王 通，趙林海,2

(1. 北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044；2. 北京交通大學(xué) 軌道交通控制與安全國家重點實驗室，北京 100044)

作為列車運行控制系統(tǒng)的重要組成部分，應(yīng)答器傳輸模塊BTM (Balise Transmission Module)主要利用射頻通信原理，實現(xiàn)線路速度、線路基本參數(shù)、臨時限速、道岔和特殊定位、車站進路等點式信息由地面向車載計算機傳輸，以實現(xiàn)對列車的安全控制。

廣泛應(yīng)用于CTCS-2與CTCS-3的應(yīng)答器系統(tǒng)在地車點式信息傳輸?shù)碾姶艌鲴詈线^程中，由于天線感應(yīng)電壓的幅值包絡(luò)含有旁瓣結(jié)構(gòu)，在算法設(shè)計時需要設(shè)置閾值區(qū)分旁瓣與主瓣，以避免發(fā)生將包絡(luò)中的多瓣結(jié)構(gòu)識別為多個應(yīng)答器等故障，并在安裝與維護過程中調(diào)整安裝高度來控制信號衰減，從而滿足判別算法的需求[1]。分析旁瓣結(jié)構(gòu)的成因，改善應(yīng)答器系統(tǒng)的耦合性能，能夠降低算法的復(fù)雜度和工程安裝維護的難度。

目前，人們已經(jīng)從不同方面對應(yīng)答器系統(tǒng)的優(yōu)化進行了研究。其中，文獻[2]通過分析應(yīng)答器系統(tǒng)各模塊的工作原理，證明了其提高鐵路通信系統(tǒng)效率與安全性的作用；文獻[3]利用故障模式分析并設(shè)計測試系統(tǒng)，對應(yīng)答器系統(tǒng)性能進行了測試與評估；文獻[4]以時域加窗的方法優(yōu)化了應(yīng)答器中各種控制模塊的時鐘同步精度；文獻[5]對歐洲應(yīng)答器編碼策略進行了分析，并證明其可以有效提高應(yīng)答器系統(tǒng)信息傳輸?shù)陌踩裕晃墨I[6]通過有限元仿真對車載BTM天線安裝角度和高度進行了優(yōu)化；文獻[7]通過分析應(yīng)答器系統(tǒng)信息傳輸過程，對天線橫向、縱向安裝模式的橫向偏移和高度進行了優(yōu)化；文獻[8-9]使用FEKO對應(yīng)答器熱備與冷備冗余BTM天線的最小距離進行計算，并對天線尺寸和形狀進行了優(yōu)化。

以上研究，雖然在一定程度上優(yōu)化了地面應(yīng)答器與車載BTM間的信號傳輸性能，但沒有涉及旁瓣的成因分析，對于應(yīng)答器系統(tǒng)耦合過程中存在的旁瓣結(jié)構(gòu)優(yōu)化及相應(yīng)的算法設(shè)計、工程安裝與維護沒有實質(zhì)性的幫助[10]。本文以車載應(yīng)答器天線激活地面應(yīng)答器的下行激勵過程為例，建立BTM天線與地面應(yīng)答器之間的信息傳輸模型，計算出車載BTM發(fā)送天線各條邊產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度及在地面應(yīng)答器接收天線中對應(yīng)的感應(yīng)電壓分量，解釋并驗證了該電壓幅度中“旁瓣”的產(chǎn)生原因，并以此提出相應(yīng)的優(yōu)化方案。

1 應(yīng)答器系統(tǒng)工作原理

圖1 應(yīng)答器系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成

應(yīng)答器系統(tǒng)的設(shè)備構(gòu)成與工作原理如圖1所示。其中，車載BTM由下行激勵模塊、BTM發(fā)送天線、BTM接收天線、報文信號處理模塊等構(gòu)成。地面應(yīng)答器主要包括地面應(yīng)答器發(fā)送和接收天線、下行接收模塊以及報文信號產(chǎn)生模塊等。

