高速鐵路應答器傳輸系統(tǒng)復雜環(huán)境適應性研究

朱林富，李 鹍，王俊飛，許 波

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 標準計量研究所， 北京 100081；2.中鐵檢驗認證中心有限公司， 北京 100081)

截至2020年底，中國高速鐵路運營里程達到3.79萬km，位居世界第一，中國已進入高速鐵路時代。安全是高速鐵路永恒的主題，列車運行控制系統(tǒng)是列車的大腦和神經(jīng)中樞，負責保障列車運行安全，并根據(jù)定位信息計算列車安全運行速度[1-2]。應答器傳輸系統(tǒng)是列車運行控制系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分。

應答器傳輸系統(tǒng)在室外工作，在各種極端條件和不利因素下也必須正常工作。在冬季，應答器表面可能會被冰雪覆蓋；運輸鐵礦石、煤炭的貨運路線，應答器表面會累積煤塵、鐵粉；應答器和車載天線單元周圍會分布很多金屬體，如鋼軌和列車車體；此外，應答器還需要安裝在不同的道床和軌枕上。研究復雜環(huán)境下應答器傳輸系統(tǒng)的適應性，可為提高列車運行控制系統(tǒng)的安全性、可靠性、可維護性提供數(shù)據(jù)支撐和理論參考。

應答器傳輸系統(tǒng)是射頻識別(Radio Frequency Identification， RFID)在軌道交通信號領域中的一種特殊應用。應答器傳輸系統(tǒng)由車載應答器傳輸單元(Balise Transmission Module， BTM)、車載天線單元和應答器組成。應答器安裝在兩根鋼軌中間的道床或軌枕上，車載天線單元向應答器傳輸射頻能量，應答器被激活后向車載天線單元發(fā)送定位信息和線路數(shù)據(jù)，BTM接收來自車載天線單元的數(shù)據(jù)，將其發(fā)送給列車超速防護系統(tǒng)用于生成速度距離模式曲線。列車由于距離累積導致的定位誤差在通過應答器時進行定位校準[3-4]。應答器發(fā)送的上行鏈路報文包括控車所需的位置信息、線路限速、坡度、橋隧信息等[5]。列控系統(tǒng)連續(xù)丟失兩組應答器報文將輸出制動，最終導致停車。據(jù)統(tǒng)計，應答器傳輸系統(tǒng)的故障占列車超速防護系統(tǒng)(Automatic Train Protection，ATP)故障的30%。

射頻識別系統(tǒng)依靠天線傳輸能量和數(shù)據(jù)，天線是系統(tǒng)的關鍵部件。系統(tǒng)周圍環(huán)境影響天線的性能參數(shù)。介質(zhì)與金屬使電磁場發(fā)生衰減，改變了天線的阻抗匹配，引起調(diào)諧頻率偏移[6-7]，金屬的尺寸與天線的相對位置和距離決定了影響的程度[8-9]。金屬平面和天線平面的夾角越大，調(diào)諧頻率偏移越小，金屬對天線的影響越小。介質(zhì)降低了RFID的有效通信距離，例如，微型電感調(diào)諧的平面偶極子天線，工作在低介電常數(shù)的介質(zhì)附近，最遠通信距離為8 m，但當安裝在高介電常數(shù)介質(zhì)附近時，最遠通信距離減小2 m。學者提出多種方法降低復雜環(huán)境對RFID天線的影響，如增加天線與金屬或介質(zhì)間的距離[10-11]。在BTM天線四周安裝金屬板，抑制干擾信號，降低誤碼率[12]。

應答器傳輸系統(tǒng)的天線已在理想條件下進行過建模研究[6-7]。然而，現(xiàn)實應用環(huán)境并非理想條件，應答器傳輸系統(tǒng)周圍存在多種金屬和介質(zhì)。針對應答器傳輸系統(tǒng)的特殊應用環(huán)境，本文基于天線建模對雜物和金屬對天線的影響進行研究，并提出優(yōu)化方案。

