車載應答器編程天線建模及優化研究

朱林富, 趙會兵 , 梁 迪,2

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

應答器信息傳輸系統是車地之間信息傳輸的一種解決方案[1-3]。應答器報文包括移動授權、軌道數據等，需要提前寫入應答器中[4]。為了確認應答器工作正常，需要有一種能夠讀取、寫入應答器報文的設備[5]，應答器編程可實現寫入報文。

目前，應答器編程都是使用便攜式應答器編程設備人工操作完成。新線安裝的應答器，需要在倉庫內提前寫入報文或安裝后現場寫入。在線路信息改變或新安裝應答器報文有誤時，應答器內部的報文需要在現場重新寫入。人工操作效率低下，工作環境艱苦，常帶來諸多問題。例如特定的報文沒有寫入對應編號的應答器；遺漏需要更新報文的應答器；能夠被便攜式編程設備正確讀取報文但不能被車載BTM正確讀取，因為二者距離應答器的高度不同。便攜式應答器編程設備在編程過程中放置在應答器上，如圖1所示。為了提高應答器編程的效率，提出使用車載應答器編程設備，編程天線集成在車載天線中，安裝有車載應答器編程設備的維護車在通過應答器上方時，即刻完成應答器的報文編程，同時按照BTM接收條件進行接收確認。全部編程和確認工作自動、非接觸完成，工人不需要沿鐵路線步行改寫應答器報文。

圖1 既有便攜式應答器編程設備

1 車載編程設備

車載應答器編程設備將處理控制電路與3個天線分開放置。處理控制電路放置在車廂中，3個天線安裝在車廂底部。天線發射的電磁波不影響處理控制電路的正常工作，因此能夠增加天線發射功率，從而增加作用高度。如圖2所示，車載編程設備有4個模塊，包括射頻能量模塊、接收比較模塊、編程模塊和處理控制電路模塊。

車載應答器編程設備需要解決的理論問題包括近場感應的能量傳輸和磁場分布問題。欲達到遠距離無接觸的目標，需要確定天線形狀、天線尺寸和發射功率，分析其能量傳輸和磁場分布。

2 應答器編程天線建模和仿真

應答器編程是一種基于電磁感應的射頻識別(RFID)技術，其能量和數據的傳輸屬于近場感應電感耦合。根據研究的邏輯順序，依次對天線形狀、天線尺寸、發射電流幅度、橫向偏移、抗干擾特性5個問題進行分析研究。

2.1 編程天線形狀

應答器編程天線采用8字形設計，射頻能量天線采用矩形設計，這種天線間的異構設計使得編程電路在列車正常通過時不被激活，不影響應答器的正常安全數據傳輸。

天線的形狀決定面積，影響磁通量大小，進而影響感應電壓和激活距離。編程天線建模分為空間磁場計算和激活距離計算兩部分，具體步驟如下。

步驟1設置靜態參數，如天線邊長、電流幅度、頻率、天線品質因數Q、編程電路啟動電壓等，其中編程電路啟動電壓由編程芯片工作電壓確定，本文取1.8 V。

采用矩形8字形時如圖3所示，ABO′CD-EFGHO′是車載編程設備中的編程發射天線，WJOKL-UMNPO是地面應答器中的編程接收天線，接收來自于發射天線的能量和數據。發射信號采用ASK調制，電流表達式為

I(t)=anAcos(2πfct+φ0)

( 1 )

式中：an為第n位二進制數據，值為0或1；A為載波幅度；fc為載波頻率；φ0為初始相位。

如圖3所示，應答器編程接收天線的中心點O作為坐標系原點，坐標為(0,0,0)；發射天線中心點O′的坐標為(x′,0,0)。兩天線邊長見表1和表2。

表1 編程發射天線

表2 編程接收天線

步驟2根據Biot-Savart定律計算得到電流元在空間任意點處激發的磁感應強度。通有高頻電流的EF邊在編程接收天線包圍區域內任意一點Q處產生磁感應強度B1，電流方向如圖3中箭頭所指。Q的坐標為(x,y,0)。線段QR垂直于EFGHO′平面，R點坐標為(x,y,z)。線段RS垂直于線段EF，S點坐標為(x,-l2sinβ,z)，線段RT垂直于線段QS。根據Biot-Savart定律，得到磁感應強度的計算表達式[6,7]為

