李 雪，劉中田

(北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044)

應(yīng)答器是一種基于電磁耦合機(jī)理而構(gòu)成的車(chē)-地間點(diǎn)式數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備[1]。近年來(lái)中國(guó)高鐵和城市軌道交通迅速發(fā)展，列車(chē)運(yùn)行速度不斷提高，而在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，貴廣鐵路的隧道中出現(xiàn)了不明原因的應(yīng)答器“丟點(diǎn)”現(xiàn)象，一定程度上影響了列車(chē)的運(yùn)行效率，也存在一定的安全隱患。為了提高車(chē)載設(shè)備可靠接收應(yīng)答器報(bào)文的能力，本文提出一種通過(guò)優(yōu)化應(yīng)答器天線(xiàn)尺寸來(lái)提高應(yīng)答器系統(tǒng)電磁傳輸性能的方法。

文獻(xiàn)[2]分析了應(yīng)答器的最佳接收距離與正方形天線(xiàn)的關(guān)系。文獻(xiàn)[3]通過(guò)三種典型尺寸的天線(xiàn)研究了天線(xiàn)輻射效率隨導(dǎo)帶寬度的變化關(guān)系。文獻(xiàn)[4]研究了圓形天線(xiàn)尺寸對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響。文獻(xiàn)[5]綜合安裝高度、橫向偏移對(duì)應(yīng)答器作用距離的影響，給出應(yīng)答器安裝模式的優(yōu)化建議。雖然已有很多學(xué)者對(duì)應(yīng)答器電磁傳輸性能進(jìn)行了研究，但基本上是通過(guò)幾個(gè)典型值分析其傳輸性能，對(duì)于天線(xiàn)的優(yōu)化也多以應(yīng)答器的有效作用距離作為優(yōu)化指標(biāo)。而應(yīng)答器工作的環(huán)境比較復(fù)雜，易受到周?chē)来?、金屬物及軌道曲線(xiàn)半徑等因素的影響，僅以應(yīng)答器的有效作用范圍難以綜合評(píng)價(jià)應(yīng)答器天線(xiàn)的傳輸性能。

在前人研究成果的基礎(chǔ)上，本文確定了綜合評(píng)價(jià)應(yīng)答器天線(xiàn)電磁傳輸性能的三項(xiàng)指標(biāo)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和粒子群算法優(yōu)化應(yīng)答器天線(xiàn)的尺寸。建立應(yīng)答器系統(tǒng)電磁場(chǎng)模型，利用天線(xiàn)磁場(chǎng)分布的理論模型驗(yàn)證所建模型的正確性。通過(guò)仿真計(jì)算與分析，確定綜合評(píng)價(jià)應(yīng)答器天線(xiàn)電磁傳輸性能的三項(xiàng)指標(biāo)。用均勻設(shè)計(jì)法選擇樣本進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)輸出和粒子群優(yōu)化算法得到不同周長(zhǎng)下應(yīng)答器天線(xiàn)的最優(yōu)長(zhǎng)寬比。

1 應(yīng)答器系統(tǒng)建模與驗(yàn)證

應(yīng)答器平時(shí)處于休眠狀態(tài)，列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)答器傳輸模塊BTM通過(guò)BTM天線(xiàn)連續(xù)發(fā)送27.095 MHz射頻能量信號(hào)，當(dāng)?shù)孛鎽?yīng)答器被激活后發(fā)送載頻為4.234 MHz的上行鏈路信號(hào)，車(chē)載接收天線(xiàn)接收到該信號(hào)，經(jīng)過(guò)BTM接收解調(diào)，形成應(yīng)答器報(bào)文。