1 天線建模

1.1 基于電磁場理論建模

應答器傳輸系統(tǒng)的天線包括射頻能量接收和發(fā)射天線、上行鏈路接收和發(fā)射天線，它們都基于電磁感應原理傳輸能量和數(shù)據(jù)。Maxwell方程是電磁場在介質(zhì)空間和自由空間中的基本定律，以射頻能量發(fā)射和接收天線作用過程為例分析，微分形式的Maxwell方程如下

( 1 )

( 2 )

( 3 )

( 4 )

式中：D為流經(jīng)射頻能量發(fā)射天線的電通量密度；JT為自由電流密度；H為射頻能量發(fā)射天線生成的磁場強度；B為射頻能量接收天線接收到的磁通量密度；E為射頻能量接收天線生成的電場強度；ρT為自由電荷體密度。

根據(jù)式( 1 )描述的安培環(huán)路定律，流經(jīng)射頻能量發(fā)射天線的頻率為27.095 MHz電流和時變電場產(chǎn)生時變磁場；根據(jù)式( 2 )描述的法拉第電磁感應定律，射頻能量接收天線接收到的時變磁場產(chǎn)生時變電場；根據(jù)式( 3 )描述的庫侖定律，時變電場的源是電荷；根據(jù)式( 4 )描述的高斯定律，磁場是無源場，磁力線是閉合曲線。應答器傳輸系統(tǒng)基于電磁感應原理的信號流程見圖1。

圖1 應答器傳輸系統(tǒng)信號流程

應答器傳輸系統(tǒng)的上行鏈路信號和射頻能量信號都具有正弦特性，對應場也按正弦規(guī)律變化，稱其為正弦變化場或時諧場。Maxwell方程的時諧形式為

( 5 )

( 6 )

( 7 )

( 8 )

式中：ω為上行鏈路信號或射頻能量的角頻率，表達式為

ω=2×π×f

( 9 )

射頻能量的頻率f為27.095 MHz，上行鏈路信號的頻率f為4.234 MHz。JT由流經(jīng)發(fā)射天線的源電流J和源電流感應產(chǎn)生的傳導電流項σE組成，即

JT=σE+J

(10)

電磁場在介質(zhì)中傳播。介質(zhì)的電磁特性參數(shù)由電導率σ、介電常數(shù)ε和磁導率μ表征，關系式為

D=εE

(11)

B=μH

(12)

將式(10)～式(12)代入式(5)、式(6)可得

(13)

(14)

由此可得，電場強度和磁場強度與介質(zhì)電磁特性參數(shù)電導率σ、介電常數(shù)ε和磁導率μ有關。自由空間是電磁場的一種傳播介質(zhì)，其介電常數(shù)ε≈8.85×10-12F/m，磁導率μ≈4π×10-7H/m。

1.2 基于電路理論建模

應答器傳輸系統(tǒng)的發(fā)射天線將傳輸線上的電流轉換成自由空間內(nèi)的磁場，接收天線將自由空間內(nèi)的磁場轉換為傳輸線上的電流。發(fā)射天線和接收天線是互易結構。

在車載天線單元和應答器內(nèi)部，見圖2(a)，存在4副天線，2種工作頻率，分別為27.095、4.234 MHz，每種工作頻率對應發(fā)射和接收兩副天線[13-14]。其中，射頻能量發(fā)射和接收天線傳輸應答器工作所需的射頻能量，上行鏈路發(fā)射和接收天線傳輸報文，并提供線路數(shù)據(jù)和定位信息。兩種天線的尺寸遠小于波長，都屬于電小天線。

