恒磁场对无源应答器影响及防护技术

曹鹤飞，孟天旭，李 昊

（1.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2.北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070 3.石家庄铁道大学，石家庄 050043)

1 概述

磁悬浮交通是一种新型城市轨道交通技术，利用磁场产生的力来实现列车的悬浮和推进。相较传统的轮轨列车系统，磁悬浮列车具有零机械接触磨损、高运行速度、更高的安全性和可靠性以及环境友好性等显著优势，是未来城市间快速交通的重要解决方案之一[1]。目前，国内已经有多条磁悬浮运输线投入运营，其中包括长沙磁悬浮快线、上海高速磁悬浮示范线、北京S1 线和凤凰县观光快线[2]。

磁悬浮系统的直流供电系统会在其周围产生恒磁场，磁浮环境中的磁场值也引起关注[3]。现行的轨道交通电磁兼容标准对列控设备在恒磁场下电磁抗扰度不做要求。应答器作为列车控制车辆设备和磁悬浮列车之间的重要通信工具，传递线路速度信息、道岔信息和基本线路参数等关键信息，其能否正常工作直接影响到磁悬浮列车的行车安全[4-5]。在对无源应答器进行恒磁场测试时，出现了性能指标偏移的现象。本文通过应答器系统原理及其电磁环境分析，开展无源应答器受扰测试，定位敏感器件，总结规律，提出磁场疏导及角度优化等防护技术，有效提高了无源应答器在恒磁场下的适应性，为磁浮系统其他列控设备恒磁场抗扰度提供参考。

2 应答器电磁环境分析

应答器系统结构由车载（Balise Transmission Module，BTM）设备和地面设备组成。地面设备包括地面应答器、下行接收电路和报文信息模块。根据是否需要电源供应，地面应答器可分为两类：无源应答器和有源应答器。本文只针对无源应答器开展研究。

磁悬浮交通系统的直流磁场源主要由悬浮电磁铁和接触轨构成。磁悬浮电磁铁的三维结构如图1 所示。当向电磁铁的励磁绕组通入直流电流时，将会产生一个静态磁场，以及磁浮力所需的气隙磁场。此外，电磁铁的两侧、上方和下方也会产生一个漏磁场。

目前主流的接触轨供电采用集电靴受流方式，通过从转向架上伸出的集电靴与接触轨接触并将电能引入列车主电路和辅助电源中，最后经过转换用于列车牵引、空调和照明等负载中。以中低速磁浮为例，两条接触轨分别为正极和负极，通过受流器与车上的直线异步电机连接，形成闭合回路。直线异步电机将电能转换为动能，驱动列车运行。牵引逆变器可以调节直线异步电机的频率和相位，实现列车的加速、减速和制动。轨道梁两侧的正负接触轨的位置如图2 所示。

图2 中低速磁悬浮接触轨Fig.2 Medium and low speed maglev contact rail

考虑到国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）建议的静态磁场最大暴露限值为40 mT[6]，本文仅研究40 mT 及以下恒定磁场对无源应答器的影响机理及相应的防护措施。

3 无源应答器受扰测试及敏感器件定位

列车的行驶速度与BTM 天线接收报文所需的距离[7]成正比关系，因此列车速度越快，越需要应答器系统的工作范围足够大以满足译码要求。无源应答器能正常激活和发出有效的上行链路信号，是应答器系统正常工作的关键。

为准确地采集并分析上行链路信号的特性变化，选用已投入使用的应答器作为测试对象，设计了如图3 所示的应答器上行链路信号特性测试平台。该平台由便携式应答器测试仪、励磁线圈、直流电源、特斯拉计和应答器印制板组成。

将无源应答器印制板置于便携式应答器测试仪和励磁线圈之间，通过改变直流电源大小来控制励磁线圈产生不同大小的恒磁场，具体数值由特斯拉计进行测量。便携式应答器测试仪内置发射天线与接收天线，通过发射天线发射27.095 MHz 信号激活应答器，再利用接收天线接受应答器发出的上行链路信号，测试并记录其上行链路信号特性和上行链路信号频谱分析等。此外还可通过横向移动无源应答器，以此确定其有效工作范围，来观察恒磁场是否会对上行链路信号的接收范围造成影响。

利用直流电源向励磁线圈馈入80 V 直流电，在应答器处产生大小为23.34 mT 的恒磁场，重复上述操作。当应答器印制板移动距离344 mm 时，此时测试仪测得的上行链路信号主要特性参数如图4 所示。

图4 受恒磁场干扰的上行链路信号特性参数Fig.4 Characteristic parameter diagram of uplink signal with constant magnetic field interference

根据图4 所示的测试结果，可以看出在施加恒磁场干扰时，应答器的上行链路信号各特性参数发生了不同程度的畸变，中心频率、频率偏移、振幅抖动以及最大时间间隔误差（MTIE）均已超出正常范围，平均码元速率虽然仍在正常范围内，但偏移了6 kbit/s 左右，频谱也无法清楚的测得上行链路信号。说明由于恒磁场的干扰，应答器的工作距离缩小，这可能导致在车速稍快的时候BTM 设备无法收到正常的上行链路信号。在列车实际运行中如果发生这种情况可能会危害行车安全，因此需要对应答器受恒磁场干扰原因进行测试分析。