( 2 )

式中：d為點Q和線段EF之間的距離。

( 3 )

穿過線圈UMNPO的磁通量由B1的Z軸方向分量B1z決定。

( 4 )

使用相同的計算方法，可以得到其他邊在Q點產生的磁感應強度。

發射天線的FG, GH, HO′, O′E, AB, AD, CD, CO′, O′B在任意點Q處分別產生磁感應強度B2，B3，B4，B5，B6，B7，B8，B9，B10。

線圈ABO′CD和EFGHO′在Q點處產生磁感應強度B,B的Z軸分量為Bz。

Bz=B1z+B2z+B3z+B4z+B5z+
B6z+B7z+B8z+B9z+B10z

( 5 )

步驟3積分得到通過接收天線的磁通量。線圈UMNPO分成兩部分，包括三角形POU和矩形UMNP。穿過線圈UMNPO的磁通量Φ1為

( 6 )

線圈WJOKL分成兩部分，包括三角形KOJ和矩形WJKL。穿過線圈WJOKL的磁通量Φ2為

( 7 )

(a)感應電壓

(b)簡化的連接關系圖4 編程接收天線的感應電壓

根據法拉第電磁感應定律，得到感應電壓的表達式為

( 8 )

( 9 )

Uinductive=U1inductive+U2inductive

(10)

Uoutput=Q·Uinductive

(11)

當θ角和β角都為90°時，發射天線和接收天線可以分別簡化為兩個矩形線圈的串聯。

步驟5感應電壓大于激活電壓閾值時，編程電路被激活，據此計算激活距離。

下文以實際案例對建模方法進行驗證。變量取值見表3，生成感應電壓如圖5所示，激活距離be為0.649 6 m。

表3 變量取值

圖5 矩形8字形天線輸出電壓

8字形天線采用圓形，如圖6所示。采用建模步驟1～步驟5進行分析，過程同上述矩形8字形天線，區別在于對圓面積進行積分計算磁通量。與矩形8字形天線占用相同安裝面積，發射天線圓半徑為0.15 m；與矩形8字形接收天線占用相同安裝面積，接收天線半徑為0.03 m。圓8字形天線輸出電壓如圖7所示，大于閾值電壓1.8 V的范圍分別是：(a,b)為(-0.665 5,-0.346 4)，(c,d)為(-0.252 4,0.252 4), (e,f)為(0.346 4, 0.665 5)。(a,b)和(e,f)是旁瓣內的激活距離，由于編程時僅使用主瓣內的能量和數據，所以(a,b)和(e,f)舍棄。(c,d)距離為0.504 8 m，即圓8字形天線的激活距離為0.504 8 m。占用相同安裝面積的條件下，矩形8字形天線的激活距離為0.649 6 m，大于圓8字形天線，因此天線形狀優先選擇矩形8字形。

圖6 圓8字形天線

圖7 圓8字形天線輸出電壓

2.2 編程天線尺寸

按照建模步驟，分別進行步驟1～步驟5，與2.1節不同在于，需要設置不同的天線邊長，以便進行比較。

在仿真中，變量取值見表3，邊長取值見表4，編程發射天線根據邊長大小，分為“小”、“中”、“大”3種類型。編程接收天線的輸出電壓如圖8所示，x′為編程發射天線中心點O′的X軸坐標。應答器編程電路的激活閾值電壓為1.8 V，在圖8中標記為U1。 “中”型天線在be范圍(-0.324 8,0.324 8)內，應答器編程電路能夠被激活，激活距離為0.649 6 m。當安裝有車載編程設備的維護車停在范圍(-0.324 8,0.324 8)內時，編程電路能夠被激活。 “大”型天線的激活距離af為0.808 8 m。對于“小”型天線，c是-0.183 2 m，d是0.183 2 m，但范圍(-0.183 2,0.183 2)的中間部分低于1.8 V，在低于1.8 V時，編程電路不能被激活，激活距離小于0.366 4 m。從圖8可以看出，隨著編程發射天線邊長的增加，應答器編程電路的激活距離也在增加。 “中”型和“大”型發射天線都能滿足能量需求，但“大”型天線會占用較多車體空間，造成安裝和維護的不便。在滿足需求的前提下，優先選擇體積緊湊的“中”型天線。