參考坐標系見圖2(b)，x軸平行于鋼軌，列車正向行駛方向為x軸正向；y軸垂直于鋼軌，且與軌面平行；z軸垂直于軌面。參考零點位于鋼軌底平面的中心。

應答器傳輸系統(tǒng)的線圈天線和匹配調(diào)諧電路見圖2(c)，線圈天線的磁導率μ≈4π×10-7H/m，電導率σ=5.8×107S/m,銅線直徑為0.072 mm，四個天線的尺寸相同。基座材料為環(huán)氧玻纖布基板，尺寸為430 mm×240 mm×1.6 mm。

圖2 應答器傳輸系統(tǒng)天線和等效電路模型(單位：mm)

線圈天線和匹配調(diào)諧電路的等效電路見圖2(d)。圖中：R為線圈的等效串聯(lián)電阻；L為線圈的等效串聯(lián)電感；Cs為串聯(lián)調(diào)諧電容；Cp為并聯(lián)調(diào)諧電容；Rs為串聯(lián)匹配電阻。線圈天線和匹配調(diào)諧電路的電抗X表達式為

(15)

當電抗X為0時，線圈天線實現(xiàn)調(diào)諧，調(diào)諧頻率表達式為

(16)

電感L與磁通量ψ的關系式為

(17)

式中：ψ由電流I產(chǎn)生。

應答器傳輸系統(tǒng)的車載天線單元安裝在車體底部，地面應答器安裝在兩根鋼軌中間，通過空氣間隙傳輸能量和數(shù)據(jù)。由于是室外環(huán)境，周圍存在各種介質(zhì),當周圍環(huán)境變化時，穿過線圈天線的磁通量也發(fā)生變化。從式(16)和式(17)中得出，磁通量ψ的變化將改變線圈天線電感L，進而引起調(diào)諧頻率f偏移。

應答器傳輸系統(tǒng)天線調(diào)諧電路參數(shù)值如表1所示。

表1 應答器傳輸系統(tǒng)天線調(diào)諧電路參數(shù)

應答器傳輸系統(tǒng)天線的分析方法可以采用場分析法和等效電路網(wǎng)絡法。場分析法是根據(jù)電磁場理論，在邊界條件下解Maxwell方程組的電場和磁場，得到場分布，再根據(jù)場特性得到場傳播特性。但是，場分析法過程復雜，計算量大。等效電路網(wǎng)絡法是通過入射信號和反射信號分析天線傳輸特性，將天線等效為一個單端口網(wǎng)絡，見圖3。

圖3 應答器傳輸系統(tǒng)天線單端口網(wǎng)絡模型

天線與信號源通過傳輸線連接，需有效利用來自信號源的可用功率。天線的關鍵性能參數(shù)之一是輸入阻抗。當天線輸入阻抗Zin和傳輸線的特性阻抗Z0實現(xiàn)阻抗匹配時，反射系數(shù)S11最小，傳輸功率最大。如果阻抗不匹配，反射系數(shù)S11較大，在天線與傳輸線接口處產(chǎn)生較大反射，嚴重時導致天線不能按照預期工作[15]。應答器傳輸系統(tǒng)天線設計的一個重要任務是實現(xiàn)阻抗匹配，減小反射。反射系數(shù)S11的計算公式為

(18)

天線附近的其他介質(zhì)和雜物的電磁特性參數(shù)如介電常數(shù)、磁導率和電導率與自由空間不同，根據(jù)式(13)和式(14)，電磁特性參數(shù)改變導致電場和磁場變化，使天線周圍的分布電容和分布電感發(fā)生變化。因此天線的輸入阻抗受附近其他介質(zhì)和雜物的影響而改變，從而改變天線的阻抗匹配狀態(tài)，導致反射信號增大。