為了增加應(yīng)答器與車(chē)載設(shè)備的通信時(shí)間，提高應(yīng)答器天線(xiàn)的傳輸性能，首先需要保證列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)，通過(guò)應(yīng)答器射頻能量接收天線(xiàn)的磁通量可以盡快激活應(yīng)答器；其次需要保證應(yīng)答器上行鏈路發(fā)送天線(xiàn)可以將高頻電流能量盡可能多地轉(zhuǎn)換為空間的電磁波輻射出去，由BTM天線(xiàn)接收。由上述分析可知，可利用通過(guò)射頻能量接收天線(xiàn)和BTM接收天線(xiàn)的磁通量來(lái)衡量射頻能量接收天線(xiàn)和上行鏈路發(fā)送天線(xiàn)的傳輸性能。

1.1 應(yīng)答器系統(tǒng)電磁場(chǎng)模型

FEKO軟件可以計(jì)算天線(xiàn)的近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)、源數(shù)據(jù)、功率數(shù)據(jù)等。由于應(yīng)答器系統(tǒng)工作于天線(xiàn)近場(chǎng)區(qū)域，磁場(chǎng)起主導(dǎo)作用[5]。因此本文選用FEKO軟件建立應(yīng)答器系統(tǒng)的三維電磁場(chǎng)模型，仿真得到磁場(chǎng)強(qiáng)度的Z分量，進(jìn)而得到通過(guò)天線(xiàn)的磁通量。

由磁通量公式

( 1 )

可得到通過(guò)天線(xiàn)的磁通量為

Φ≈∑HzijμΔS

( 2 )

式中：Φ為通過(guò)天線(xiàn)的磁通量；μ為介質(zhì)磁導(dǎo)率；B為磁通量密度；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度；S為天線(xiàn)的面積；θ為磁力線(xiàn)與天線(xiàn)法向量的夾角。

射頻能量接收電磁場(chǎng)模型參數(shù)設(shè)置如下：選用文獻(xiàn)[6]中的激勵(lì)天線(xiàn)作為BTM天線(xiàn)，其回路尺寸為200 mm×200mm，天線(xiàn)截面為20 mm×10 mm；選用參考環(huán)線(xiàn)作為射頻能量接收天線(xiàn)，其回路尺寸為358 mm×488 mm，天線(xiàn)截面為20 mm×5 mm。設(shè)定工作頻率為27.095 MHz，BTM天線(xiàn)和應(yīng)答器的距離為350 mm。為了使天線(xiàn)達(dá)到發(fā)射電磁波的目的，必須對(duì)天線(xiàn)進(jìn)行調(diào)諧。具體調(diào)諧過(guò)程如下：由天線(xiàn)的感抗確定其電感；由諧振頻率和電感確定調(diào)諧電容；在天線(xiàn)回路中加入調(diào)諧電容，使回路的電抗值接近0，即使天線(xiàn)達(dá)到諧振狀態(tài)。建立的射頻能量接收電磁場(chǎng)模型如圖1所示。

圖1 射頻能量接收電磁場(chǎng)模型

1.2 模型驗(yàn)證

仿真計(jì)算得到射頻能量信號(hào)在參考區(qū)域的磁場(chǎng)Z分量，由式( 2 )計(jì)算得到通過(guò)參考環(huán)線(xiàn)的磁通量如圖2中“·”所示。利用文獻(xiàn)[5]中的天線(xiàn)磁場(chǎng)分布數(shù)學(xué)模型，得到通過(guò)參考環(huán)線(xiàn)磁通量的理論結(jié)果如圖2中實(shí)線(xiàn)所示?？梢钥闯?，在BTM天線(xiàn)與應(yīng)答器天線(xiàn)的相對(duì)位移為(-500 mm，500 mm)時(shí)，仿真與理論曲線(xiàn)基本吻合，僅在旁瓣處存在細(xì)微差異。由此可驗(yàn)證所建模型的正確性。

