高速铁路应答器传输系统复杂环境适应性研究

朱林富，李 鹍，王俊飞，许 波

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司 标准计量研究所， 北京 100081；2.中铁检验认证中心有限公司， 北京 100081)

截至2020年底，中国高速铁路运营里程达到3.79万km，位居世界第一，中国已进入高速铁路时代。安全是高速铁路永恒的主题，列车运行控制系统是列车的大脑和神经中枢，负责保障列车运行安全，并根据定位信息计算列车安全运行速度[1-2]。应答器传输系统是列车运行控制系统中不可或缺的重要组成部分。

应答器传输系统在室外工作，在各种极端条件和不利因素下也必须正常工作。在冬季，应答器表面可能会被冰雪覆盖；运输铁矿石、煤炭的货运路线，应答器表面会累积煤尘、铁粉；应答器和车载天线单元周围会分布很多金属体，如钢轨和列车车体；此外，应答器还需要安装在不同的道床和轨枕上。研究复杂环境下应答器传输系统的适应性，可为提高列车运行控制系统的安全性、可靠性、可维护性提供数据支撑和理论参考。

应答器传输系统是射频识别(Radio Frequency Identification， RFID)在轨道交通信号领域中的一种特殊应用。应答器传输系统由车载应答器传输单元(Balise Transmission Module， BTM)、车载天线单元和应答器组成。应答器安装在两根钢轨中间的道床或轨枕上，车载天线单元向应答器传输射频能量，应答器被激活后向车载天线单元发送定位信息和线路数据，BTM接收来自车载天线单元的数据，将其发送给列车超速防护系统用于生成速度距离模式曲线。列车由于距离累积导致的定位误差在通过应答器时进行定位校准[3-4]。应答器发送的上行链路报文包括控车所需的位置信息、线路限速、坡度、桥隧信息等[5]。列控系统连续丢失两组应答器报文将输出制动，最终导致停车。据统计，应答器传输系统的故障占列车超速防护系统(Automatic Train Protection，ATP)故障的30%。

射频识别系统依靠天线传输能量和数据，天线是系统的关键部件。系统周围环境影响天线的性能参数。介质与金属使电磁场发生衰减，改变了天线的阻抗匹配，引起调谐频率偏移[6-7]，金属的尺寸与天线的相对位置和距离决定了影响的程度[8-9]。金属平面和天线平面的夹角越大，调谐频率偏移越小，金属对天线的影响越小。介质降低了RFID的有效通信距离，例如，微型电感调谐的平面偶极子天线，工作在低介电常数的介质附近，最远通信距离为8 m，但当安装在高介电常数介质附近时，最远通信距离减小2 m。学者提出多种方法降低复杂环境对RFID天线的影响，如增加天线与金属或介质间的距离[10-11]。在BTM天线四周安装金属板，抑制干扰信号，降低误码率[12]。

应答器传输系统的天线已在理想条件下进行过建模研究[6-7]。然而，现实应用环境并非理想条件，应答器传输系统周围存在多种金属和介质。针对应答器传输系统的特殊应用环境，本文基于天线建模对杂物和金属对天线的影响进行研究，并提出优化方案。

1 天线建模

1.1 基于电磁场理论建模

应答器传输系统的天线包括射频能量接收和发射天线、上行链路接收和发射天线，它们都基于电磁感应原理传输能量和数据。Maxwell方程是电磁场在介质空间和自由空间中的基本定律，以射频能量发射和接收天线作用过程为例分析，微分形式的Maxwell方程如下

( 1 )

( 2 )

( 3 )

( 4 )

式中：D为流经射频能量发射天线的电通量密度；JT为自由电流密度；H为射频能量发射天线生成的磁场强度；B为射频能量接收天线接收到的磁通量密度；E为射频能量接收天线生成的电场强度；ρT为自由电荷体密度。

根据式( 1 )描述的安培环路定律，流经射频能量发射天线的频率为27.095 MHz电流和时变电场产生时变磁场；根据式( 2 )描述的法拉第电磁感应定律，射频能量接收天线接收到的时变磁场产生时变电场；根据式( 3 )描述的库仑定律，时变电场的源是电荷；根据式( 4 )描述的高斯定律，磁场是无源场，磁力线是闭合曲线。应答器传输系统基于电磁感应原理的信号流程见图1。

图1 应答器传输系统信号流程

应答器传输系统的上行链路信号和射频能量信号都具有正弦特性，对应场也按正弦规律变化，称其为正弦变化场或时谐场。Maxwell方程的时谐形式为

( 5 )

( 6 )

( 7 )

( 8 )

式中：ω为上行链路信号或射频能量的角频率，表达式为

ω=2×π×f

( 9 )

