恒磁場對無源應答器影響及防護技術

曹鶴飛，孟天旭，李 昊

（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 3.石家莊鐵道大學，石家莊 050043)

1 概述

磁懸浮交通是一種新型城市軌道交通技術，利用磁場產生的力來實現列車的懸浮和推進。相較傳統的輪軌列車系統，磁懸浮列車具有零機械接觸磨損、高運行速度、更高的安全性和可靠性以及環境友好性等顯著優勢，是未來城市間快速交通的重要解決方案之一[1]。目前，國內已經有多條磁懸浮運輸線投入運營，其中包括長沙磁懸浮快線、上海高速磁懸浮示范線、北京S1 線和鳳凰縣觀光快線[2]。

磁懸浮系統的直流供電系統會在其周圍產生恒磁場，磁浮環境中的磁場值也引起關注[3]。現行的軌道交通電磁兼容標準對列控設備在恒磁場下電磁抗擾度不做要求。應答器作為列車控制車輛設備和磁懸浮列車之間的重要通信工具，傳遞線路速度信息、道岔信息和基本線路參數等關鍵信息，其能否正常工作直接影響到磁懸浮列車的行車安全[4-5]。在對無源應答器進行恒磁場測試時，出現了性能指標偏移的現象。本文通過應答器系統原理及其電磁環境分析，開展無源應答器受擾測試，定位敏感器件，總結規律，提出磁場疏導及角度優化等防護技術，有效提高了無源應答器在恒磁場下的適應性，為磁浮系統其他列控設備恒磁場抗擾度提供參考。

2 應答器電磁環境分析

應答器系統結構由車載（Balise Transmission Module，BTM）設備和地面設備組成。地面設備包括地面應答器、下行接收電路和報文信息模塊。根據是否需要電源供應，地面應答器可分為兩類：無源應答器和有源應答器。本文只針對無源應答器開展研究。

磁懸浮交通系統的直流磁場源主要由懸浮電磁鐵和接觸軌構成。磁懸浮電磁鐵的三維結構如圖1 所示。當向電磁鐵的勵磁繞組通入直流電流時，將會產生一個靜態磁場，以及磁浮力所需的氣隙磁場。此外，電磁鐵的兩側、上方和下方也會產生一個漏磁場。

目前主流的接觸軌供電采用集電靴受流方式，通過從轉向架上伸出的集電靴與接觸軌接觸并將電能引入列車主電路和輔助電源中，最后經過轉換用于列車牽引、空調和照明等負載中。以中低速磁浮為例，兩條接觸軌分別為正極和負極，通過受流器與車上的直線異步電機連接，形成閉合回路。直線異步電機將電能轉換為動能，驅動列車運行。牽引逆變器可以調節直線異步電機的頻率和相位，實現列車的加速、減速和制動。軌道梁兩側的正負接觸軌的位置如圖2 所示。

圖2 中低速磁懸浮接觸軌Fig.2 Medium and low speed maglev contact rail

考慮到國際非電離輻射防護委員會（ICNIRP）建議的靜態磁場最大暴露限值為40 mT[6]，本文僅研究40 mT 及以下恒定磁場對無源應答器的影響機理及相應的防護措施。

3 無源應答器受擾測試及敏感器件定位

列車的行駛速度與BTM 天線接收報文所需的距離[7]成正比關系，因此列車速度越快，越需要應答器系統的工作范圍足夠大以滿足譯碼要求。無源應答器能正常激活和發出有效的上行鏈路信號，是應答器系統正常工作的關鍵。

為準確地采集并分析上行鏈路信號的特性變化，選用已投入使用的應答器作為測試對象，設計了如圖3 所示的應答器上行鏈路信號特性測試平臺。該平臺由便攜式應答器測試儀、勵磁線圈、直流電源、特斯拉計和應答器印制板組成。

將無源應答器印制板置于便攜式應答器測試儀和勵磁線圈之間，通過改變直流電源大小來控制勵磁線圈產生不同大小的恒磁場，具體數值由特斯拉計進行測量。便攜式應答器測試儀內置發射天線與接收天線，通過發射天線發射27.095 MHz 信號激活應答器，再利用接收天線接受應答器發出的上行鏈路信號，測試并記錄其上行鏈路信號特性和上行鏈路信號頻譜分析等。此外還可通過橫向移動無源應答器，以此確定其有效工作范圍，來觀察恒磁場是否會對上行鏈路信號的接收范圍造成影響。

利用直流電源向勵磁線圈饋入80 V 直流電，在應答器處產生大小為23.34 mT 的恒磁場，重復上述操作。當應答器印制板移動距離344 mm 時，此時測試儀測得的上行鏈路信號主要特性參數如圖4 所示。

圖4 受恒磁場干擾的上行鏈路信號特性參數Fig.4 Characteristic parameter diagram of uplink signal with constant magnetic field interference

