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应答器场一致性测试优化

2023-10-18胡振华

科学技术创新 2023年24期
关键词:应答器链路磁场

胡振华,王 通

(1.卡斯柯信号有限公司,上海;2.北京铁路信号有限公司,北京)

应答器作为列按系统中不供电的独立点式地面设备,为避免临线干扰、应答器丢失或组内干扰等故障,在设计时需要严格按制其电磁场范围及强度的一致性。现有的应答器场一致性约束主要参照国内铁路行业标准《TB/T 3485-2017 应答器传输系统技术条件》、《TB/T 3544-2018 应答器传输系统测试规范》[1]。国际认证参照欧洲标准《SUBSET-085 V3.0.0》、《SUBSET-036 V3.1.0》[2-3]。各标准关于应答器场一致性的约束方式基本一致,都是比较待测样品和等效标准参考环的场分布特性。

分布特性测试需要按制应答器/参考环与测试天线组达到不同的相对位置,同时为保证单因子变量需要反复闭环调节测试天线功率。于坐标遍历和闭环按制调节的双重要求下,场一致性的整体测试用时极长,分布特性测试在效率和精度的矛盾中只能按制相对坐标位置的数量。但即便如此,仍然会因测试操作人员摆放待测产品位置误差、吊装平移电机行程误差等因素致使待测应答器在分布特性突变区间的测试结果产生严重偏移。

综上,当前应答器产品的场一致分布特性存在难以兼顾精度和效率、部分误差难以消除的问题。本文结合参考环分布特性建立了标准应答器模型,并通过拟合插值补偿的方式对现有测试方案进行优化改进,经试验验证了该方法可在不降低测试精度前提下提高测试效率。

1 现有应答器场一致分布特性测试方案

现有应答器场一致分布特性包含上行链路磁场一致性和射频能量磁场一致性测量两部分。上行链路指应答器向车载BTM(Balise Transformer Module)发送的信号,射频能量指车载BTM向应答器发送的信号,见图1。

图1 上行链路信号与射频激励信号

上行链路磁场一致性主要考量在接收输入强度固定时待测应答器向外辐射的电磁场是否与标准参考环接近,射频能量磁场一致性主要考量在向外辐射强度固定时可以使待测应答器启动的激励场分布是否与标准参考环接近。

如图2 所示为场分布一致性测试时的测试天线组和待测应答器/参考环相对位置分布,相对位置按高度分为220 mm、340 mm 和460 mm 三层。其中,应答器上行磁场一致性的主瓣区、旁瓣区和串扰区在220 mm 高度进行区分。

图2 上行链路磁场一致性测试点分布

2 上行链路场分布特性及影响

由于上行链路与射频激励磁场都受到瓣状分布特性的影响,其测试过程中精度和效率受限的原因也是一致的,因此,此处以上行链路场一致性的测试为例进行说明。参照欧洲标准《SUBSET-085 V3.0.0》中的描述,上行链路磁场分为主瓣/作用/接触区、旁瓣区和串扰区,三个区域分布位置逐渐远离磁场中心,且磁感应强度依次降低[4],见图3。

图3 应答器上行链磁场场分布特性

由于BTM天线也是类似的环形结构,因此其发射的下行激励信号也有类似的瓣状结构。受BTM 天线下行激励信号瓣状结构影响,能够使应答器刚好启动的射频能量磁场分布也存在类似的瓣状结构[5]。

由于中心区域的主瓣区和大片外围区域的旁瓣区被接近零强度的环状带分隔,在实际列车沿X 轴正向行进过程中,车载BTM天线接收到的感应电压包络会形成多瓣的结构。在信号识别的角度上,多瓣结构可能导致单一应答器被识别为多个应答器[6]。

3 磁场一致性测试

3.1 上行链路场一致性测试

根据测试规范标准要求,该测试需要搭建如图4所示的环境,利用相对位置固定的激励天线Activation Antenna 启动待测应答器Balise,并通过相对位置可按的测试天线Test Antenna 采集不同相对位置处的上行链路信号,最终通过比较各位置上待测应答器和标准参考环的上行链路信号强度是否差异过多确认其场一致性[7]。

图4 应答器上行链路场一致性测试环境

在标准的测试规范中包含如下共七个流程步骤。其中,流程步骤3-4-3 是基于功率采集监测的闭环按制,见图5。

3.2 现有测试方案的问题

在实际测试过程中,为确认待测应答器场分布的一致性,需要将其各相对位置时测试天线采集到的功率与标准参考环在相同位置采集到的功率进行对比。但各标准中只有标准参考环的制作规范,缺少其各电气特性和场分布特性的验收规范,在标准参考环参数偏移或特性明显变化时难以及时识别[8]。

另外,功率计类仪表采集功率时需要从固定底噪功率-70dB 开始对预估参考值多次进行比较迭代,收敛迭代慢的特点在功率突变的区域会更加明显。下式为采集功率收敛的估计模型。

其中,Tc为收敛迭代次数,nc为接近参考功率后的迭代次数,Pstep为参考功率迭代步长,Pr为实际功率,Pe为环境底噪功率。

如图6 所示为上行链路信号功率及其收敛迭代次数。特点是主瓣区测试点数少,但功率高、突变快;旁瓣区点数多,功率较高、部分点突变快;串扰区点数多,功率小、突变慢。

图6 上行链路各测试点功率及迭代次数

4 改进测试方案及验证

4.1 标准参考环的场分布模型及验证

应答器天线受通信场景和标准参考环尺寸形状限制,只能仿照参考环设计成环形结构。通过对天线结构的矢量分解,利用式(2)的毕奥·萨伐尔定理计算一个标准参考环的磁感应强度分布情况[8]。

经实测验证,标准参考环的场分布情况与该理论计算模型基本一致[9]。如图7 所示,mesh 网格图为标准参考环的场分布中采集的功率分布情况,黑点标记为是实际测试得到的标准参考环场分布采集的功率值。

图7 标准参考环上行链路磁场有限元模型和实测值

4.2 基于功率模型预计的收敛迭代及验证

通过磁场分布模型的估计功率,可以在距离实际功率较近的位置开始迭代。对应的收敛次数估计公式如下。

其中,Ps为当前位置对应的特定区域估计功率。由于Ps特定区域估计功率远大于Pe环境底噪功率,总体的收敛迭代次数将明显降低。

相对始于底噪-70dB 的收敛迭代方式,基于功率预计的方式既可以验证当前参考环的是否满足测试的要求,也可以减少功率采集的收敛迭代次数。如图8所示为始于底噪的迭代次数和始于功率预计的迭代次数。

图8 始于底噪和功率预计的迭代次数

5 结论

综上所述,上行链路场需要测试的空间范围大、部分区域磁感应强度突变大,现有的测试方案中因功率采集的收敛迭代次数过多导致测试效率很低。另外,现有的执行标准中缺少对参考环场分布特性的检查。本文通过建立和验证标准参考环的场分布特性模型,在测试标准参考环和待测应答器的场分布时通过模型功率预计的方式进行收敛迭代,可以有效减少因参考环参数偏移产生的误差,提高应答器场一致性测试的效率。

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