表4 發射天線邊長 m

圖8 接收天線輸出電壓隨發射天線邊長變化曲線

2.3 發射天線電流幅度

按照建模步驟1～步驟5,計算感應電壓和激活距離。與2.1節不同在于，需要設置不同的發射電流幅度，以便進行比較。

l1,l2,l3取表4中“中”型天線的值。發射天線電流信號幅度從2 A變化到6 A，分別取值2 A、4 A、6 A，如圖9所示。電流幅度取值6 A時，g是-0.361 7 m，q是0.361 7 m，激活距離為0.723 4 m。電流幅度取值4 A時，j是-0.324 8 m，p是0.324 8 m，激活距離為0.649 6m。電流幅度取值2 A時，m是-0.247 3 m，n是0.247 3 m，在范圍(-0.247 3,0.247 3)的中間部分低于1.8 V，編程電路不能被激活。從圖9可以看出，隨著發射電流的增加，發射功率在增加，應答器編程電路的激活距離也在增加。發射電流為4 A和6 A時，都能滿 足能量需求，從節能優化和串擾角度考慮，選擇發射電流為4 A。

圖9 接收天線輸出電壓隨發射電流變化曲線

維護列車在為應答器編程時，接近應答器窗口后，降低車速，以20 km/h的速度通過應答器。以中型矩形編程天線、發射電流4 A為例，激活距離為0.649 6 m，列車速度為20 km/h，則作用時間為117 ms。需要將1023位報文寫入應答器，通信速率為564 kbit/s,單純計算報文寫入時間為1.81 ms，加上激活啟動時間和報文內容校驗核對時間，117 ms時間足夠。

2.4 橫向偏移

由于列車在運行中會產生垂直鐵軌的橫向移動，如果橫向偏移距離過大，無法激活編程電路，所以應研究接收天線感應電壓和發射天線橫向移動距離之間的關系。

按照建模步驟1～步驟5,計算感應電壓。與2.1節不同在于，本節只涉及感應電壓，不涉及激活距離，因為發射天線只沿Y軸方向移動，在X軸方向沒有移動。

圖10 車載編程天線橫向偏移

圖11 接收天線輸出電壓隨橫向位移變化曲線(x′=0)

2.5 抗干擾

正常工作模式下，當列車經過應答器時，BTM的矩形射頻能量發射天線向應答器發射27.095 MHz射頻能量信號。對于應答器的編程接收天線而言，27.095 MHz的能量信號屬于干擾。從安全性角度考慮，編程電路不能被干擾信號激活，否則內部報文有被改寫的危險。因此，本節對矩形射頻能量天線和8字形編程接收天線的感應過程進行研究。

按照建模步驟1～步驟5,計算感應電壓和激活距離。與2.1節不同在于，發射天線為矩形，不需要計算激活距離，只需考慮能否被激活。

(a)感應電壓

(b)簡化電連接關系圖12 正常工作模式下編程接收天線感應電壓

應答器內部的編程接收天線接收到磁場能量并感應出電壓。編程接收天線的兩個線圈接收相同方向的磁場能量，磁場的變化趨勢相同，所以兩個線圈的感應電壓方向相反。假設矩形射頻天線中的電流增加，所以磁場強度增加。根據楞次定律，下方的編程接收天線生成方向向上的感應磁場阻止接收到的磁通量增加。根據右手螺旋法則，線圈WJOKL和UMNPO分別產生順時針方向的感應電流，如圖12(a)所示。編程接收天線的輸出電壓是兩個線圈感應電壓之差，U3inductive-U4inductive>0，總電流方向如圖12(b)中箭頭所示。

射頻能量信號的頻率為27.095 MHz，幅度為0.7A。矩形天線的長和寬分別是0.3 m、0.3 m。編程接收天線變量取值見表3。編程接收天線的感應電壓如圖13所示，實線代表右側線圈輸出電壓，虛線代表左側線圈輸出電壓，點劃線代表整個編程接收天線輸出電壓。Umax為1.021 2 V，小于編程電路激活閾值電壓1.8 V，所以應答器編程電路在正常工作模式下不被激活。