射频能量的频率f为27.095 MHz，上行链路信号的频率f为4.234 MHz。JT由流经发射天线的源电流J和源电流感应产生的传导电流项σE组成，即

JT=σE+J

(10)

电磁场在介质中传播。介质的电磁特性参数由电导率σ、介电常数ε和磁导率μ表征，关系式为

D=εE

(11)

B=μH

(12)

将式(10)～式(12)代入式(5)、式(6)可得

(13)

(14)

由此可得，电场强度和磁场强度与介质电磁特性参数电导率σ、介电常数ε和磁导率μ有关。自由空间是电磁场的一种传播介质，其介电常数ε≈8.85×10-12F/m，磁导率μ≈4π×10-7H/m。

1.2 基于电路理论建模

应答器传输系统的发射天线将传输线上的电流转换成自由空间内的磁场，接收天线将自由空间内的磁场转换为传输线上的电流。发射天线和接收天线是互易结构。

在车载天线单元和应答器内部，见图2(a)，存在4副天线，2种工作频率，分别为27.095、4.234 MHz，每种工作频率对应发射和接收两副天线[13-14]。其中，射频能量发射和接收天线传输应答器工作所需的射频能量，上行链路发射和接收天线传输报文，并提供线路数据和定位信息。两种天线的尺寸远小于波长，都属于电小天线。

参考坐标系见图2(b)，x轴平行于钢轨，列车正向行驶方向为x轴正向；y轴垂直于钢轨，且与轨面平行；z轴垂直于轨面。参考零点位于钢轨底平面的中心。

应答器传输系统的线圈天线和匹配调谐电路见图2(c)，线圈天线的磁导率μ≈4π×10-7H/m，电导率σ=5.8×107S/m,铜线直径为0.072 mm，四个天线的尺寸相同。基座材料为环氧玻纤布基板，尺寸为430 mm×240 mm×1.6 mm。

图2 应答器传输系统天线和等效电路模型(单位：mm)

线圈天线和匹配调谐电路的等效电路见图2(d)。图中：R为线圈的等效串联电阻；L为线圈的等效串联电感；Cs为串联调谐电容；Cp为并联调谐电容；Rs为串联匹配电阻。线圈天线和匹配调谐电路的电抗X表达式为

(15)

当电抗X为0时，线圈天线实现调谐，调谐频率表达式为

(16)

电感L与磁通量ψ的关系式为

(17)

式中：ψ由电流I产生。

应答器传输系统的车载天线单元安装在车体底部，地面应答器安装在两根钢轨中间，通过空气间隙传输能量和数据。由于是室外环境，周围存在各种介质,当周围环境变化时，穿过线圈天线的磁通量也发生变化。从式(16)和式(17)中得出，磁通量ψ的变化将改变线圈天线电感L，进而引起调谐频率f偏移。

应答器传输系统天线调谐电路参数值如表1所示。

表1 应答器传输系统天线调谐电路参数

应答器传输系统天线的分析方法可以采用场分析法和等效电路网络法。场分析法是根据电磁场理论，在边界条件下解Maxwell方程组的电场和磁场，得到场分布，再根据场特性得到场传播特性。但是，场分析法过程复杂，计算量大。等效电路网络法是通过入射信号和反射信号分析天线传输特性，将天线等效为一个单端口网络，见图3。

图3 应答器传输系统天线单端口网络模型

天线与信号源通过传输线连接，需有效利用来自信号源的可用功率。天线的关键性能参数之一是输入阻抗。当天线输入阻抗Zin和传输线的特性阻抗Z0实现阻抗匹配时，反射系数S11最小，传输功率最大。如果阻抗不匹配，反射系数S11较大，在天线与传输线接口处产生较大反射，严重时导致天线不能按照预期工作[15]。应答器传输系统天线设计的一个重要任务是实现阻抗匹配，减小反射。反射系数S11的计算公式为

(18)

天线附近的其他介质和杂物的电磁特性参数如介电常数、磁导率和电导率与自由空间不同，根据式(13)和式(14)，电磁特性参数改变导致电场和磁场变化，使天线周围的分布电容和分布电感发生变化。因此天线的输入阻抗受附近其他介质和杂物的影响而改变，从而改变天线的阻抗匹配状态，导致反射信号增大。

根据天线的等效电路模型制作天线样机，用于验证软件仿真结果。阻抗匹配即天线的输入阻抗与传输线的特性阻抗相同，信号传输效率、功率容量以及稳定性达到最佳，消除天线反射现象，反射系数S11最小(文中选用S11作为表征天线性能的参数)。通过S11的变化描述周围杂物和金属对系统天线的影响，S11采用射频矢量网络分析仪(Agilent FieldFox N9923A)测量，采用电磁仿真软件Microwave Studio和CST Design Studio计算S11和磁场强度。