應(yīng)答器系統(tǒng)工作過程主要分為上行鏈路和下行激勵傳輸兩部分。在下行激勵過程中，下行激勵模塊通過振蕩電路產(chǎn)生的激勵信號通過BTM發(fā)送天線不斷向地面空間發(fā)送。每當(dāng)列車接近地面應(yīng)答器時，由于電磁耦合，地面應(yīng)答器接收天線會接收BTM發(fā)射的下行激勵信號，該信號經(jīng)過下行接收模塊的濾波整流處理后作為電源激活地面應(yīng)答器并為地面應(yīng)答器各個模塊供電。在上行鏈路傳輸過程中，報文信號產(chǎn)生模塊在被激活后需要根據(jù)標準進行編碼，發(fā)送對應(yīng)的報文信號。地面應(yīng)答器發(fā)送天線通過電磁場耦合的方式將該信號發(fā)送給BTM天線，BTM接收天線接收到該信號后，再由BTM報文信號處理模塊進行解碼譯碼，并將編碼信息傳輸給車載安全計算機。

2 應(yīng)答器接收天線感應(yīng)電壓建模與仿真

2.1 感應(yīng)電壓建模

為實現(xiàn)本文的研究目標，需要對應(yīng)答器系統(tǒng)的下行激勵過程進行建模。由于上行鏈路過程的車地信息傳輸方式也是雙線圈耦合感應(yīng)，可以采用與下行激勵過程相同的方法進行建模與分析。BTM天線與地面應(yīng)答器中接收線圈和發(fā)送線圈的結(jié)構(gòu)如圖2所示[4]，具體形狀尺寸見表1。

圖2 應(yīng)答器系統(tǒng)天線線圈結(jié)構(gòu)

表1 應(yīng)答器系統(tǒng)天線線圈尺寸 mm

考慮到地面應(yīng)答器接收天線上的感應(yīng)電壓包括感生電動勢和動生電動勢，且動生電動勢相對較少，可忽略不計[10]，故本文只對相應(yīng)的感生電動勢進行建模。由于BTM天線與地面應(yīng)答器發(fā)送天線線圈均為矩形，如圖3所示，可以將發(fā)送接收天線等效為4段有限長直導(dǎo)線。

圖3 BTM天線下行激勵過程的通信模型

圖3中，BTM發(fā)送天線和地面應(yīng)答器接收天線均為矩形載流線圈，箭頭指示方向為發(fā)送天線中激勵信號的電流瞬時方向，A,B,C,D為車載BTM發(fā)送天線的頂點，E,F,G,H為地面應(yīng)答器接收天線的頂點。以地面應(yīng)答器的幾何中心O0(0,0,0)為坐標原點，建立空間直角坐標系。L1為GF與HE的長度，L2為HG與EF的長度。發(fā)送天線與接收天線的垂直距離為h，發(fā)送天線的幾何中心O1坐標為(Xo1,0,h)。

為便于對磁通量進行計算，利用有限元方法可以將地面應(yīng)答器接收天線EFGH內(nèi)部平面平均分為長Δx、寬Δy、面積ΔS=Δx·Δy的有限元。由于在有限元建模時劃分的有限元面積極小，接收天線范圍內(nèi)的磁感應(yīng)強度在各個有限元內(nèi)部可認為是不變的。因此，各有限元的左下頂點Pm,n(xP,yP,0)的磁感應(yīng)強度可以表示為有限元內(nèi)部的平均磁感應(yīng)強度。設(shè)沿X方向與Y方向的有限元各有M與N個，則有限元分布情況為

( 1 )

BTM發(fā)送天線ABCD整體產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度可等效為4段有限長直導(dǎo)線AB、BC、CD、DA形成磁感應(yīng)強度在三維空間中的矢量疊加。通過畢奧·薩伐爾定律，使用BTM發(fā)送天線中的電流可以計算連續(xù)載流導(dǎo)體在空間任意點P處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度[11]。在BTM發(fā)送天線中的電流為