圖2 通過(guò)參考環(huán)線(xiàn)的磁通量

2 電磁傳輸性能分析

應(yīng)答器通過(guò)電磁耦合完成射頻能量的接收和上行鏈路信號(hào)的發(fā)送，易受到周?chē)鷱?fù)雜電磁環(huán)境、線(xiàn)路彎道及列車(chē)運(yùn)行速度的影響。為了使BTM成功譯碼，需要應(yīng)答器盡快達(dá)到激活指標(biāo)，并且發(fā)送滿(mǎn)足BTM接收要求的上行鏈路信號(hào)，因此，必要的激活距離和作用范圍是基本指標(biāo)。此外，列車(chē)在彎道處會(huì)使BTM天線(xiàn)和應(yīng)答器之間出現(xiàn)一定程度的橫向偏移，文獻(xiàn)[7]規(guī)定，假如軌道曲線(xiàn)半徑≥1 000 m，且最大線(xiàn)路速度≤180 km/h，則應(yīng)答器與軌道中心軸間的橫向偏移可以為±40 mm。而由文獻(xiàn)[8]可知，在列車(chē)速度為350 km/h 時(shí)，BTM接收3幀報(bào)文的必要距離為630 mm，因此，需要保證這一范圍內(nèi)的射頻能量和上行鏈路信號(hào)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

由上述可知，為了綜合評(píng)價(jià)應(yīng)答器天線(xiàn)的傳輸性能，必須綜合考慮應(yīng)答器激活距離、作用范圍、必要接收范圍內(nèi)的信號(hào)磁場(chǎng)強(qiáng)度、橫向偏移的影響等。以上述所建電磁場(chǎng)模型為例，得到應(yīng)答器天線(xiàn)接收功率波瓣圖如圖3所示。由文獻(xiàn)[7]中標(biāo)準(zhǔn)尺寸應(yīng)答器的激活條件可得到應(yīng)答器激活距離D，為保證一定裕量，將必要接收范圍定為700 mm，橫向偏移定為150 mm，得到應(yīng)答器與BTM接收天線(xiàn)相對(duì)位移在700 mm內(nèi)的接收總功率PO以及橫向偏移p為150 mm的接收總功率PL。利用這三項(xiàng)指標(biāo)可以綜合評(píng)價(jià)射頻能量接收天線(xiàn)的電磁傳輸性能。

應(yīng)答器的射頻能量接收天線(xiàn)和上行鏈路發(fā)送天線(xiàn)都是矩形天線(xiàn)，影響天線(xiàn)電磁傳輸性能的因素有：導(dǎo)體材料、天線(xiàn)截面、天線(xiàn)尺寸等。文獻(xiàn)[9]中確定了最優(yōu)導(dǎo)體材料以及最優(yōu)導(dǎo)體直徑，因此本文將從天線(xiàn)的周長(zhǎng)、長(zhǎng)寬比兩個(gè)方面來(lái)優(yōu)化應(yīng)答器天線(xiàn)的電磁傳輸性能。

利用所建立的模型可以得到不同天線(xiàn)尺寸下的電磁傳輸性能。將天線(xiàn)周長(zhǎng)和長(zhǎng)寬比作為優(yōu)化參數(shù)，天線(xiàn)的電磁傳輸性能作為優(yōu)化目標(biāo)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲得天線(xiàn)尺寸與電磁傳輸性能之間的非線(xiàn)性映射關(guān)系，結(jié)合粒子群優(yōu)化算法可以達(dá)到優(yōu)化天線(xiàn)電磁傳輸性能的目的。

3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建立

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的自學(xué)習(xí)能力，通過(guò)對(duì)訓(xùn)練樣本的學(xué)習(xí)，可以得到輸入輸出之間復(fù)雜的非線(xiàn)性映射關(guān)系，主要特點(diǎn)是信號(hào)前向傳遞，誤差反向傳播。輸入信號(hào)從輸入層經(jīng)隱含層逐層處理，最后傳至輸出層，若輸出層未獲得期望輸出值，則反向傳播誤差，由所得的預(yù)測(cè)誤差更新網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值，使得網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)輸出不斷逼近期望輸出。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建立包括：確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置。