根據(jù)天線的等效電路模型制作天線樣機，用于驗證軟件仿真結果。阻抗匹配即天線的輸入阻抗與傳輸線的特性阻抗相同，信號傳輸效率、功率容量以及穩(wěn)定性達到最佳，消除天線反射現(xiàn)象，反射系數(shù)S11最小(文中選用S11作為表征天線性能的參數(shù))。通過S11的變化描述周圍雜物和金屬對系統(tǒng)天線的影響，S11采用射頻矢量網(wǎng)絡分析儀(Agilent FieldFox N9923A)測量，采用電磁仿真軟件Microwave Studio和CST Design Studio計算S11和磁場強度。

2 雜物影響分析

應答器傳輸系統(tǒng)在室外環(huán)境工作，周圍存在多種雜物，如覆蓋在應答器表面的積雪、雨水、煤塵、鐵粉、油脂，應答器安裝位置下方的混凝土道床、軌枕和道砟，以及從應答器附近經(jīng)過的電纜等。這些雜物與自由空間的電磁特性參數(shù)不同，因此對應答器的影響不同。本文以高速鐵路中經(jīng)常使用的混凝土道床為例，分析其在不同距離處對應答器天線的影響。

混凝土的介電常數(shù)ε≈5.31×10-11F/m，磁導率μ≈4π×10-7H/m。為定量分析該影響，在與混凝土道床不同距離處，測量應答器內(nèi)部的射頻能量接收天線和上行鏈路發(fā)射天線的調(diào)諧頻率和反射系數(shù)。

仿真和測試中，混凝土道床的尺寸為5 400 mm×2 100 mm×100 mm。將應答器內(nèi)部的射頻能量接收天線和上行鏈路發(fā)射天線放置在實驗室的自由空間內(nèi)，周圍無混凝土時，分別測量和仿真計算兩天線的調(diào)諧頻率和反射系數(shù)；然后分別將兩天線放置于混凝土塊周圍，兩天線與混凝土道床的z軸垂直距離從0 mm漸增至600 mm，測量和仿真計算兩天線的調(diào)諧頻率和反射系數(shù)。結果見圖4和圖5，反射系數(shù)S11最小點處的對應頻率即為天線的調(diào)諧頻率。圖4(a)中，無混凝土時，射頻能量接收天線的調(diào)諧頻率為27.20 MHz；當該天線直接放置在混凝土上，二者之間距離為0 mm時，調(diào)諧頻率為25.37 MHz，與無混凝土時比較，偏移1.83 MHz。逐漸增加二者間距離，從100 mm增至600 mm，調(diào)諧頻率漸進穩(wěn)定，最終為26.89 MHz。圖5(a)中，放置混凝土后，上行鏈路發(fā)射天線的調(diào)諧頻率偏移很小，為了降低混凝土道床對應答器的影響，安裝時應與混凝土道床保持至少100 mm的垂直距離。

圖4 混凝土道床上的射頻能量接收天線S11

圖5 混凝土道床上的上行鏈路發(fā)射天線S11

3 金屬影響分析

3.1 鋼軌

應答器兩側的鋼軌是金屬體，磁導率μ≈4π×10-7H/m，電導率σ=7.69×107S/m。為模擬應答器安裝產(chǎn)生的偏移，在xOy平面內(nèi)應答器沿y軸從y=-400 mm平移至y=400 mm，仿真模型見圖6。

圖6 鋼軌中間的應答器仿真模型

應答器內(nèi)部兩天線反射系數(shù)S11和調(diào)諧頻率的現(xiàn)場測量結果見圖7。根據(jù)圖7(a)，當應答器電氣中心y=-400 mm時，射頻能量接收天線的調(diào)諧頻率為25.94 MHz；y在-200～200 mm范圍內(nèi)，其調(diào)諧頻率穩(wěn)定；y超出-200～200 mm范圍時，其調(diào)諧頻率發(fā)生偏移。根據(jù)圖7(b)，y在-400～400 mm范圍內(nèi)時，上行鏈路發(fā)射天線的調(diào)諧頻率穩(wěn)定，鋼軌對其影響很小。根據(jù)圖7的測量結果得出，在y=0 mm點，應答器與兩根鋼軌的距離相等，兩天線的調(diào)諧頻率最穩(wěn)定，是最優(yōu)安裝位置，允許安裝誤差范圍為-200～200 mm。

