Miniaturized Dual-Band Trackside Antenna Design and Its Electromagnetic Compatibility Study
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摘要:
为满足隧道内5G通信需求并提高轨旁天线利用率，提出一种基于超材料的双频轨旁天线，该天线具有同时支持列车自动控制系统和民用5G无线通信的能力. 首先，根据5G通信部署方案设计小型化双频轨旁天线，并使用有限元法模拟其在小型化前后的电磁特性，评估对隧道内电磁环境及其他辐射源的影响；其次，构建包含躯干、颅骨、大脑、心脏等重要组织的轻量化人体模型，以对比仿真传统单频轨旁天线和小型化双频轨旁天线的辐射对人体组织比吸收率（specific absorption rate, SAR）的影响. 研究结果表明：与传统单频轨旁天线相对，小型化双频轨旁天线工作在2.45 GHz和3.40 GHz频段的体积分别减小40%和20%，其周围隧道空间电场分别降低2.09%和6.57%以上，漏泄同轴电缆上的感应电场强度分别减小19.67%和32.41%，天线小型化后降低了对周围辐射源的影响，提高隧道内轨旁天线的电磁兼容性；小型化双频天线使人体躯干、颅骨、大脑、心脏的SAR值分别降低19.76%、46.60%、55.62%、55.28%以上，显著减小了天线对轨旁工作人员的辐射影响.
Abstract:To meet the demand for 5G communication in tunnels and increase the utilization rate of trackside antennas, a dual-band trackside antenna based on metamaterials was proposed, which could support both automatic train control systems and civil 5G wireless communication. First, a miniaturized dual-band trackside antenna was designed based on the 5G communication deployment scheme, and the finite element method was used to simulate the electromagnetic properties of the antenna before and after miniaturization. The impact on the electromagnetic environment and other radiation sources in the tunnel was evaluated. Second, a lightweight human body model containing important tissue such as the trunk, skull, brain, and heart was constructed, so as to compare the effects of radiation on the specific absorption rate (SAR) of human tissue between the simulated traditional single-band trackside antenna and the miniaturized dual-band trackside antenna. The results show that the miniaturized dual-band trackside antenna is 40% and 20% smaller than the traditional single-band trackside antenna when the antenna operates at 2.45 GHz and 3.40 GHz, respectively, and the electric field strength in the surrounding tunnel space is reduced by over 2.09% and 6.57%. The induced electric field strength on the leaky coaxial cable is reduced by 19.67% and 32.41%, respectively. The miniaturization of the antenna effectively reduces the impact on surrounding radiation sources and improves the electromagnetic compatibility of the trackside antenna inside the tunnel. The miniaturized dual-band trackside antenna makes the SAR values absorbed by the trunk, skull, brain, and heart of the human body drop by 19.76%, 46.60%, 55.62%, and 55.28%, respectively, which significantly decreases the radiation impact of the trackside antenna on occupational groups.