I=A·sin(2π·f·t+φ0)

( 2 )

式中：A為信號幅度；信號頻率f=27.095 MHz；φ0為信號初始相位[12]；t為時間。

理論計算過程以AB段為例，通電的有限長直導(dǎo)線AB在地面應(yīng)答器接收天線平面范圍內(nèi)任意點Pm,n(xP,yP,0)處的磁感應(yīng)強度BAB(Pm,n,xo1,t)為

( 3 )

通過法拉第電磁感應(yīng)定律，以磁感應(yīng)強度計算感應(yīng)電壓時，接收天線EFGH平行于XOY平面，發(fā)送天線ABCD形成的電磁場的X、Y方向分量與地面應(yīng)答器接收天線平行，不會影響接收天線中的感應(yīng)電壓，接收天線中的感應(yīng)電壓只受電磁場在接收天線范圍內(nèi)Z方向的分量影響。因此，計算接收天線中感應(yīng)電壓和接收天線范圍內(nèi)的磁通量，需分解BAB(Pm,n,xo1,t)，得到其在Z方向的分量BZAB(Pm,n,xo1,t)。通過向量積[13]可以計算出AB段天線在Pm,n(xP,yP,0)點的磁感應(yīng)強度Z方向分量為

( 4 )

式中：dlx、dly和ex、ey分別為dl和er在+X方向的分量與+Y方向的分量；z為+Z方向的單位向量。

( 5 )

依據(jù)有限元劃分情況計算AB段天線在接收天線所在平面范圍內(nèi)產(chǎn)生的磁通量為

( 6 )

結(jié)合式( 5 )和式( 6 )，通過法拉第電磁感應(yīng)定律可利用磁通量變化率計算接收天線中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓UAB(xo1,t)為

( 7 )

同理，基于式( 7 )可以計算DA、BC、CD段產(chǎn)生的感應(yīng)電壓UBC(xo1,t)、UCD(xo1,t)、UDA(xo1,t)為

( 8 )

發(fā)送天線整體對地面應(yīng)答器接收天線的感應(yīng)電壓U(xo1,t)為

( 9 )

2.2 仿真分析

(10)

eAB(xo1)、eBC(xo1)、eCD(xo1)和eDA(xo1)如圖4所示，定義+Z方向磁通產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為正向電壓。

圖4 BTM發(fā)送天線各段產(chǎn)生的感應(yīng)電壓幅值包絡(luò)

由圖4可知，BTM發(fā)送天線各段對于地面應(yīng)答器接收天線的影響不同，且天線受瞬時電流方向的影響，BC段的xo1≤0 m區(qū)間和DA段的0 m≤xo1區(qū)間與AB和CD段相比，在地面應(yīng)答器接收線圈范圍內(nèi)產(chǎn)生的垂直方向磁感應(yīng)強度方向相反且強度較大，瞬時感應(yīng)電壓極性與AB和CD段相反。

為便于觀察和研究極性相反感應(yīng)電壓的影響，本文按照磁感應(yīng)強度方向，將AB與CD段的交流感應(yīng)電壓用正向幅值包絡(luò)表示，BC段負半軸與DA段正半軸區(qū)間的交流感應(yīng)電壓用負向幅值包絡(luò)表示。

其中，eAB(xo1)和eCD(xo1)大小相同，且均大于0，并在xo1=0 m時最大，在-1 m≤xo1≤0 m之間單調(diào)遞增，在0 m≤xo1≤1 m時單調(diào)遞減。eBC(xo1)和eDA(xo1)之間存在關(guān)于xo1=0 m對稱的關(guān)系，且幅值存在正負變化。

3 應(yīng)答器系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與驗證

3.1 旁瓣成因分析

由圖4分別計算eAB(xo1)+eCD(xo1)、eBC(xo1)+eDA(xo1)以及總包絡(luò)eSUM(xo1)，如圖5所示。

圖5 BC+DA、AB+CD和總感應(yīng)電壓的幅值包絡(luò)