3.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)首先要構(gòu)造一個(gè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，根據(jù)優(yōu)化思路，構(gòu)建一個(gè)兩層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。確定輸入?yún)?shù)為天線(xiàn)周長(zhǎng)和長(zhǎng)寬比，輸出為天線(xiàn)的電磁傳輸性能，故輸入層為2個(gè)節(jié)點(diǎn)，輸出層為1個(gè)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式和試湊法，確定隱含層為5個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖中X1、X2為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入值，Y1為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)值，ωij和Wj1為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值，其中i=1，2；j=1，…，5。

3.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置

利用MATLAB中BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置函數(shù)newff進(jìn)行訓(xùn)練函數(shù)與學(xué)習(xí)規(guī)則的選擇、傳遞函數(shù)的選擇以及初始權(quán)值和閾值的設(shè)定。

訓(xùn)練函數(shù)與學(xué)習(xí)規(guī)則的選擇：選擇訓(xùn)練函數(shù)為L(zhǎng)evenberg_Marquard的BP算法訓(xùn)練函數(shù)trainlm，學(xué)習(xí)函數(shù)為BP學(xué)習(xí)規(guī)則learngd。

傳遞函數(shù)的選擇：在初始權(quán)值和閾值相等的情況下，選用不同的傳遞函數(shù)，訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，表1為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)誤差，最終選擇logsig為確定隱含層的傳遞函數(shù)，選擇purelin為輸出層的訓(xùn)練函數(shù)。

表1 不同轉(zhuǎn)移函數(shù)預(yù)測(cè)誤差

初始權(quán)值閾值的設(shè)定：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始權(quán)值和閾值影響神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練時(shí)間和訓(xùn)練精度，因此，有必要優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始權(quán)值和閾值。選用粒子群優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)初始權(quán)值和閾值的優(yōu)化。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為輸入層2個(gè)節(jié)點(diǎn)，隱含層5個(gè)節(jié)點(diǎn)，輸出層1個(gè)節(jié)點(diǎn)，共有2×5+5×1=15個(gè)權(quán)值，5+1=6個(gè)閾值，故設(shè)定粒子個(gè)體長(zhǎng)度為21。粒子的位置代表網(wǎng)絡(luò)的所有權(quán)值和閾值，將訓(xùn)練樣本的預(yù)測(cè)誤差絕對(duì)值作為個(gè)體適應(yīng)度值，個(gè)體適應(yīng)度值越小，個(gè)體越優(yōu)，通過(guò)粒子群算法不斷搜索，最終得到BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)初始權(quán)值和閾值。

4 結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的粒子群優(yōu)化算法

用上述方法構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，選擇訓(xùn)練樣本進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，并反復(fù)利用測(cè)試樣本測(cè)試訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，直到獲得滿(mǎn)足預(yù)測(cè)精度要求的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。利用所建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可確定應(yīng)答器天線(xiàn)尺寸和電磁傳輸性能之間的非線(xiàn)性映射關(guān)系，將該映射關(guān)系作為粒子群算法中的適應(yīng)度函數(shù)，優(yōu)化天線(xiàn)的尺寸。

粒子群算法是一種模擬鳥(niǎo)群捕食行為，實(shí)現(xiàn)群體優(yōu)化的方法。算法中粒子位置代表一個(gè)潛在解，即一組天線(xiàn)周長(zhǎng)和長(zhǎng)寬比，粒子的速度決定粒子的移動(dòng)方向和距離，速度隨自身及其他粒子的經(jīng)驗(yàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)全局尋優(yōu)。

粒子的特征由位置、速度和適應(yīng)度確定，設(shè)定種群個(gè)數(shù)為80，算法迭代次數(shù)為100。優(yōu)化過(guò)程如圖5所示，具體優(yōu)化過(guò)程如下：

步驟1初始化粒子的位置和速度，即隨機(jī)選擇80組天線(xiàn)的周長(zhǎng)、長(zhǎng)寬比及移動(dòng)速度。

步驟2利用已建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)80組周長(zhǎng)和長(zhǎng)寬比的電磁傳輸性能。