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《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》[1]指出，要利用云计算、大数据、5G等技术构建安全、便捷、高效、绿色、经济的新一代中国式智慧型城市轨道交通. 截至2023年6月30日，中国内地累计已有57个城市投运地铁交通线路
8112.23 km[2]，地铁已经成为载客量最大、运行速度最快的城市轨道交通方式. 为实现智慧型地铁的目标，越来越多的无线通信辐射源投入到地铁运营中实现5G数据通信. 隧道内的5G通信部署方案主要依赖于漏泄同轴电缆和分布式轨旁天线，相较之下，分布式轨旁天线作为对已建成的4G地铁线路进行5G补充覆盖的主要方案，更为经济、灵活. 传统单频准八木天线作为轨旁天线的主要形式常受限于带宽[3-4]，且其增益与体积大小成正比，作为民用5G通信和专网通信的辐射终端，需要部署多个不同频率的准八木天线才能完成覆盖，使得隧道内的电磁环境愈发复杂. 地铁隧道作为一个封闭的空间，其电磁环境对地铁列车的安全运行至关重要，如何保证辐射源的辐射性能并降低其对周围电磁环境的辐射影响是亟待解决的问题. 为降低隧道内封闭空间多种辐射源的干扰度，轨旁天线小型化呈必然趋势. 轨旁天线的小型化不仅有助于节省安装空间、降低成本，更能提高通信设备的隐蔽性，增强地铁系统的安全性和稳定性. 此外，在2023年中国无线电大会上，姚富强院士提出电磁环境是人类生存环境的重要组成[5]. 可见，研究隧道内的电磁环境还应考虑电磁暴露对人体潜在的健康危害[6-8]. 因此，研究轨旁天线多频化、小型化，分析其对隧道内电磁环境产生的影响及对人体的电磁暴露安全评估都具有重要的现实意义.当前，国内外学者在天线小型化技术方面已取得显著进展，主要通过在原有天线上附加人工电磁超材料[9-10]、电磁带隙结构[11-12]、有源网络[13-14]等方式实现天线小型化，但对于轨旁天线小型化及其对地铁隧道内电磁环境的具体影响，尚缺乏系统的研究. 已有的生物电磁学研究基于流行病学[15]和数值电磁计量学进行模拟，国内外已有许多利用电磁数值方法模拟人体电磁暴露水平的研究[16-18]，比吸收率（specific absorption rate, SAR）常用于衡量人体吸收的电磁辐射能量[19]. 国内外学者对地铁隧道电磁环境的研究大多集中于电磁干扰[20]和无线信号传输特性[21]等方面，但对地铁隧道内工作人员电磁暴露尚未进行安全评估.
综上所述，隧道内的电磁兼容性不仅需要考虑辐射源间的干扰，还应考虑辐射源对人体的影响. 因此，本文提出一种基于超材料单元的小型化双频轨旁天线，其同时包含基于通信的列车自动控制系统（communication based train control, CBTC）天线2.45 GHz工作频段以及5G民用通信3.40 GHz工作频段；其次，利用多物理场仿真软件Comsol对真实地铁隧道、包含关键组织的人体模型进行建模，通过对比真实地铁隧道中CBTC系统2.45 GHz辐射源场强分布的测量结果和仿真结果，说明隧道建模的正确性，并模拟传统单频轨旁天线和本文提出的小型化双频轨旁天线辐射下地铁隧道内的场强变化情况以及隧道内漏泄同轴电缆上产生的感应电场强度变化；最后，基于有限元法分析轨旁天线小型化前后，隧道内工作人员人体各组织吸收的辐射剂量值的变化情况，评估其职业电磁暴露的安全性. 通过对小型化轨旁天线的电磁兼容性分析不仅对轨道交通射频通信部署提供了参考意见，也为电磁环境效应及电磁防护提供了理论依据.
1. 小型化轨旁天线设计和性能仿真
1.1 天线设计
传统单频轨旁八木天线通常由1个有源振子、1个无源反射器和若干个无源引向器平行排列组成，在固定频点处实现定向高增益辐射. 传统工作在2.45 GHz频点的准八木天线尺寸为200 mm × 80 mm，如图1（a）所示；工作在3.40 GHz的准八木天线的尺寸为200 mm × 60 mm，如图1（b）所示. 为在地铁隧道中增加5G信号的覆盖，本文在传统单频八木天线的激励臂中添加2种枝节，较长的枝节激发低频点工作，较短的枝节激发高频点工作，从而实现轨旁天线的双频化. 由于准八木天线结构的高增益依赖于天线引向器的个数，减小物理尺寸会使天线增益下降明显，将该双频天线缩小到尺寸为160 mm × 60 mm后，利用电磁超材料单元来补偿该天线小型化之后牺牲的增益，如图1（c）所示. 其中，在激励臂与第1个引向器之间添加矩形开口谐振环，在引向器前端添加Ⅰ型超材料单元，增加电流耦合以提高增益，具体天线结构设计如图1（d）所示.
所设计天线的介质板厚度为1 mm，相对介电常数为3.48，损耗角正切为
0.0001 . 从图1中可以看出，与工作在2.45 GHz和3.40 GHz的传统单频准八木天线相比，本文设计的小型化双频八木天线的整体尺寸分别减小40%和20%.1.2 天线性能仿真
为证明所设计的小型化双频天线性能的优越性，对比传统单频轨旁天线与该小型化双频轨旁天线的辐射性能，运用Comsol对上述3种天线的回波损耗、增益和辐射方向图进行模拟仿真. 天线的S参数仿真结果如图2所示. 图中，S11为反射系数.
