W。

端口D1反射功率中被电阻R吸收的功率R=25W×0.5=12.5W。

电阻R的总吸收功率为D1、D2反射吸收功率之和=12.5W+0.025W=12.525W (大于电阻R耐功功率为5W器件会被烧毁!) 。

从功分器耐功率分析说明:当来自功分器输出端口的反向信号功率达到一定程度的时候, 一部该反向功率被功分器隔离电阻R吸收, 达到一定程度后功分器会被烧毁;另一部分被传回基站双工器被功率表检测到, 基站表示为驻波比过高, 于是就造成了基站保护功率减半或停止发射。

3 结果及措施

经过前面的一系列分析, 明确了功分器及基站故障是由于反向功率过高造成的, 而正常情况下基站监测到的输入输出阻抗是匹配的, 其驻波比也为正常的1.1∶1, 功分器、天线、漏缆等组成的射频分配系统的状态应该是固定的。另外, 无线系统由于安装在地铁车站及地铁隧道内部, 其天然的环境决定了它可能所有的外部干扰较少, 一般只能来源与车站和隧道内部, 而地铁内部大部分系统都处在一个相对稳定的状态, 不会突然产生大变动的情况。原因应与地铁里不断运行的列车有关。

无线隧道漏缆安装在隧道顶部几乎与接触网同一水平的位置, 只有不到2 m的直线距离, 经过询问地铁供电及车辆相关部门得知, 地铁在静止到启动的短时间内, 接触网电流会从1 0 0 A迅速上升到超过1 0 0 0 A, 这么强的电流变化完全可能通过电磁耦合到无线漏缆去。另外, 地铁三号线运营速度可达1 2 0 k m/h, 最高速度可达2 0 0 k m/h, 列车这么高速度运行的过程中, 列车受电工与接触网之间出现拉弧现象在所难免, 产生的电磁场很容易耦合到漏缆中去。经过一次由于严重列车事故造成了同一区间两端的基站同时出现功分器烧毁和基站停机的故障后, 我们更加确定了这种判断。

有害信号来源最终找到了, 但是地铁必须运营, 要想解决故障却不能从消除故障源的方向着手, 唯一的办法是在有害信号进入系统造成影响之前进行隔离。

通过对有害信号的分析发现, 无论是列车启动、停止时的接触网电流变化, 还是受电工与接触网之间产生的电弧, 它们的频率变化都是非常低的, 其耦合到漏缆中的信号都可以看作直流信号, 而电容具有通交流、隔直流的功能, 隔直环就是居于这样的一种原理生产出来的元器件, 其工作原理非常简单, 在隔直环中心导线进行一个微小隔断, 使之具有类似电容的功能当各种信号通过隔直环时, 高频有用的无线信号能顺利通过传输线, 而对有害的直流及低频信号在进入功分器之间就进行隔离, 有效地保证了基站及功分器的安全。