步驟3尋找個(gè)體極值和群體極值，通過(guò)個(gè)體極值和群體極值更新自身的速度和位置。

步驟4判斷是否達(dá)到迭代次數(shù)，若達(dá)到則結(jié)束，否則轉(zhuǎn)向步驟2。

圖5 結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的粒子群優(yōu)化算法

5 應(yīng)答器天線(xiàn)尺寸優(yōu)化及結(jié)果分析

5.1 樣本選擇與處理

在應(yīng)答器天線(xiàn)尺寸的優(yōu)化過(guò)程中，選擇銅作為天線(xiàn)材料，為適應(yīng)PCB上的銅走線(xiàn)，將射頻能量接收天線(xiàn)的截面定為20 mm×0.07 mm，上行鏈路發(fā)送天線(xiàn)的截面定為5 mm×0.07 mm。由于射頻能量接收天線(xiàn)的工作頻率為27.095 MHz，上行鏈路發(fā)送天線(xiàn)的工作頻率為4.234 MHz，為使應(yīng)答器的兩個(gè)天線(xiàn)均為電小環(huán)天線(xiàn)，天線(xiàn)周長(zhǎng)應(yīng)小于1 760 mm。此外，為了滿(mǎn)足應(yīng)答器安裝位置容差的限制，天線(xiàn)長(zhǎng)寬比不能過(guò)大，故選擇天線(xiàn)周長(zhǎng)范圍為1 180～1 760 mm，天線(xiàn)長(zhǎng)寬比范圍為1～3。

樣本的選擇關(guān)乎到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的好壞，樣本選擇通常有隨機(jī)法、正交設(shè)計(jì)法和均勻設(shè)計(jì)法等，由于均勻設(shè)計(jì)法能從盡可能少的樣本中揭示因素與指標(biāo)間的規(guī)律，因此本文選用均勻設(shè)計(jì)法選取樣本數(shù)據(jù)。

利用上述模型對(duì)37組樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真計(jì)算，得到37組數(shù)據(jù)的三項(xiàng)指標(biāo)D、PO和PL，利用最大最小法對(duì)37組數(shù)據(jù)的三項(xiàng)指標(biāo)分別進(jìn)行歸一化，處理函數(shù)為

xk=(xk-xmin)/(xmax-xmin)

式中：xmin為數(shù)據(jù)序列中的最小值；xmax為數(shù)據(jù)序列中的最大值。

綜合歸一化的三項(xiàng)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)天線(xiàn)的電磁傳輸性能。至此，完成了對(duì)訓(xùn)練樣本和測(cè)試樣本的選擇與處理。

5.2 射頻能量接收天線(xiàn)尺寸優(yōu)化

利用5.1節(jié)所述的樣本選擇與處理方法，選擇30組訓(xùn)練樣本及7組測(cè)試樣本，綜合三項(xiàng)指標(biāo)D、PO和PL，本文設(shè)定三項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)值相等(可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求調(diào)整三項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)值，例如增加指標(biāo)D的權(quán)值以獲取更大的作用距離，增加指標(biāo)PO的權(quán)值以提高應(yīng)答器天線(xiàn)的抗干擾能力，增加指標(biāo)PL的權(quán)值以適應(yīng)線(xiàn)路彎道對(duì)應(yīng)答器天線(xiàn)傳輸性能的要求)，最終得到30組訓(xùn)練樣本如表2中樣本1～30所示，7組測(cè)試樣本如表2中樣本31～37所示，C為天線(xiàn)周長(zhǎng)，k為最優(yōu)長(zhǎng)寬比。利用所建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)誤差百分比如圖6所示。

表2 37組樣本數(shù)據(jù)

圖6 射頻能量接收天線(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)誤差百分比

通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)輸出獲得射頻能量接收天線(xiàn)電磁傳輸性能的綜合指標(biāo)。結(jié)合粒子群優(yōu)化算法，得到不同天線(xiàn)周長(zhǎng)下，天線(xiàn)的最優(yōu)長(zhǎng)寬比如圖7中“·”所示，利用MATLAB中的曲線(xiàn)擬合工具箱cftool選擇傅里葉函數(shù)逼近，最終得到天線(xiàn)周長(zhǎng)與最優(yōu)長(zhǎng)寬比的關(guān)系如圖7所示。擬合關(guān)系為

k(C)=a0+a1cos(Cw)+b1sin(Cw)