图 2 3种天线的S参数仿真结果对比Figure 2. Comparison of S-parameter simulation results of three antennas从图2中可以看出，设计的小型化轨旁天线在2.33～2.56 GHz和3.24～3.45 GHz 2个频段内的反射系数均小于 −10 dB，实现了双频工作，相比于传统单频轨旁天线，此天线不但能够服务于专网CBTC系统，还能够满足民用5G通信，用于增加地铁隧道内5G网络的覆盖. 上述3种天线在2.45 GHz和3.40 GHz的增益仿真结果，如图3所示.
图3表明在2.45 GHz时，传统天线的端射方向增益为7.2 dBi，小型化天线的端射方向增益为7.0 dBi；在3.40 GHz时，传统天线的增益为12.3 dBi，小型化天线的增益为12.2 dBi. 上述结果表明，本文设计的小型化轨旁天线能够满足地铁隧道轨旁天线的辐射性能要求.
1.3 天线性能仿真结果和测量结果的对比
天线作为无线通信系统中的关键部件，其性能直接影响到通信的质量和效率. 为进一步验证可靠性，对设计的天线进行了实物加工，并使用Agilent Technologies E5071C矢量网络分析仪进行测量. 天线实物图及S11仿真结果和实测结果对比如图4所示.
图 4 天线加工实物图及仿真和测量的反射系数对比Figure 4. Physical drawing of antenna processing and comparison of simulated and measured reflection coefficients从图4中可以看出，由于加工和焊接过程中存在损耗，测量值较仿真值有细微的频偏，但S11的整体趋势保持一致，未影响所设计天线的工作带宽，证明所设计的小型化天线在2.45 GHz和3.40 GHz频段具有良好的阻抗匹配.
为验证所设计天线的辐射性能，将小型化双频轨旁天线的二维远场辐射方向图的测量结果与仿真结果进行对比. 在2.45 GHz和3.40 GHz频段，E平面和H平面下模拟和测量的归一化方向图如图5所示.
模拟与测量结果吻合较好，说明设计的小型化双频轨旁天线在E面和H面均具有良好的定向辐射性能，且具有较小的旁瓣和尾瓣，证明了本文所提出天线的可靠性.
2. 天线小型化对周围电磁环境及人体的辐射影响分析
2.1 隧道电磁环境建模及电场强度测量
根据工程实际应用的场景，选择具有代表性的拱形隧道作为建模对象.
利用Comsol进行隧道电磁环境的建模，结合隧道的几何结构、材料属性以及边界条件，构建真实的隧道电磁环境等效模型，将小型化天线按照工程安装需求置于隧道中，如图6所示.
地铁隧道按照实际工程应用的尺寸大小进行建模，铁轨间距为国际铁路联盟制定的
1.435 m标准轨距，隧道的边界条件设置为阻抗边界条件，用于模拟无限厚度的隧道，隧道两端横截面设置为散射边界条件，即在两端不考虑电磁波的反射. 隧道的长度选用5 m. 根据实际工程中隧道内分布式天线的布置，在建模过程中天线的具体放置情况如下：挂高2.5 m，与隧道壁距离0.1 m，下倾角15°，天线主瓣辐射方向沿着隧道的方向，即沿着z轴方向.为验证隧道电磁环境建模的正确性，使用R&S®FSH手持式频谱分析仪，测量地铁隧道内CBTC系统2.45 GHz专用天线的功率电平，测试环境如图7所示. 频谱分析仪测量范围为9 kHz～20 GHz，接收天线增益为5 dBi，标准阻抗50 Ω，距地面高度1.5 m，置于地铁轨道中心. 将测量得到的接收功率与仿真得到的电场强度进行相互转化，对于输入阻抗为50 Ω的测量系统，待测电场强度值E （dBμV/m）的计算如式（1）所示[22].