由圖5可知，eAB(xo1)+eCD(xo1)在0.4 m≤xo1與xo1≤-0.4 m區(qū)間極性為負，其變化規(guī)律與eAB(xo1)或eCD(xo1)相同，只是各點幅值均為eAB(xo1)或eCD(xo1)對應(yīng)位置幅值的2倍。

eBC(xo1)+eDA(xo1)的變化規(guī)律與eBC(xo1)和eDA(xo1)不同，而與eAB(xo1)+eCD(xo1)相同，只是幅值總體較小，且在-1.0 m≤xo1≤-0.4 m和-0.4 m≤xo1≤1.0 m之間的幅值包絡(luò)為負。

由于eBC(xo1)+eDA(xo1)存在小于0的部分，故使得eSUM(xo1)近似在xo1=-0.8 m和xo1=0.8 m處存在兩個極小值點，使得幅值包絡(luò)不但在-0.8 m≤xo1≤0 m單調(diào)上升，并在xo1=0 m處取得最大值，而且在-1.0 m≤xo1≤-0.8 m區(qū)間單調(diào)下降，在0.8 m≤xo1≤1.0 m區(qū)間單調(diào)上升，即形成兩個旁瓣?？梢?，地面應(yīng)答器下行鏈路信號幅值包絡(luò)中會出現(xiàn)兩個旁瓣，且這兩個旁瓣主要是由于eBC(xo1)和eDA(xo1)出現(xiàn)負值而造成的。

需要說明的是，側(cè)立條件下地面應(yīng)答器接收天線的感應(yīng)電壓幅值包絡(luò)在數(shù)值上低于圖5中的eAB(xo1)+eCD(xo1)，其原因是由于實驗安全需要設(shè)置較高的接收阻抗，因此其幅值包絡(luò)相對理想條件下的仿真結(jié)果較小。

實際應(yīng)用中，為避免BTM將這兩個旁瓣誤識為其他地面應(yīng)答器的感應(yīng)電壓幅值包絡(luò)，設(shè)置了一個幅度略高于旁瓣最大值的判別閾值Th，如圖5虛線所示，圖中幅值包絡(luò)eSUM(xo1)大于Th的W1部分為地面應(yīng)答器與BTM天線的有效作用范圍。在工程安裝與維護中也大多通過調(diào)整BTM天線的安裝高度，使BTM天線與地面應(yīng)答器的耦合性能滿足閾值要求。

進一步觀察可以發(fā)現(xiàn)，在閾值高度不變的情況下，若以eAB(xo1)+eCD(xo1)作為總包絡(luò)，則地面應(yīng)答器與BTM天線之間的有效作用范圍將會直接擴展至W2，且W2>W1。如能設(shè)法將BC+DA天線的作用屏蔽，就可以極大程度地改善感應(yīng)電壓幅值包絡(luò)結(jié)構(gòu)，使之由多瓣結(jié)構(gòu)調(diào)整為單瓣結(jié)構(gòu)，并降低算法設(shè)計的復(fù)雜度、受旁瓣影響的誤識別故障發(fā)生概率及安裝與維護過程的工作量。

3.2 橫向?qū)匓C與DA影響的等效實物驗證

可基于現(xiàn)有的BTM和應(yīng)答器間接近似地驗證本文的優(yōu)化方案。考慮到目前BTM天線和地面應(yīng)答器成品均不可拆卸，故無法直接實現(xiàn)對BC+DA天線的屏蔽，需要進行相應(yīng)調(diào)整，如圖6所示，將地面應(yīng)答器接收天線EFGH垂直于BTM天線ABCD放置，則BTM發(fā)送天線中只有AB+CD段能在接收天線中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，從而達到間接屏蔽BC+DA段天線的目的。

