金屬對中低速磁浮BTM天線諧振頻率影響

牛江濤，孟天旭

（1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070）

1 概述

在國內城市軌道交通系統中，中低速磁懸浮作為后起之秀，因其環保、安全、轉彎半徑小、爬坡能力強等優點，迅速占領了一席之地。中低速磁懸浮適用于城市市區、近距離城市間以及旅游景區的交通連接，可替代輕軌和地鐵[1]。然而電磁環境干擾影響BTM 設備的正常工作是目前磁浮BTM 設備中的難點問題[2]，BTM 車載天線不僅對布線或接地等條件較為敏感，周圍設備的布局也可能對其產生影響[3]，因此需要深入對BTM 車載天線特性的研究。

國內中低速磁懸浮的車地通信方式分為車-地無線通信系統（Train-to-Wayside Communications，TWC）和BTM 兩種。TWC 系統通過車載天線和交叉感應電纜環線之間的電磁感應原理實現車-地雙向通信[4]，當列車經過環線時，TWC 系統利用兩對接收天線從環線邊界獲取絕對位置信息判斷列車運行方向，從環線交叉點獲得列車位置校正信息完成列車定位。

應答器傳輸系統是安全點式信息傳輸系統，通過應答器實現地面設備向車載設備傳輸信息[5]。BTM 是列控車載設備的核心部件之一，此模塊主要由主機、D 電纜、BTM 車載天線以及地面應答器4部分組成。

BTM 車載天線（CAU）作為BTM 系統的核心部分之一，其作用主要是發射頻率為27.095 MHz的功率波，接收地面應答器發送中心頻率為4.234 MHz 的信號。當列車通過地面應答器上方時，功率波會激活地面應答器，使地面應答器將其儲存的信息（如地理位置、列車目的運行信息、路線信息、固定限速信息等）編碼后經過移頻鍵控調制，通過地面應答器天線以586 kbit/s 的速率發送至BTM 車載天線。BTM 車載天線先將信息濾波再將有用信號放大，經解調解碼后傳送給BTM 主機等車載設備[6]。

2 BTM車載天線的仿真和實測驗證

2.1 BTM車載天線的精細化仿真

目前，計算電磁學中有很多計算方法，如有限元法。時域有限差分法和矩量法等都在電磁場仿真中廣泛使用，其中時域有限差分法(FDTD)是計算電磁學中極為重要的一種時域麥克斯韋方程求解方法。通過調整網格的尺寸和數量，時域有限差分法可以精確地模擬任意結構的材料，對于各種結構的模型以及各類信號都有精度很高的計算結果，且結合計算機的優勢，可用于一些復雜的電磁仿真，如空間內電磁場的輻射、導體上電流的分布情況等，都能實現精確且高效的計算[7]。

仿真中需要對磁浮車體和軌道的材料和尺寸結構等進行精確模擬，基于建模的特點和仿真需求，選取時域有限差分法對BTM 車載天線的真實尺寸進行精細化建模計算。天線模型如圖1 所示，內外兩環在天線下方通過交叉連接，阻抗匹配電路以及連接在天線上方內環的缺口處。

圖1 BTM車載天線模型Fig.1 Model of on-board BTM antenna

BTM 車載天線為環形貼片天線，材質設置為銅，外環尺寸為295 mm×225 mm，內環尺寸為279 mm×209 mm；阻抗匹配電路如圖2 所示，BTM 天線的阻抗匹配電路中，并聯一個電阻R和一個電容C2；串聯一個電容C1和一個電感L1。