E=K+A+107+L, (1) K=−29.75+20lgf−10lgG, (2) 式中：A为频谱仪的数字幅度读数（dBm），L为连接频谱分析仪和天线之间的馈线损耗（dB），K为天线系数（dB），f为工作频率（MHz），G为接收天线增益（dBi）.
将式（2）计算得到的结果代入式（1），可得到所需的电场强度值. 在测量过程中，通过平行于轨道方向移动测量设备位置，测量得到距离轨旁天线0～100 m的功率电平值. 为验证隧道电磁环境仿真结果的可靠性，取0～5 m内的测量数据与仿真数据进行对比，结果如图8所示.
从图8中可以看出：仿真过程中，距离天线越近，根据实测位置建立的测试线上的接收功率越大；在0～5 m内，接收功率仿真值为−53.64～ −31.64 dBm，测量值为−58.75～−34.94 dBm；仿真和模拟的最大值相差5.11 dBm，最小值相差3.3 dBm. 仿真与测量结果的误差在10%之内，这表明仿真的结果可以用于评估真实地铁隧道空间内的场强分布.
2.2 不同天线辐射下隧道内的电磁兼容性分析
隧道作为现代轨道交通重要的路面组成部分，其封闭内部空间加剧了电磁波反射和多径效应，辐射源间的电磁干扰问题变得尤为突出. 因此，本文模拟轨旁天线小型化后对隧道内电磁环境的变化，当工作频率为2.45 GHz和3.40 GHz时，对比传统单频轨旁天线与小型化双频轨旁天线辐射下的地铁隧道空间内的电场强度分布，以隧道内yOz截面、xOy截面和xOz截面处的场强分布作为对照平面，结果如图9所示.
从图9中可以看出：隧道空间内场强的最大值集中于天线主瓣辐射区域内，向四周逐渐减小，且天线的工作频率越高，在隧道周围产生的场强越大. 在yOz截面处，当工作在2.45 GHz时，传统天线和小型化天线最大场强分别为0.959、0.939 V/m；工作在3.40 GHz时，传统天线和小型化天线最大场强分别为1.370、1.280 V/m. 在xOy截面处，当工作在2.45 GHz时，传统天线和小型化天线最大场强分别为1.710、1.470 V/m；工作在3.40 GHz时，传统天线和小型化天线最大场强分别为2.420、2.030 V/m. 在xOz截面处，当工作在2.45 GHz时，传统天线和小型化天线最大场强分别为1.390、1.230 V/m；工作在3.40 GHz时，传统天线和小型化天线最大场强分别为2.380 、1.700 V/m. 相对于传统的单频八木天线来说，小型化双频轨旁天线在隧道空间内产生的最大场强均有不同程度的减小，即天线小型化可以减小远场的电场强度. 为进一步分析轨旁天线小型化之后对隧道内其他辐射源的干扰程度，在原有模型中加入实际场景中与轨旁天线放置在一起的漏泄同轴电缆，如图10所示. 图中：P为开槽周期，P=270 mm；α为槽孔倾斜角，α=32°.
该模型中的漏泄同轴电缆采用目前地铁广泛使用的50-42系列民用漏缆，其外导体为开有周期性八字形槽孔的铜管，介质采用发泡聚乙烯材料，内导体采用半径为8.65 mm的光滑铜管. 该漏缆的1个周期内包含由2个对称倾斜槽孔组成的三八字形槽孔. 当传统轨旁天线和小型化轨旁天线分别工作在2.45 GHz和3.40 GHz时，漏缆上产生的感应电场强度如表1所示.
表 1 不同天线辐射下漏缆上的感应电场强度Table 1. Induced electric field strength on leaky cables under different antenna radiations频率/
GHz传统天线/
（V•m−1）小型化天线/
（V•m−1）减小比例% 2.45 1.22 0.98 19.67 3.40 3.24 2.19 32.41 从表1中可以看出，天线小型化之后，漏泄同轴电缆上产生的电场强度减小了19.67%以上. 这说明进行天线小型化能够降低对隧道内其他辐射源的辐射影响，进而提升隧道内轨旁天线的电磁兼容性.