( 3 )

式中：a0=1.18；a1=-1.03；b1=0.50；w=1.14×10-3。

圖7 不同射頻能量接收天線(xiàn)周長(zhǎng)下的最優(yōu)長(zhǎng)寬比

當(dāng)天線(xiàn)周長(zhǎng)為1 180 mm、1 380 mm、1 580 mm、1 692 mm和1 760 mm時(shí)(縮小尺寸參考環(huán)線(xiàn)周長(zhǎng)為1 180 mm，標(biāo)準(zhǔn)尺寸參考環(huán)線(xiàn)周長(zhǎng)為1 692 mm)，天線(xiàn)的最優(yōu)長(zhǎng)寬比和綜合性能指標(biāo)見(jiàn)表3。同時(shí)，可獲得縮小尺寸參考環(huán)線(xiàn)的綜合指標(biāo)為0.09，標(biāo)準(zhǔn)尺寸參考環(huán)線(xiàn)的綜合指標(biāo)為0.83。由此可知，當(dāng)天線(xiàn)周長(zhǎng)滿(mǎn)足電小環(huán)約束條件時(shí)，天線(xiàn)周長(zhǎng)越大，其綜合指標(biāo)越高，天線(xiàn)的電磁傳輸性能越好。利用該優(yōu)化結(jié)果設(shè)計(jì)射頻能量接收天線(xiàn)的尺寸，可提高其電磁傳輸性能。

表3 不同射頻能量接收天線(xiàn)周長(zhǎng)下的最優(yōu)長(zhǎng)寬比及綜合指標(biāo)

5.3 上行鏈路發(fā)送天線(xiàn)尺寸優(yōu)化

同理，通過(guò)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可獲得上行鏈路發(fā)送天線(xiàn)尺寸與綜合指標(biāo)之間的映射關(guān)系，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)輸出，利用粒子群優(yōu)化算法，得到不同周長(zhǎng)下的最優(yōu)長(zhǎng)寬比如圖8所示。利用相同擬合方法得到天線(xiàn)周長(zhǎng)與最優(yōu)長(zhǎng)寬比的關(guān)系為

k(C)=a0+a1cos(Cw)+b1sin(Cw)+
a2cos(2Cw)+b2sin(2Cw)

( 4 )

式中：a0=-1.65×108；a1= 2.20×108；b1=-7.35×106；a2=-5.49×107；b2=3.67×106；w=-2.21×10-5。

圖8 不同上行鏈路發(fā)送天線(xiàn)周長(zhǎng)下的最優(yōu)長(zhǎng)寬比

天線(xiàn)周長(zhǎng)為1 180 mm、1 380 mm、1 580 mm、1 692 mm和1 760 mm時(shí)的最優(yōu)長(zhǎng)寬比及綜合性能指標(biāo)見(jiàn)表4。由所建網(wǎng)絡(luò)可得，縮小尺寸參考環(huán)線(xiàn)的綜合指標(biāo)為0.08，標(biāo)準(zhǔn)尺寸參考環(huán)線(xiàn)的綜合指標(biāo)為0.84。由此可知，當(dāng)天線(xiàn)周長(zhǎng)滿(mǎn)足電小環(huán)約束條件時(shí)，天線(xiàn)周長(zhǎng)越大，其綜合指標(biāo)越高，天線(xiàn)的電磁傳輸性能越好。利用該優(yōu)化結(jié)果設(shè)計(jì)上行鏈路發(fā)送天線(xiàn)尺寸，可提高其電磁傳輸性能。

表4 不同上行鏈路發(fā)送天線(xiàn)周長(zhǎng)下的最優(yōu)長(zhǎng)寬比及綜合指標(biāo)