根據圖4 所示的測試結果，可以看出在施加恒磁場干擾時，應答器的上行鏈路信號各特性參數發生了不同程度的畸變，中心頻率、頻率偏移、振幅抖動以及最大時間間隔誤差（MTIE）均已超出正常范圍，平均碼元速率雖然仍在正常范圍內，但偏移了6 kbit/s 左右，頻譜也無法清楚的測得上行鏈路信號。說明由于恒磁場的干擾，應答器的工作距離縮小，這可能導致在車速稍快的時候BTM 設備無法收到正常的上行鏈路信號。在列車實際運行中如果發生這種情況可能會危害行車安全，因此需要對應答器受恒磁場干擾原因進行測試分析。

由于磁懸浮系統的直流恒磁場環境，很有可能導致這些電感特別是帶磁芯電感的特性發生變化，從而影響其對應模塊的功能，導致應答器無法正常工作。為此需要準確的定位應答器中易受恒磁場影響的電感器件，從而可以針對性的進行抗干擾優化設計。為了精確定位受擾器件類型，采用TDY.Y 型無源應答器上所使用的包含帶磁芯電感、無磁芯螺旋電感以及貼片電感在內的3 類共計6 種電感器件作為測試對象，設計如圖5 所示的電感器件特性測試系統示意圖，該系統由阻抗分析儀、勵磁線圈、直流電源、特斯拉計以及各類電感器件組成。

圖5 電感器件特性測試系統示意Fig.5 Inductance device characteristic test system diagram

將設備中的關鍵電感器件置于勵磁線圈中心位置，通過阻抗分析儀測量其在不同大小的恒磁場下的阻抗及電感值。測試得到的電源模塊電感、空心電感和貼片電感的阻抗特性和電感特性曲線如圖6 所示。

圖6 阻抗特性和電感特性曲線Fig.6 Impedance characteristics and inductance characteristics curves

在恒磁場影響下，應答器的上行鏈路信號特性會發生不正常的偏移甚至畸變，并且有效作用范圍會縮小。進一步分析，造成這種現象的根本原因是應答器印制板上采用的電感元件在直流磁場下被磁化所致，因此對此類器件開展防護即可解決恒磁場對設備性能指標的影響[8]。

4 無源應答器恒磁場防護技術

本文設計并制作了如圖7 所示的屏蔽罩樣品。該屏蔽罩的形狀和尺寸與電源變壓器相匹配，長寬高均為18 mm，厚度為1 mm。屏蔽罩材料選用具有較高磁導率的鎳鐵合金。

圖7 屏蔽罩實物Fig.7 Physical diagram of shielding cover

在前文所述的測試條件下，分別給電源模塊電感、空心電感和貼片電感等不同類型的電感器件加上屏蔽罩，然后在不同大小的恒磁場下，測量其阻抗特性和電感特性，與未加屏蔽罩時進行比較。電源變壓器的器件特性測試結果如表1 所示，無磁芯電感的參數如表2、3 所示。

表1 不同恒磁場下電源變壓器優化前后參數Tab.1 Parameters of power transformer under diff erent constant magnetic f ields before and after optimization

表2 不同恒磁場下無磁芯電感1優化前后參數Tab.2 Parameters of coreless inductor 1 under diff erent constant magnetic f ields before and after optimization

表3 不同恒磁場下無磁芯電感2優化前后參數Tab.3 Parameters of coreless inductor 2 under diff erent constant magnetic f ields before and after optimization

即使無磁芯電感E 受恒磁場影響很小，但屏蔽罩仍可進一步地減少其影響。當恒磁場強度達到39.96 mT 時，未添加屏蔽罩的器件阻抗和電感對比無磁場時分別降低1.31%和1.88%，而添加屏蔽罩后的器件阻抗和電感均僅降低0.38%。

為研究電感器件不同擺放角度在固定恒磁場下的阻抗特性及電感特性，固定恒磁場的強度為39.96 mT，方向垂直于桌面。測試了電感器件與桌面平行放置視為0°，與桌面垂直放置視為90°，以此為基準調整其他電感器件的擺放角度。

分別測量了器件相對恒磁場角度為0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°共7 種情況的阻抗特性以及電感特性。如圖8 所示。

圖8 不同擺放角度無磁芯電感的阻抗及電感特性Fig.8 Impedance and inductance characteristics of coreless inductor at different placement angles

電感與阻抗的值隨著器件相對恒磁場的角度的增大而減小，此外該器件在無磁場情況下測得的阻抗值與電感值分別為153.33 mΩ 和241.1 nH，可以看到當器件擺放角度在15°時，恒磁場對它特性的影響是最小的，阻抗和電感相較無磁場時分別僅變化了0.06%和0.02%；當器件擺放角度為90°時，阻抗值較無磁場時降低了約3.27%，電感值較無磁場時降低了約1.55%。說明實際應用中可以通過將該器件的擺放角度調整至一個合適的值，以此來進一步減小恒磁場對其特性的影響。對無源應答器施加文中所提防護措施后，特性參數恢復正常值。

5 結束語

本文針對磁懸浮系統中無源應答器受恒磁場干擾的問題，基于其工作原理和電磁特性，采用理論分析與試驗測試相結合的方法，探討恒磁場對無源應答器影響的機理，并提出了有效提高應答器抗擾度的技術措施。通過試驗驗證了防護措施的有效性，為無源應答器在恒磁場下正常工作提供保障，也為同樣處于恒磁場下的其他產品的恒磁場防護提供了借鑒意義。