基于二次拟合的应答器谐振频率测试及优化方法

2020-08-22王通，叶轲

铁路通信信号工程技术 2020年8期

王通，叶轲

(通号（北京）工业集团有限公司轨道交通技术研究院，北京 102613)

应答器（Balise）作为列车运行控制系统中点式地面设备，用于在列车经过时通过射频通信的方式向车载应答器通信模块（Balise Transmission Module, BTM）发送特定的线路信息。由于BTM采用铁路标准《应答器传输系统技术条件》（TB/T 3485-2017）中规定的下行激励信号功率固定、频率为27.095 MHz，应答器在接收该信号能量时的能量利用率将极大的影响其通信性能。因此，在应答器生产测试过程中需要通过测试确定其谐振频率，并通过调试提高标准下行激励信号能量利用率。

本文以应答器接收天线为例，依据现有铁路信号产品技术条件对谐振的成因进行分析，建立了应答器谐振模型并对其谐振特性进行研究，通过应答器的A接口对其谐振特性进行测试，经实验验证了该方法可以准确测量其谐振频率，而且经过谐振调试的应答器样品可有效提高能量利用率、改善其输入输出特性。

1 应答器系统工作原理

应答器系统包括车载设备与地面应答器两部分。系统在正常工作时分为下行激励过程和上行链路过程在A接口进行信号传输。

在下行激励过程中，车载天线单元通过BTM发送天线向地面持续发送27.095 MHz的下行激励信号，地面应答器接收天线在接收到下行激励信号后，通过整流滤波模块将接收到的下行激励信号转化为稳定的直流电源供应答器工作；在上行链路过程中，应答器通过接收的激励信号启动，通过振荡电路生成上行链路信号并通过应答器的发送天线向列车发送，车载接收天线在接收到上行链路信号后，经过解码译码得到应答器传输的报文信息，该信息最终被车载计算机接收并用于生成列车速度限制曲线。

由于在下行激励和上行链路过程中， A接口信号传输形式均为空间电磁波，因此对发送接收天线线圈的耦合能力进行约束十分重要，即在设计和生产过程中对天线线圈的结构与谐振的一致性进行控制。

2 应答器谐振成因及影响

限于(SUBSET-085)Test Specification for Eurobalise Form Fit Function Interface Specification和《应答器传输系统技术条件》TB/T 3485-2017中应答器的安装无金属区、参考尺寸以及轨距等，在设计时为了最大范围接收下行信号，目前铁路通信信号行业的应答器接收天线均为矩形大尺寸环形覆铜结构。

但该天线结构扁薄长的特点会向天线引入部分固有电容和固有电感，其等效电路模型的阻抗ZA为串联谐振结构，其在偏离谐振频率下的ZA1远大于谐振频率下的ZA2。

由法拉第电磁感应原理可知，在相同的电磁能量分布环境下，天线环中产生的感应电动势UI相同。对于阻抗固定为ZW的工作电路，其驱动功率PW为

由于应答器在标准工作环境下获得的激励信号频率为固定的27.095 MHz，因此若能通过电路设计和生产调试的方式使天线阻抗ZA在27.095 MHz时阻抗最小，则可获得工作电路的最大驱动功率。

3 应答器天线谐振模型及特性

由于电路谐振特性表现为电路阻抗变化，因此可以将谐振特性等效为输入频率扫描条件下电路输出的变化特性。

在应答器输出中，上行信号功率PUP与接收天线驱动的工作电路功率PW可近似认为如公式（2)的等比例关系：

其中，k为应答器能量利用率。结合公式（1），上行信号功率PW为：

如下所示，工作电路阻抗ZA表现近似为纯阻性，天线阻抗ZA如公式（4）所示，有较大的电容和电感。

结合公式（3）（4）输出，可得出应答器输出/谐振特性PUP(f)为：

如图1所示，应答器输出/谐振特性类似于对勾函数，在时域表现为一个单调上升区间和一个单调下降区间。由于电路中带通滤波器的限制，应答器仅在谐振频率的小范围内满足其输出/谐振特性。经实验验证，应答器输出/谐振特性在该小范围内近似为二次函数分布特点。