2.3 隧道巡检人员人体建模及其电磁暴露安全评估
基于国际通用的成年男性人体模型[23]，建立隧道内工作人员的人体模型，如图11所示.
此人体模型高为1.80 m，包括躯干、颅骨、大脑和心脏4个部分，根据1996年Gabriel等提出的4阶Cole-Cole模型[24]计算人体组织介电特性[25]方法，分别计算出2.45 GHz和3.40 GHz频率下人体模型中各组织的相对介电常数εr和电导率σ，见表2. 表中：ρ为人体组织的密度. 在该人体模型中，大脑组织的相对介电常数、电导率和组织密度取值为是脑白质和脑灰质的计算平均值. 躯干组织的相对介电常数、电导率和组织密度取值为皮肤、血液、肌肉和骨骼这4种组织的计算平均值. 人体模型位于2根铁轨中间，距隧道壁2.2 m处，其面部朝着天线主瓣辐射方向.
表 2 人体组织介电参数和组织密度Table 2. Dielectric parameters and density of human tissue组织 2.45 GHz 3.40 GHz ρ/（kg•m−3） εr σ/（S•m−1） εr σ/（S•m−1） 躯干 41.31 1.57 40.18 2.19 1297 颅骨 18.55 0.81 17.53 1.16 1990 大脑 42.54 1.51 41.28 2.15 1038 心脏 54.81 2.26 53.001 3.11 1050 为进一步探讨轨旁天线小型化后对人体的辐射影响，分别模拟工作频率为2.45 GHz和3.40 GHz时，传统单频轨旁天线和小型化双频轨旁天线辐射下人体组织内吸收的辐射剂量. SAR用于描述人体电磁辐射的剂量分布，被定义为在单位时间内单位质量人体组织吸收的电磁辐射能量. 人体模型SAR为
SAR=σE2ρ. (3) 图12为人体模型的躯干、颅骨、大脑和心脏在2.45 GHz和3.40 GHz辐射下的SAR值分布.
从图12中可以看出，在轨旁天线辐射下，人体躯干SAR最大值主要分布于胸部、腹部以及头部，由于骨骼、肌肉等组织的导电性和介电常数存在差异，导致电场在穿过这些组织时的衰减和分布不均. 特别是当电场穿过躯干时，由于躯干内含有大量的肌肉和脂肪组织，这些组织对电场的吸收和散射作用较强，使得电场强度在到达大脑前就已经有所减弱，因此，颅骨、大脑和心脏的SAR相比于躯干来说更小. 相对于传统单频天线，小型化天线辐射下人体组织的SAR值均有不同程度的减小. 现将上述不同身体组织在传统单频天线和小型化双频轨旁天线辐射下人体不同组织的SAR最大值进行对比，结果如图13所示.
从图13中可以看出，在进行天线小型化之后，当天线工作在2.45 GHz时，躯干、颅骨、大脑、心脏的SAR值分别减小61.81%、7.48%、26.73%、38.79%；当天线工作在3.40 GHz时，躯干、颅骨、心脏的SAR值分别减小19.76%、46.60%、55.62%、55.28%.
小型化天线工作时，将人体躯干的感应电场强度最大仿真值、SAR最大仿真值分别与国际非电离辐射防护委员会（International Commission on Non-ionizing Radiation Protection, ICNIRP）制定的限值[26]进行对比，结果见表3和表4.
表 3 躯干电场强度最大仿真值与ICNIRP限值对比Table 3. Comparison of simulated electric field strength maxima of trunk with ICNIRP limitsV/m 频率/GHz 仿真值 ICNIRP 限值 2.45 0.07 61 3.40 0.09 61 表 4 躯干SAR最大仿真值与ICNIRP限值对比Table 4. Comparison of simulated SAR maxima of trunk with ICNIRP limitsW/kg 频率/GHz 仿真值 ICNIRP 限值 2.45 2.15 × 10−6 2 3.40 3.33 × 10−6 2 由表3、4可知，小型化天线工作在2.45 GHz和3.40 GHz时，ICNIRP的电场强度限值分别为躯干感应电场强度仿真值的8.84 × 102倍和6.42 × 102倍；ICNIRP的SAR限值分别为躯干SAR仿真值的9.30 × 105和6.06 × 105倍. 综上所述，进行天线小型化之后，可以有效降低天线辐射下人体组织内的SAR值，能够提高隧道内巡检人员的电磁暴露安全性.