圖13 正常工作模式下編程接收天線的輸出電壓

3 優化

天線的優化對比項目見表5，根據以上研究內容，以激活距離作為評價標準，得到優化結果，優先選擇矩形8字形、4 A、中型編程天線。

表5 優化對比項目

4 實驗驗證

搭建測試平臺對模型進行驗證[8]，如圖14所示。進行實驗時，實際可獲得的元器件參數近似等于理論計算所需參數，這樣就會引入回波損耗和調諧誤差。由于實驗室條件限制，信號發生器的輸出功率不夠大，在進行測量時，所用線纜會引入串擾誤差，所以對上述模型進行定性分析，分析接收天線輸出電壓的變化趨勢。

圖14 測試平臺

發射天線為矩形8字形天線，8字形接收天線的輸出電壓如圖15所示。

圖15 8字天線發射8字天線接收

車載編程設備的編程發射天線采用8字形設計，產生相反方向的磁力線；地面應答器的編程接收天線也采用8字形設計，兩個接收環收到相反方向的磁通量，產生相同方向的電流，兩個接收環的感應電流疊加后增大，保證為編程電路提供足夠的能量。根據法拉第電磁感應定律，輸出電壓的大小由磁通量的變化率決定，磁通量為磁感應強度與面積的乘積積分。磁感應強度的變化率由輸入信號頻率決定，滿足線性疊加原理。在輸入信號頻率和接收面積確定的情況下，不同位置疊加后的磁感應強度不同，所以輸出電壓不同。圖15中，輸出電壓的最大值較小，所以兩個旁瓣較為明顯。圖5輸出電壓的最大值較大，所以兩個旁瓣不明顯。比較圖15和圖5，輸出電壓隨位移的變化趨勢一致。

將圖14測試平臺中的發射天線更換為矩形射頻發射天線，8字形接收天線的輸出電壓如圖16所示。

圖16 矩形天線發射8字天線接收

在正常工作模式中，BTM的射頻能量發射天線采用矩形設計，產生相同方向磁力線；地面應答器編程接收天線的兩個環收到相同方向的磁通量，產生相反方向電流，能量相互抵消，編程電路不被激活，編程接收天線不影響應答器的正常工作。比較圖16和圖13，輸出電壓隨位移的變化趨勢一致。

5 結論

車載應答器編程設備的控制電路安裝在車廂內，編程天線集成在車載天線中，安裝在車廂底部，其垂直作用距離滿足車載自動化編程的要求。仿真結果顯示，當垂直作用距離滿足自動化車載編程時，車載編程設備能夠傳輸足夠的能量激活應答器編程電路。編程接收天線采用8字形，在正常工作模式時不被激活，提高了安全性，實驗結果驗證了模型的正確性。

本文研究的應答器編程天線建模方法，對基于8字形天線的地鐵列車精確定位、交叉感應環線地-車通信系統研究具有一定的理論價值。

參考文獻：

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

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

[3]Mohammad Ali Sandidzadeh, Ali Khodadadi. Optimization of Balise Placement in a Railway Track Using a Vehicle, an Odometer and Genetic Algorithm [J]. Journal of Scientific & Industrial Research, 2011, 70(3): 210-214.

[4]SHARMA R，LOURDE R M. Crosstalk Reduction in Balise and Infill Loops in Automatic Train Control [C]// The 11th International Conference on Intelligent Engineering Systems.New York:IEEE Press,2007: 39-44.

[5]HAN Y, LIU X P, WANG M Y. The Design and Implementation of a Wireless Data Acquisition and Transmitting System for Euro-balise [J]. Journal of Circuits, Systems, and Computers, 2013, 22(9): 169-176.

[6]梁迪,趙會兵,全宏宇,等. 應答器傳輸系統的電磁耦合機理及工程安裝優化研究[J]. 鐵道學報, 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.

[7]鄺向軍. 矩形載流線圈的空間磁場計算[J]. 四川理工學院學報:自然科學版, 2006, 19(1): 17-20.

KUANG Xiangjun. Calculation of Space Magnetic Field in Rectangular Current Coil [J]. Journal of Sichuan University of Science & Engineering:Natural Science Edition, 2006, 19(1): 17-20.

[8]羅麗燕，劉中田，周果. 護軌對應答器干擾的仿真研究[J]. 鐵道學報，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.