由于磁悬浮系统的直流恒磁场环境，很有可能导致这些电感特别是带磁芯电感的特性发生变化，从而影响其对应模块的功能，导致应答器无法正常工作。为此需要准确的定位应答器中易受恒磁场影响的电感器件，从而可以针对性的进行抗干扰优化设计。为了精确定位受扰器件类型，采用TDY.Y 型无源应答器上所使用的包含带磁芯电感、无磁芯螺旋电感以及贴片电感在内的3 类共计6 种电感器件作为测试对象，设计如图5 所示的电感器件特性测试系统示意图，该系统由阻抗分析仪、励磁线圈、直流电源、特斯拉计以及各类电感器件组成。

图5 电感器件特性测试系统示意Fig.5 Inductance device characteristic test system diagram

将设备中的关键电感器件置于励磁线圈中心位置，通过阻抗分析仪测量其在不同大小的恒磁场下的阻抗及电感值。测试得到的电源模块电感、空心电感和贴片电感的阻抗特性和电感特性曲线如图6 所示。

图6 阻抗特性和电感特性曲线Fig.6 Impedance characteristics and inductance characteristics curves

在恒磁场影响下，应答器的上行链路信号特性会发生不正常的偏移甚至畸变，并且有效作用范围会缩小。进一步分析，造成这种现象的根本原因是应答器印制板上采用的电感元件在直流磁场下被磁化所致，因此对此类器件开展防护即可解决恒磁场对设备性能指标的影响[8]。

4 无源应答器恒磁场防护技术

本文设计并制作了如图7 所示的屏蔽罩样品。该屏蔽罩的形状和尺寸与电源变压器相匹配，长宽高均为18 mm，厚度为1 mm。屏蔽罩材料选用具有较高磁导率的镍铁合金。

图7 屏蔽罩实物Fig.7 Physical diagram of shielding cover

在前文所述的测试条件下，分别给电源模块电感、空心电感和贴片电感等不同类型的电感器件加上屏蔽罩，然后在不同大小的恒磁场下，测量其阻抗特性和电感特性，与未加屏蔽罩时进行比较。电源变压器的器件特性测试结果如表1 所示，无磁芯电感的参数如表2、3 所示。

表1 不同恒磁场下电源变压器优化前后参数Tab.1 Parameters of power transformer under diff erent constant magnetic f ields before and after optimization

表2 不同恒磁场下无磁芯电感1优化前后参数Tab.2 Parameters of coreless inductor 1 under diff erent constant magnetic f ields before and after optimization

表3 不同恒磁场下无磁芯电感2优化前后参数Tab.3 Parameters of coreless inductor 2 under diff erent constant magnetic f ields before and after optimization

即使无磁芯电感E 受恒磁场影响很小，但屏蔽罩仍可进一步地减少其影响。当恒磁场强度达到39.96 mT 时，未添加屏蔽罩的器件阻抗和电感对比无磁场时分别降低1.31%和1.88%，而添加屏蔽罩后的器件阻抗和电感均仅降低0.38%。

为研究电感器件不同摆放角度在固定恒磁场下的阻抗特性及电感特性，固定恒磁场的强度为39.96 mT，方向垂直于桌面。测试了电感器件与桌面平行放置视为0°，与桌面垂直放置视为90°，以此为基准调整其他电感器件的摆放角度。

分别测量了器件相对恒磁场角度为0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°共7 种情况的阻抗特性以及电感特性。如图8 所示。

图8 不同摆放角度无磁芯电感的阻抗及电感特性Fig.8 Impedance and inductance characteristics of coreless inductor at different placement angles

电感与阻抗的值随着器件相对恒磁场的角度的增大而减小，此外该器件在无磁场情况下测得的阻抗值与电感值分别为153.33 mΩ 和241.1 nH，可以看到当器件摆放角度在15°时，恒磁场对它特性的影响是最小的，阻抗和电感相较无磁场时分别仅变化了0.06%和0.02%；当器件摆放角度为90°时，阻抗值较无磁场时降低了约3.27%，电感值较无磁场时降低了约1.55%。说明实际应用中可以通过将该器件的摆放角度调整至一个合适的值，以此来进一步减小恒磁场对其特性的影响。对无源应答器施加文中所提防护措施后，特性参数恢复正常值。

5 结束语

本文针对磁悬浮系统中无源应答器受恒磁场干扰的问题，基于其工作原理和电磁特性，采用理论分析与试验测试相结合的方法，探讨恒磁场对无源应答器影响的机理，并提出了有效提高应答器抗扰度的技术措施。通过试验验证了防护措施的有效性，为无源应答器在恒磁场下正常工作提供保障，也为同样处于恒磁场下的其他产品的恒磁场防护提供了借鉴意义。