3. 结 论
1） 在传统单频轨旁天线的基础上，通过增加新的枝节，实现了双频工作特性，不仅拓宽了天线的工作频段，使其在2.45 GHz和3.40 GHz频段内均能高效工作，而且为地铁通信系统的升级和扩展提供了更多的可能性. 此外，为弥补天线小型化后出现的增益损失，引入了开口谐振环和Ⅰ型单元. 通过加载这2种超材料单元不仅提升了天线的性能，而且在不影响其辐射性能的前提下，实现了天线的小型化.
2） 构建了地铁隧道电磁环境等效模型，通过对比真实地铁隧道中CBTC系统2.45 GHz天线场强的测量结果，验证了该模型的准确性. 利用有限元法对轨旁天线小型化后隧道内的电场强度分布以及漏泄同轴电缆上产生的感应电场强度进行了研究. 结果表明：轨旁天线小型化后，当工作频率分别为2.45 GHz和3.40 GHz时，在隧道不同截面处的峰值场强相对于传统单频轨旁天线分别至少减小2.09%和6.57%，轨旁天线旁边的漏泄同轴电缆上产生的感应电场强度分别减小了19.67%和32.41%，证明了小型化双频轨旁天线在保障通信质量的同时，能够减小对其他辐射源的辐射影响，提高其电磁兼容性.
3） 构建了包含重要人体组织的轻量化人体模型，模拟了轨旁天线小型化前后人体不同组织的SAR值分布. 相比较传统单频轨旁天线而言，轨旁天线小型化之后，躯干、颅骨、大脑、心脏吸收的SAR值分别减小了17.96%、46.60%、55.62%、55.28%以上，有效降低隧道内工作人员对辐射剂量的吸收，这对于保障地铁工作人员的健康和安全具有重要意义.
综上所述，本文提出的小型化双频天线可以同时作为CBTC系统和5G轨旁通信的辐射终端，提高隧道内5G信号的覆盖，同时降低对隧道内电磁环境的影响，提高隧道内轨旁天线的电磁兼容性，并可以有效降低人体组织吸收的辐射剂量，为地铁隧道内电磁防护提供了新的思路.
致谢：智元实验室开放基金（ZYL 20240004）的资助.
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图 2 3种天线的S参数仿真结果对比
Figure 2. Comparison of S-parameter simulation results of three antennas
图 4 天线加工实物图及仿真和测量的反射系数对比
Figure 4. Physical drawing of antenna processing and comparison of simulated and measured reflection coefficients
表 1 不同天线辐射下漏缆上的感应电场强度
Table 1. Induced electric field strength on leaky cables under different antenna radiations
频率/
GHz传统天线/
（V•m−1）小型化天线/
（V•m−1）减小比例% 2.45 1.22 0.98 19.67 3.40 3.24 2.19 32.41 
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表 2 人体组织介电参数和组织密度
Table 2. Dielectric parameters and density of human tissue
组织 2.45 GHz 3.40 GHz ρ/（kg•m−3） εr σ/（S•m−1） εr σ/（S•m−1） 躯干 41.31 1.57 40.18 2.19 1297 颅骨 18.55 0.81 17.53 1.16 1990 大脑 42.54 1.51 41.28 2.15 1038 心脏 54.81 2.26 53.001 3.11 1050
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表 3 躯干电场强度最大仿真值与ICNIRP限值对比
Table 3. Comparison of simulated electric field strength maxima of trunk with ICNIRP limits
V/m 频率/GHz 仿真值 ICNIRP 限值 2.45 0.07 61 3.40 0.09 61
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表 4 躯干SAR最大仿真值与ICNIRP限值对比
Table 4. Comparison of simulated SAR maxima of trunk with ICNIRP limits
W/kg 频率/GHz 仿真值 ICNIRP 限值 2.45 2.15 × 10−6 2 3.40 3.33 × 10−6 2
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