圖7 鋼軌中間的應答器內(nèi)部兩天線S11

為分析鋼軌對磁場分布的影響，車載天線單元內(nèi)部的射頻能量發(fā)射天線在z=460 mm的作用高度向應答器發(fā)射頻率為27.095 MHz的射頻能量，幅值8.94 V，發(fā)射功率40 W。應答器安裝在z=100 mm的xOy平面上，應答器在z=100 mm的xOy平面上接收到的射頻能量磁場分布見圖8。圖8(a)表示有鋼軌時的磁場分布，與無鋼軌時的圖8(b)比較，磁場在鋼軌附近被壓縮，磁場強度衰減。越過鋼軌的磁場會對鄰線的應答器造成串擾，因此鋼軌衰減磁場，降低了對鄰線應答器的串擾。

圖8 應答器接收的射頻能量磁場分布(單位：A/m)

應答器傳輸系統(tǒng)通過地面應答器和車載天線單元之間的空氣間隙A接口傳輸能量和數(shù)據(jù)。磁場的有效部分是z軸垂直分量。以射頻能量磁場為例分析，其沿x軸、y軸和z軸分布見圖9。從圖9中可見，有鋼軌時的射頻能量磁場強度小于無鋼軌時的磁場強度，說明鋼軌衰減了射頻能量磁場z軸分量。圖9(b)中，有鋼軌時射頻能量磁場z軸分量的零區(qū)(主瓣與旁瓣的交界點)遠低于沒有鋼軌的對應部分。有鋼軌時的磁場零區(qū)即y軸與鋼軌的交點，鋼軌反射了交叉點附近的磁場，使得磁場強度降低。圖9(c)中，磁場是對稱的，從z=0 mm至z=460 mm的部分屬于有效磁場；z=460 mm至z=1 000 mm是列車底部至車廂的范圍，該范圍的磁場是一種不期望的干擾噪聲。

圖9 車載天線單元發(fā)射的射頻能量磁場z軸分量

3.2 金屬板

由于列車金屬車體的影響，車載天線單元安裝在列車底部時，天線會發(fā)生失諧。研究中，在車載天線單元背面平行放置一塊金屬板模擬列車金屬車體。金屬板的磁導率μ≈4π×10-7H/m，電導率σ=7.69×107S/m。對于車載天線單元，以面向應答器一側為正面，遠離應答器一側為背面。

未放置金屬板時，車載天線單元內(nèi)部的上行鏈路接收天線和射頻能量發(fā)射天線分別調(diào)諧至4.234 MHz和27.095 MHz。金屬板與車載天線單元電氣中心的初始距離為210 mm，依次遞減至10 mm，其內(nèi)部兩天線的調(diào)諧頻率隨金屬板與天線間距離變化關系見圖10。圖10(a)中，金屬板與上行鏈路接收天線間距離210 mm時，測量調(diào)諧頻率為4.24 MHz；當距離為10 mm時，測量調(diào)諧頻率偏移至5.08 MHz。圖10(b)中，金屬板與射頻能量發(fā)射天線的距離為210 mm時，測量調(diào)諧頻率為26.99 MHz；當距離為10 mm時，測量調(diào)諧頻率為30.42 MHz，與未放置金屬板時比較，調(diào)諧頻率偏移3.325 MHz。由圖10可知，金屬板與天線間距離越小，兩天線的調(diào)諧頻率偏移越大。