6 結(jié)論

本文通過(guò)優(yōu)化應(yīng)答器天線(xiàn)尺寸提高其電磁傳輸性能，得到以下結(jié)論：

(1)利用電磁場(chǎng)仿真軟件對(duì)應(yīng)答器系統(tǒng)建模，結(jié)合理論計(jì)算驗(yàn)證模型的正確性，證明該模型用于研究應(yīng)答器天線(xiàn)電磁傳輸性能的可行性。

(2)結(jié)合應(yīng)答器系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)用需求，確定可以綜合評(píng)價(jià)應(yīng)答器天線(xiàn)電磁傳輸性能的三項(xiàng)指標(biāo)。

(3)通過(guò)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立應(yīng)答器天線(xiàn)尺寸和電磁傳輸性能之間的映射關(guān)系。

(4)利用粒子群優(yōu)化算法，獲得不同天線(xiàn)周長(zhǎng)下的最優(yōu)長(zhǎng)寬比。

(5)得到標(biāo)準(zhǔn)尺寸和縮小尺寸參考環(huán)線(xiàn)的對(duì)應(yīng)周長(zhǎng)，射頻能量接收天線(xiàn)的最優(yōu)長(zhǎng)寬比分別為2.01和1.44，上行鏈路發(fā)送天線(xiàn)的最優(yōu)長(zhǎng)寬比分別為1.53和

1.22。通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)尺寸參考環(huán)線(xiàn)和縮小尺寸參考環(huán)線(xiàn)的對(duì)比，得出利用此優(yōu)化方法可以達(dá)到優(yōu)化天線(xiàn)傳輸性能的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅麗燕,劉中田,周果.護(hù)軌對(duì)應(yīng)答器干擾的仿真研究[J].鐵道學(xué)報(bào),2014,36(10):59-64.

LUO Liyan,LIU Zhongtian,ZHOU Guo.Simulation of Interference of Guardrail in Balise[J].Journal of the China Railway Society,2014,36(10):59-64.

[2]陳大偉.點(diǎn)式應(yīng)答設(shè)備在高速條件下的性能研究[D].北京:北京交通大學(xué),2012:27-30.

[3]曹磊,王魯豫,李鳳.矩形片式環(huán)形磁感應(yīng)天線(xiàn)近場(chǎng)互感特性研究[J].電子科技,2006(10):31-33.

CAO Lei,WANG Luyu,LI Feng.The Near Field Inter Indductive Characters of the Rectangular Plate Magnetic Loop Antenna[J].Electronic Science and Technology,2006(10):31-33.

[4]楊永亮.高速鐵路應(yīng)答器系統(tǒng)的電磁特性研究[D].北京:北京交通大學(xué),2010:14-15.

[5]梁迪,趙會(huì)兵,全宏宇,等.應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)的電磁耦合機(jī)理及工程安裝優(yōu)化研究[J].鐵道學(xué)報(bào),2014,36(5):64-70.

LIANG Di,ZHAO Huibing,QUAN Hongyu,et al.Research on Electromagnetic Coupling Mechanism and Mounting Parameter Optimization of Balise Transmission System[J].Journal of the China Railway Society,2014,36(5):64-70.

[6]Union Industry of Signaling.SUBSET-085-V2.2.2 Test Specification for Eurobalise Form Fit Function Interface Specification[S].Brussels:Alstom Ansaldo Bombardier Invensys Siemens Thales,2007.

[7]Union Industry of Signaling.SUBSET-036-V2.4.1 Form Fit Function Interface Specification for Eurobalise[S].Brussels:Alstom Ansaldo Bombardier Invensys Siemens Thales,2007.

[8]孟亞松.高速鐵路應(yīng)答器A接口仿真及系統(tǒng)優(yōu)化的研究[D].北京:北京交通大學(xué),2014:17.

[9]龔水清.應(yīng)答器車(chē)載天線(xiàn)的優(yōu)化研究[D].北京:北京交通大學(xué),2013:24-25.