2 杂物影响分析

应答器传输系统在室外环境工作，周围存在多种杂物，如覆盖在应答器表面的积雪、雨水、煤尘、铁粉、油脂，应答器安装位置下方的混凝土道床、轨枕和道砟，以及从应答器附近经过的电缆等。这些杂物与自由空间的电磁特性参数不同，因此对应答器的影响不同。本文以高速铁路中经常使用的混凝土道床为例，分析其在不同距离处对应答器天线的影响。

混凝土的介电常数ε≈5.31×10-11F/m，磁导率μ≈4π×10-7H/m。为定量分析该影响，在与混凝土道床不同距离处，测量应答器内部的射频能量接收天线和上行链路发射天线的调谐频率和反射系数。

仿真和测试中，混凝土道床的尺寸为5 400 mm×2 100 mm×100 mm。将应答器内部的射频能量接收天线和上行链路发射天线放置在实验室的自由空间内，周围无混凝土时，分别测量和仿真计算两天线的调谐频率和反射系数；然后分别将两天线放置于混凝土块周围，两天线与混凝土道床的z轴垂直距离从0 mm渐增至600 mm，测量和仿真计算两天线的调谐频率和反射系数。结果见图4和图5，反射系数S11最小点处的对应频率即为天线的调谐频率。图4(a)中，无混凝土时，射频能量接收天线的调谐频率为27.20 MHz；当该天线直接放置在混凝土上，二者之间距离为0 mm时，调谐频率为25.37 MHz，与无混凝土时比较，偏移1.83 MHz。逐渐增加二者间距离，从100 mm增至600 mm，调谐频率渐进稳定，最终为26.89 MHz。图5(a)中，放置混凝土后，上行链路发射天线的调谐频率偏移很小，为了降低混凝土道床对应答器的影响，安装时应与混凝土道床保持至少100 mm的垂直距离。

图4 混凝土道床上的射频能量接收天线S11

图5 混凝土道床上的上行链路发射天线S11

3 金属影响分析

3.1 钢轨

应答器两侧的钢轨是金属体，磁导率μ≈4π×10-7H/m，电导率σ=7.69×107S/m。为模拟应答器安装产生的偏移，在xOy平面内应答器沿y轴从y=-400 mm平移至y=400 mm，仿真模型见图6。

图6 钢轨中间的应答器仿真模型

应答器内部两天线反射系数S11和调谐频率的现场测量结果见图7。根据图7(a)，当应答器电气中心y=-400 mm时，射频能量接收天线的调谐频率为25.94 MHz；y在-200～200 mm范围内，其调谐频率稳定；y超出-200～200 mm范围时，其调谐频率发生偏移。根据图7(b)，y在-400～400 mm范围内时，上行链路发射天线的调谐频率稳定，钢轨对其影响很小。根据图7的测量结果得出，在y=0 mm点，应答器与两根钢轨的距离相等，两天线的调谐频率最稳定，是最优安装位置，允许安装误差范围为-200～200 mm。

图7 钢轨中间的应答器内部两天线S11

为分析钢轨对磁场分布的影响，车载天线单元内部的射频能量发射天线在z=460 mm的作用高度向应答器发射频率为27.095 MHz的射频能量，幅值8.94 V，发射功率40 W。应答器安装在z=100 mm的xOy平面上，应答器在z=100 mm的xOy平面上接收到的射频能量磁场分布见图8。图8(a)表示有钢轨时的磁场分布，与无钢轨时的图8(b)比较，磁场在钢轨附近被压缩，磁场强度衰减。越过钢轨的磁场会对邻线的应答器造成串扰，因此钢轨衰减磁场，降低了对邻线应答器的串扰。

图8 应答器接收的射频能量磁场分布(单位：A/m)

应答器传输系统通过地面应答器和车载天线单元之间的空气间隙A接口传输能量和数据。磁场的有效部分是z轴垂直分量。以射频能量磁场为例分析，其沿x轴、y轴和z轴分布见图9。从图9中可见，有钢轨时的射频能量磁场强度小于无钢轨时的磁场强度，说明钢轨衰减了射频能量磁场z轴分量。图9(b)中，有钢轨时射频能量磁场z轴分量的零区(主瓣与旁瓣的交界点)远低于没有钢轨的对应部分。有钢轨时的磁场零区即y轴与钢轨的交点，钢轨反射了交叉点附近的磁场，使得磁场强度降低。图9(c)中，磁场是对称的，从z=0 mm至z=460 mm的部分属于有效磁场；z=460 mm至z=1 000 mm是列车底部至车厢的范围，该范围的磁场是一种不期望的干扰噪声。

