高速鐵路應答器系統的電磁特性分析

李進明

（中交隧道局電氣化工程有限公司，北京 100102）

現階段RFID技術被應用于高速鐵路應答器系統，該技術的識別性及連通性開辟了全新的應用領域。

1 應答器的工作系統原理與應用

1.1 應答器系統的工作原理

對于無源應答器而言，尤為重要的關鍵性問題就是確保其能夠接收能源。在設計無源應答器設備系統中，有源應答器系統較為復雜，但當無源應答器設備在去除電源電路，逐步轉變為外部供電的過程中，可以將其應用為有源應答器。無源應答器系統主要包括2部分，如圖1所示，可以對能量進行接收，能夠發送信息，且具有信息存儲類裝置。列車可以借助應答器上方，借助能量接收天線完成高頻能量的發送，地面應答器接收相應信號。應答器可以通過對高頻能量的接收，之后將其轉變為電能，完成對能量的方式轉換加以存儲，后將其信號編碼借助天線發送至車載BTM，從而完成了整個應答器系統的信息傳輸過程，實現了兩者之間的耦合，完成信息傳輸。

1.2 高速鐵路應答器系統的應用范圍

應答器系統作為一種極其重要的基礎類信號設施，現階段被廣泛運用于國際間的地鐵、鐵路、輕軌等交通工具中。具體的應用范圍可以運用至行車安全、道口防護及運營服務中。點式應答器在應用過程中，作為實施數據化傳輸設備，有著較大信息量及較高速率的特點，后隨著運輸線路的不斷提速和高鐵的出現，點式應答器更是起到了點連式ATP系統的關鍵作用。與此同時，地面設備還能夠更好地順應多方面氣候條件，使用期限較長，免維護。

圖1 應答器系統工作原理圖

1.3 高速鐵路應答器系統的技術指標

高速鐵路應答器系統的運用應與高速鐵路的系統及標準兼容性相符，符合其具體的工作環境，因此，應當參照以下技術指標原則進行研究。

1.3.1 信息載頻

通過選擇能量及信息載體的原則，需要盡可能地避開電氣化牽引電流中的諧波信號，應符合環境的具體應用要求，盡可能地穿透積雪、鐵粉、冰水和土豆等污物，確保應答器系統處于惡劣環境中仍然可以工作。

1.3.2 調制方式

調制通常指的是振幅、載波的頻率及有關調制信號彼此的關聯性。數字調制信號主要包括ASK、FSK以及PSK三種形式，整體應用操作比較簡單，成本投入較小。國際間絕大多數國家所采用的鐵路點式應答器，都采取了頻移鍵調制方式。

1.3.3 應答器幾何尺寸與系統的響應時間

一旦應答器的幾何尺寸、信息查詢天線、通信頻次、垂直距離、信息的報文長度、信息接收靈敏度等一系列的系統有延遲，之后列車可以通過1次運行速度與車上所接收的報文次數判斷響應時間，公式為

2 射頻識別系統的組成與特點

2.1 射頻識別系統的組成

通常情況下，射頻識別系統組成主要包括閱讀器、應答器以及數據管理系統。通過閱讀器可以實現對射頻模塊的控制，從而對應答器發射所需要讀取的信號。閱讀器通常包括控制單元、射頻模塊以及應答器的相應耦合性組件。應答器則是閱讀器所需要讀取的直接對象，實現了信息及數據的傳輸及接收，主要組件包括芯片與天線。數據管理系統主要是為了實現信息的存儲及管理，由諸多小型的數據庫構成，借助網絡連接閱讀器，獲取其所捕捉的應答器有關數據信息。

2.2 射頻識別系統的特點

RFID系統在運用中，針對不同的工作方式，可以將系統劃分為3種，包括全雙工系統、半雙工系統以及時序系統。在實現全雙工系統的運行中，可以借助分諧波或者相對獨立存在的非諧波頻率。半雙工系統運行中，閱讀器所能夠接收到的數據及信息都是交替實現的。對于全雙工及半雙工系統而言，閱讀器至應答器之間所實現的能量傳輸都是無關于數據的傳輸方向的。根據RFID的系統頻率、作用距離情況，也可以將該系統劃分為密耦合系統、遙耦合系統以及遠距離系統。

3 應答器天線的設計與仿真分析

3.1 BTM天線的設計

在設計BTM天線中，應先確定天線參數，從而保證天線的性能確保通信系統質量。在設計BTM天線時，應當密切考慮天線的大小及形狀、電氣性能。車載BTM天線在具體的工作過程中，應考慮線圈回路附近沿軸向距離的磁場強度、天線銅片的寬度及電感之間關系，并且確定天線的Q值。經過有關實踐發現，當天線的線圈距離較小的情況下，磁場強度無明顯變化；在距離為0的情況下，兩張較小天線的磁場強度明顯高于較大天線；而處于較遠距離的情況下，較大天線磁場強度明顯高于較小天線。通過考慮天線的電感量合適度發現，銅片的合適寬度應為2 cm，因此，借助公式可計算得出天線的電感數值L=489.6 nH。對于天線Q值的確定，如果實際運用中Q值大小不符合有關應用要求，可以通過借助對并聯電阻加以改變，實現對電路Q值的改變。

3.2 應答器天線的設計與仿真

無線模型的設計參數具體為30 cm×20 cm，銅片寬度在2 cm，厚度在0.2 mm，環形天線的長邊部位，存在一個長度為1 cm的缺口，其主要作用是實現對諧振頻率的電容加以調整，還能夠完成對天線Q值的調整。除此之外，通過采用50 Ω的同軸電纜實現天線饋電，應答器天線的設計仿真模型。在對電磁場的仿真中，確保結果的準確性，通常需要在每一個波長選擇超出10個的網格點。在設計網格時，需要注意波長的劃分點數、結構限度之上的最小網格點數、網格最大及最小之比限制、加密PEC邊緣。

4 結束語

本次研究通過針對高速鐵路應答器系統的電磁特性展開分析，借助車載BTM天線及地面應答器天線之間完成信號頻率的傳遞，借助電容匹配法，實現了天線的輸入阻抗能夠匹配軸電纜的輸出阻抗數值。設計仿真模型時發現在高速運行的情況下，車載BTM天線及地面應答器天線之間會產生多普勒效應，研究了天線所接收型號的影響，為我國高速鐵路的應答器系統有關研究進一步明確了具體的研究思路，起到了一定的輔助作用。

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