图1 应答器输出/谐振特性及局部二次函数分布特点Fig.1 Signal transmission flow of interface A of balise system

4 基于二次拟合的谐振频率测试

区别于已知电容值和电感值的电路谐振频率计算，天线谐振频率无法通过谐振频率公式计算，但可以由其谐振特性决定的输出/谐振特性通过A接口对应答器进行测试。

由公式（5）中的应答器输出/谐振特性可知，输出特性在谐振点附近符合二次分布特点。因此可以测量不同频率f27激励信号对应的上行信号功率PUP，用于对f27-PUP输出/谐振特性进行拟合。

测试流程如图2所示，通过A接口向应答器输入不同频率f27的激励信号，并记录不同激励信号对应的上行信号功率PUP。

图2 谐振测试流程图Fig.2 Resonant test flow chart

由测试记录的激励信号频率f27和上行信号功率PUP进行二次函数拟合，并求解该二次函数的中心频率fCen作为应答器的谐振频率fRes，未经调试的应答器样品谐振频率测试和拟合数据如图3所示。其中，激励频段为26.4～27.6 MHz，圆圈为各激励频点对应的上行功率，实线为拟合二次曲线，虚线为二次曲线±5%边界。由二次曲线参数计算得到的中心频率fCen为27.05 MHz，即该应答器谐振频率fRes为27.05 MHz。

5 应答器天线谐振频率优化

在实际的工程应用中，由于常用的基础电容器件难以达到较高的精度，天线的谐振频率也难以控制在极小的范围内，因此在电路设计时通常以预留串联谐振电容的方式对其谐振频率进行调整。

在这种容值补偿的电路设计中，调试电容容值Cd=0对应的电路状态为容值未补偿电路，在Cd电容容值增大的过程中整体容值上升谐振频率下降。为便于选择调试电容容值，需要将未补偿电容容值的电路谐振频率设计为较27.095 MHz偏大的基准频率。

6 验证与分析

由应答器天线谐振模型及特性可知，偏离规定谐振频率fh的电路在该频率下其阻抗会上升，从而降低输出功率。因此，通过调整串联谐振电容容值的方式可以降低其在频率fh下的阻抗，从而提高输出功率。

图3 应答器谐振频率测试和拟合结果Fig.3 Balise resonant frequency test and fitting results

在SUBSET-085标准中对应答器A接口输入输出特性进行了规定。输入输出特性测试示意如图4所示，其中横轴为应答器接收天线磁通量flux，可等效为输入功率；纵轴为应答器感应环电流Iloop，可等效为输出功率。因此，可以通过应答器输入输出特性测试对应答器接收天线谐振特性进行评估。

图4 应答器A接口输入输出特性曲线Fig.4 Input and output characteristic curve for interface A of the balise

若应答器谐振频率未经调整时偏离规定频率27.095 MHz过多，则如图4下侧虚线所示，输入输出特性曲线整体偏低，接近输入输出特性测试下边界，在实际使用时会导致应答器启动延迟和过早关闭，从而限制信息传输量；若应答器谐振频率经调整逼近27.095 MHz，则如图4中心实线所示，输入输出特性曲线将整体提升，通过选择合适容值的调试电容，可以控制输入输出特性曲线位于上下边界的中心区域。

应答器样品调试过程的补偿容值和谐振频率变化如表1所示，按调整序列表示为补偿容值由18 pF逐渐更换为10 pF过程中，谐振频率由26.826 9 MHz逐渐收敛。由于应答器印制板在后续的灌封工艺中受灌封和外壳等影响，其整体的谐振频率会有所变化，因此目标调试频率与27.095 MHz略有差异。