图9 车载天线单元发射的射频能量磁场z轴分量

3.2 金属板

由于列车金属车体的影响，车载天线单元安装在列车底部时，天线会发生失谐。研究中，在车载天线单元背面平行放置一块金属板模拟列车金属车体。金属板的磁导率μ≈4π×10-7H/m，电导率σ=7.69×107S/m。对于车载天线单元，以面向应答器一侧为正面，远离应答器一侧为背面。

未放置金属板时，车载天线单元内部的上行链路接收天线和射频能量发射天线分别调谐至4.234 MHz和27.095 MHz。金属板与车载天线单元电气中心的初始距离为210 mm，依次递减至10 mm，其内部两天线的调谐频率随金属板与天线间距离变化关系见图10。图10(a)中，金属板与上行链路接收天线间距离210 mm时，测量调谐频率为4.24 MHz；当距离为10 mm时，测量调谐频率偏移至5.08 MHz。图10(b)中，金属板与射频能量发射天线的距离为210 mm时，测量调谐频率为26.99 MHz；当距离为10 mm时，测量调谐频率为30.42 MHz，与未放置金属板时比较，调谐频率偏移3.325 MHz。由图10可知，金属板与天线间距离越小，两天线的调谐频率偏移越大。

图10 加装一块金属板时车载天线单元内部两天线的调谐频率

为解决靠近金属车体安装引起的天线失谐问题，提出在车载天线单元背面固定一块金属板。铝、铜和钢的磁导率相同，电导率在0.769×107～5.96×107S/m之间，电磁特性参数相近。不锈钢在材料性能、抗腐蚀性、安装强度、价格和使用寿命等方面优势更大，因此选用不锈钢材质的金属板，尺寸为450 mm×400 mm×1 mm。在车载天线单元背面距离30 mm平行固定放置上述金属板，金属板安装示意见图11。内部两天线重新调谐至4.234、27.095 MHz，采用相同尺寸的第二块金属板模拟列车金属车体，从背面接近车载天线单元。

图11 金属板安装示意图(单位：mm)

两天线的测量反射系数S11和调谐频率的关系见图12。当两金属板的距离从180 mm递减至0 mm时，有一块金属板的调谐频率和有两块金属板的调谐频率相同，没有偏移。从图12中可知，固定第一块金属板后，车载天线单元接近模拟金属车体的第二块金属板，内部两天线不会发生失谐。

图12 加装第二块金属板时车载天线单元内部两天线的S11

在车载天线背面加装一块金属板，二者中心距离10 mm，以射频能量发射天线为例进行分析，其射频能量磁场分布见图13，其中红色虚线，绿色实线代表没有金属板时射频能量磁场z轴分量。比较两种场景发现，加装金属板后，27.095 MHz磁场z轴分量在z>460 mm后发生剧烈衰减，因为金属板阻挡了磁场的传播。该部分磁场对于应答器传输系统的工作无效，对于其他车载系统是一种电磁干扰。从图13可知，加装金属板后，该干扰被衰减至少20 dB。z>460 mm区域是车载天线单元的非期望工作空间，在该区域，加装金属板后的磁场强度降至加装金属板前的磁场强度的10%，有效降低了车载天线单元的辐射发射干扰。对于z在0～460 mm范围的射频能量磁场分量，与无金属板时比较，加装金属板后衰减5 dB左右。该部分磁场为有效射频能量，其衰减后会缩减应答器传输系统沿x轴的作用距离。

图13 金属板对车载天线单元发射的射频能量磁场z轴分量的影响

4 结论

本文研究了应答器传输系统在实际应用环境中的天线性能，分析了应答器传输系统天线在接近混凝土道床、钢轨和金属板时的调谐频率和磁场分布，结论如下：

(1)应答器安装在混凝土道床上时，其内部天线的调谐频率偏移，与混凝土道床的垂直安装距离应大于或等于100 mm；

(2)钢轨衰减了应答器接收到的射频能量磁场，有利于降低对邻线应答器的串扰，但会使得射频能量接收天线的调谐频率发生偏移；

(3)应答器最优安装位置是y=0 mm，沿y轴的允许安装范围是(-200，200)mm；

(4)将车载天线单元背面加装一块不锈钢材质的金属板后，解决了车载天线单元安装到金属车体附近的天线失谐问题，有效降低了车载天线单元对金属的敏感性。同时，该金属板改变了车载天线单元的磁场分布，降低射频能量磁场辐射发射干扰20 dB，提高了其电磁兼容性能。从理论上阐述了方法的有效性，但鉴于铁路运营环境的复杂性，实际运用效果须进一步验证分析。

应答器传输系统采用上述方法能够提高其在复杂环境中的适应性。