圖6 基于現(xiàn)有的BTM和應(yīng)答器間接近似的驗證方案

將地面應(yīng)答器接收天線沿-Y方向平移Δl，使AB段天線和CD段天線到EFGH平面距離不同，由此可以防止eAB(xo1)與eCD(xo1)等大反向相互抵消導(dǎo)致總感應(yīng)電壓為0?；趫D6的相應(yīng)實驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 正常安裝與側(cè)立測試情況下地面應(yīng)答器感應(yīng)電壓幅值包絡(luò)

由于本文旨在消除包絡(luò)中旁瓣結(jié)構(gòu)對應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)的影響，研究側(cè)重點應(yīng)為感應(yīng)電壓的幅值包絡(luò)形狀而非感應(yīng)電壓的幅值大小，因此將實際測量數(shù)值與理論計算進行了歸一化處理。另外，由于應(yīng)答器收發(fā)天線為矩形框結(jié)構(gòu)，即便兩者所在平面互相垂直，由于存在近距離相互平行的兩組對邊，天線之間仍會有明顯的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。將圖7與圖5比較可知，側(cè)立條件下地面應(yīng)答器感應(yīng)電壓幅值包絡(luò)的變化規(guī)律與圖5中的eAB(xo1)+eCD(xo1)相同，沒有產(chǎn)生旁瓣，說明eBC(xo1)+eDA(xo1)并沒有產(chǎn)生，BC+DA段天線的作用被間接屏蔽。側(cè)立測試的幅值包絡(luò)在數(shù)值上略低，其原因是在該位置下eAB(xo1)與eCD(xo1)的變化規(guī)律相同，但極性不同，且|eAB(xo1)|?|eCD(xo1)|。令正常安裝條件下的總感應(yīng)電壓幅值包絡(luò)為eSUM1(xo1)=eAB1(xo1)+eBC1(xo1)+eCD1(xo1)+eDA1(xo1),則側(cè)立測試條件下的總感應(yīng)電壓幅值包絡(luò)為eSUM2(xo1)=i1·eAB1(xo1)+i2·eCD1(xo1)=i3·eSUM1(xo1)。其中，i1>1、i2∈(-1,0)且i3∈(0,1)。正常安裝時，地面應(yīng)答器接收天線激活區(qū)域為-0.38 m≤W1≤0.38 m；側(cè)立測試條件下，地面應(yīng)答器接收天線激活區(qū)域為-0.5 m≤W1≤0.5 m，有效通信范圍擴展了31.6%。需要說明的是將應(yīng)答器接收天線側(cè)立垂直放置只是為了達到屏蔽BTM的BC和DA段天線的效果，而不是實際安裝方式。

3.3 有限元仿真驗證

受實驗條件限制，難以采用實物驗證的方式進行實驗。因此，基于上述優(yōu)化方案，對BTM天線進行改進，通過有限元建模分析的方式設(shè)計了一種可以屏蔽BC與DA段天線的改進結(jié)構(gòu)，如圖8所示。

圖8 屏蔽BC段和DA段的BTM天線有限元模型

改進的BTM天線通過錯位結(jié)構(gòu)，將BTM天線的AB+CD段和BC+DA段兩組對邊分別定位在不同高度的水平面上，并分別在BC與DA段的下方添加空心的扁平鐵芯，作為對BC+DA的屏蔽腔。在工作狀態(tài)下，鐵芯可以反射和吸收上方BC+DA段天線向下發(fā)射的磁場能量，從而實現(xiàn)屏蔽BC+DA段天線的效果。圖9為基于圖8所得到的地面應(yīng)答器接收天線感應(yīng)電壓包絡(luò)。

圖9 改進型應(yīng)答器天線感應(yīng)電壓幅值包絡(luò)

由圖9可知，基于圖8改進后的BTM發(fā)送天線，可以有效屏蔽BTM發(fā)送天線中的BC+DA段，抑制應(yīng)答器感應(yīng)電壓幅值包絡(luò)中的旁瓣結(jié)構(gòu)，延長了地面應(yīng)答器與BTM的有效作用范圍，進而驗證了本文提出方法的正確性。另外，由于加裝屏蔽，收發(fā)天線間的耦合會發(fā)生改變，在工程應(yīng)用中需要對原有設(shè)計中的耦合控制元件參數(shù)進行調(diào)整。