圖10 加裝一塊金屬板時車載天線單元內(nèi)部兩天線的調(diào)諧頻率

為解決靠近金屬車體安裝引起的天線失諧問題，提出在車載天線單元背面固定一塊金屬板。鋁、銅和鋼的磁導率相同，電導率在0.769×107～5.96×107S/m之間，電磁特性參數(shù)相近。不銹鋼在材料性能、抗腐蝕性、安裝強度、價格和使用壽命等方面優(yōu)勢更大，因此選用不銹鋼材質(zhì)的金屬板，尺寸為450 mm×400 mm×1 mm。在車載天線單元背面距離30 mm平行固定放置上述金屬板，金屬板安裝示意見圖11。內(nèi)部兩天線重新調(diào)諧至4.234、27.095 MHz，采用相同尺寸的第二塊金屬板模擬列車金屬車體，從背面接近車載天線單元。

圖11 金屬板安裝示意圖(單位：mm)

兩天線的測量反射系數(shù)S11和調(diào)諧頻率的關系見圖12。當兩金屬板的距離從180 mm遞減至0 mm時，有一塊金屬板的調(diào)諧頻率和有兩塊金屬板的調(diào)諧頻率相同，沒有偏移。從圖12中可知，固定第一塊金屬板后，車載天線單元接近模擬金屬車體的第二塊金屬板，內(nèi)部兩天線不會發(fā)生失諧。

圖12 加裝第二塊金屬板時車載天線單元內(nèi)部兩天線的S11

在車載天線背面加裝一塊金屬板，二者中心距離10 mm，以射頻能量發(fā)射天線為例進行分析，其射頻能量磁場分布見圖13，其中紅色虛線，綠色實線代表沒有金屬板時射頻能量磁場z軸分量。比較兩種場景發(fā)現(xiàn)，加裝金屬板后，27.095 MHz磁場z軸分量在z>460 mm后發(fā)生劇烈衰減，因為金屬板阻擋了磁場的傳播。該部分磁場對于應答器傳輸系統(tǒng)的工作無效，對于其他車載系統(tǒng)是一種電磁干擾。從圖13可知，加裝金屬板后，該干擾被衰減至少20 dB。z>460 mm區(qū)域是車載天線單元的非期望工作空間，在該區(qū)域，加裝金屬板后的磁場強度降至加裝金屬板前的磁場強度的10%，有效降低了車載天線單元的輻射發(fā)射干擾。對于z在0～460 mm范圍的射頻能量磁場分量，與無金屬板時比較，加裝金屬板后衰減5 dB左右。該部分磁場為有效射頻能量，其衰減后會縮減應答器傳輸系統(tǒng)沿x軸的作用距離。

圖13 金屬板對車載天線單元發(fā)射的射頻能量磁場z軸分量的影響

4 結論

本文研究了應答器傳輸系統(tǒng)在實際應用環(huán)境中的天線性能，分析了應答器傳輸系統(tǒng)天線在接近混凝土道床、鋼軌和金屬板時的調(diào)諧頻率和磁場分布，結論如下：

(1)應答器安裝在混凝土道床上時，其內(nèi)部天線的調(diào)諧頻率偏移，與混凝土道床的垂直安裝距離應大于或等于100 mm；

(2)鋼軌衰減了應答器接收到的射頻能量磁場，有利于降低對鄰線應答器的串擾，但會使得射頻能量接收天線的調(diào)諧頻率發(fā)生偏移；

(3)應答器最優(yōu)安裝位置是y=0 mm，沿y軸的允許安裝范圍是(-200，200)mm；

(4)將車載天線單元背面加裝一塊不銹鋼材質(zhì)的金屬板后，解決了車載天線單元安裝到金屬車體附近的天線失諧問題，有效降低了車載天線單元對金屬的敏感性。同時，該金屬板改變了車載天線單元的磁場分布，降低射頻能量磁場輻射發(fā)射干擾20 dB，提高了其電磁兼容性能。從理論上闡述了方法的有效性，但鑒于鐵路運營環(huán)境的復雜性，實際運用效果須進一步驗證分析。

應答器傳輸系統(tǒng)采用上述方法能夠提高其在復雜環(huán)境中的適應性。