通過計算確定各元件的值，天線的阻抗為50 Ω，諧振頻率在27.095 MHz。上述原件的值通過公式（1）到公式（6）可計算出。

將電阻R=5 Ω 并聯到圖2 中位置，仿真計算出此時天線的阻抗Z1如公式（1）所示。

圖2 BTM車載天線的阻抗匹配電路Fig.2 Impedance matching circuit of on-board BTM antenna

將Z2的實部R2代入公式（4）中，可得L1＝8.607 123 642 2×10-8H。

將Z3的虛部X3代入公式（6）中，計算出電容C2，通過優化對C2的值進行微調，調至諧振頻率為27.095 MHz 時，電容C2＝3.662 75×10-10F。

經上述步驟天線的阻抗匹配完成，此時天線的S11參數的仿真結果如圖3 所示。

圖3 天線的S11仿真結果Fig.3 Simulation results of S11 parameters of the antenna

天線的諧振頻率為27.095 MHz，此時S11＝－38.967 454 dB。

天線在頻率為27.095 MHz 時的Z11＝48.941 782－j0.348 910 61 Ω，上述指標滿足CAU 天線的設計需求。

2.2 周圍金屬物質對天線諧振頻率偏移影響的仿真

由于BTM 車載天線周圍的介質為金屬，屬于有耗介質，因此會降低BTM 天線的有效通信距離并影響報文質量。

磁浮BTM 車載天線周圍的金屬物質主要是磁浮車體和磁浮軌道，相比有軌列車少了轉向架和車輪。如圖4 所示，建立磁浮車底和磁浮軌道模型，二者材料都設置為鐵。

圖4 磁懸浮車底和軌道模型三視Fig.4 Three view drawings of the model of a railway track and the bottom of a maglev train

將2.1 節中建立的BTM 車載天線模型置于車底如圖5 所示的位置，天線與車底的相對位置與某中低速磁浮車底與天線的實際相對位置保持一致。

圖5 BTM天線模型與車底的相對位置示意Fig.5 Schematic diagram of the relative positions of BTM antenna model and the train bottom

仿真的各項參數設置與2.1 節中保持一致，啟動仿真。此時天線S11參數的仿真結果如圖6 所示。

圖6 車底和軌道環境下天線的S11仿真結果Fig.6 S11 simulation results of the antenna under the train and track environment

如圖6 所示，在車底以及軌道等金屬物質的影響下，BTM 車載天線的諧振頻率在27.284 MHz，相比無金屬物質影響的情況，諧振頻率偏移了0.189 MHz。

此時天線在27.095 MHz 處的阻抗Z11＝49.542 616 ＋j2.296 376 Ω。

2.3 某中低速磁浮BTM車載天線S11參數的實測

對某中低速磁浮BTM 車載天線S11參數進行實測，現場測試環境以及BTM 天線在車底的相對位置如圖7 所示。

圖7 現場測試環境Fig.7 Field test environment

測試所用到的設備如表1 所示。

表1 測試BTM車載天線S11參數所需設備Tab.1 Equipment required for testing S11 parameters of on-board BTM antenna

將BTM 車載天線連接D 電纜，D 電纜通過轉接線和網絡分析儀相連，測得BTM 車載天線在現場環境下的S11參數如圖8 所示。

圖8 現場環境下BTM車載天線的S11Fig.8 S11 parameters of on-board BTM antenna in the field test environment

在現場測得的中低速磁浮BTM 車載天線的諧振頻率為27.25 MHz，與無金屬物影響時的諧振頻率偏移了0.155 MHz，十分接近仿真中的偏移值0.189 MHz。此實測結果驗證了BTM 車載天線模型以及車底和軌道對天線影響仿真的有效性。

3 結論

本文使用基于時域有限差分法的電磁場仿真計算對磁浮BTM 車載天線進行三維精細建模，并對天線模型進行了阻抗匹配，使其諧振頻率為27.095 MHz， 此 時S11的 值 為-38.967 454 dB。利用電磁仿真軟件對天線周圍的金屬物質環境進行建模與仿真研究，仿真結果顯示，車底和軌道等金屬物質使BTM 車載天線諧振頻率偏移了0.189 MHz。此仿真值與現場測試的BTM 車載天線的諧振頻率偏移值非常接近。本文的研究結果驗證了中低速磁懸浮BTM 車載天線仿真模型的正確性和有效性，為將來進一步的研究以及工程改進奠定了基礎。