為提高車地通信接收天線中心區(qū)域的信號強度，增強抗干擾能力，可以調(diào)整車載BTM主機功放模塊的倍數(shù)，對新型天線的信號強度進行補償。補償系數(shù)為現(xiàn)有天線感應(yīng)電壓的最大幅值與新型天線最大幅值之比，見式(11)。以圖9模型為例，改進天線對應(yīng)的補償系數(shù)為1.5，在工程應(yīng)用中可依據(jù)天線的安裝條件對補償系數(shù)進一步調(diào)整。

(11)

式中：Umg=eAB(0)+eCD(0)，為改進型天線感應(yīng)電壓幅值包絡(luò)的最大值；Umx=eAB(0)+eBC(0)+eCD(0)+eDA(0)，為現(xiàn)有天線感應(yīng)電壓幅值包絡(luò)的最大值。兩者均可由式(10)在xo1=0時計算得到。

3.4 下行激勵與上行鏈路過程的比照分析

由于上行鏈路過程與下行激勵過程原理上都是通過一對閉合線圈的電磁耦合過程進行無線信息傳輸，如圖10所示，左、右分別為BTM天線與地面應(yīng)答器的發(fā)送接收線圈，其中外部線圈為接收線圈，內(nèi)部線圈為發(fā)送線圈，且除BTM天線接收線圈外均為矩形線圈。由于BTM接收線圈的八邊形結(jié)構(gòu)對空間電磁場沒有影響，因此，按照前文的方法進行分析，在上行鏈路過程中也會因為橫向?qū)叺挠绊懏a(chǎn)生包絡(luò)旁瓣，且在對橫向天線進行屏蔽以及對電源模塊進行調(diào)整之后，采用與下行激勵相同的方法也可以實現(xiàn)對上行鏈路過程中旁瓣結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

圖10 BTM天線與地面應(yīng)答器天線發(fā)送接收線圈

綜上所述，天線的改進方案是為了改善感應(yīng)電壓的包絡(luò)結(jié)構(gòu)，使多瓣結(jié)構(gòu)變?yōu)閱伟杲Y(jié)構(gòu)，應(yīng)答器系統(tǒng)由于在設(shè)計之初就存在旁瓣，為了規(guī)避旁瓣效應(yīng)可能帶來的“丟點”、將旁瓣包絡(luò)誤識別為多個應(yīng)答器包絡(luò)等故障，在算法層面做了閾值相關(guān)方面的判定。改進方案通過在硬件層面的改動對空間電磁場進行分布調(diào)整，盡可能地消除了感應(yīng)電壓旁瓣結(jié)構(gòu)，從而在算法層面和工程安裝維護方面降低了復(fù)雜度。

4 結(jié)束語

本文通過建立BTM與地面應(yīng)答器間下行激勵信號傳輸模型，分別對BTM4段發(fā)送天線在地面應(yīng)答器接收天線中所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓幅值包絡(luò)進行仿真，揭示了該包絡(luò)“旁瓣”的產(chǎn)生機理，以此提出了屏蔽BC+DA段BTM天線，以消除應(yīng)答器接收信號幅值包絡(luò)旁瓣的優(yōu)化方法?；诂F(xiàn)有應(yīng)答器系統(tǒng)的等效實驗，驗證了本文方法的正確性。同時設(shè)計了BTM天線的改進模型，并進行有限元仿真。實驗表明，改進型天線結(jié)構(gòu)能夠有效削弱包絡(luò)的旁瓣，這對于降低防止旁瓣侵入算法復(fù)雜度和旁瓣誤識別等故障發(fā)生概率，減少工程安裝和維護的工作量等具有重要意義。