加裝屏蔽板后應答器傳輸模塊天線性能的研究

徐　寧

(中國鐵道科學研究院 通信信號研究所，北京　100081)

應答器傳輸模塊(Balise Transmission Module，BTM)在高速鐵路CTCS-2和CTCS-3級列控系統(tǒng)中均得到了廣泛的應用[1-2]。BTM的主機通過其天線向下發(fā)送27.095 MHz的信號激活地面應答器，同時接收地面應答器發(fā)送的上行鏈路信號，并將信息傳輸至列控系統(tǒng)超速防護設備(ATP)，保證了高速列車的安全運行[3]。BTM天線位于列車底部，當列車高速運行時，線路上揚起的道砟會損傷天線，影響列車的正常運行；車底電磁環(huán)境復雜，如空調外機、電流逆變器等設備產(chǎn)生的電磁波會對BTM天線接收信號產(chǎn)生干擾，導致接收應答器數(shù)據(jù)的誤碼率升高。為此提出在天線外面加裝金屬屏蔽板，以此保護天線不受揚起道砟的沖擊，同時屏蔽車底復雜電磁環(huán)境對BTM天線的干擾；但由于金屬板本身的特性，需要分析加裝金屬板后對天線回波損耗、輸入阻抗等特性以及應答器有效通信范圍的影響。

針對金屬物對BTM天線影響的研究，文獻[4]分析認為BTM天線的信號傳輸容易受到周圍金屬物的影響；文獻[5—6]規(guī)定BTM天線周圍不允許有金屬物，但并沒有分析金屬物對BTM天線的影響。應答器傳輸系統(tǒng)采用的是一種射頻識別技術(RFID)。文獻[7]分析了金屬環(huán)境下RFID系統(tǒng)的工作性能；文獻[8—9]通過理論和實驗，研究了金屬環(huán)境對RFID天線性能的影響，如輸入阻抗、功率傳輸?shù)葏?shù)的影響，指出天線在金屬環(huán)境的影響下無法正常傳輸信號。這些研究表明，金屬物將影響天線的性能、干擾信號的傳輸，但缺少金屬屏蔽板對天線性能具體的影響和對干擾信號抑制能力的研究和分析。

本文基于電磁場理論，結合應答器傳輸系統(tǒng)的相關標準規(guī)范[5-6]，在保證屏蔽板防護能力的條件下，研究屏蔽板的參數(shù)和放置位置，以及加裝屏蔽板對BTM天線性能的影響和對干擾信號的衰減作用，以保證加裝屏蔽板能對干擾信號起到抑制作用，并且不會影響B(tài)TM天線的正常工作。

1　屏蔽板的參數(shù)及其放置位置

1.1　屏蔽版的參數(shù)

應答器傳輸系統(tǒng)是一個高速的短距離通信系統(tǒng)，BTM天線的設計諧振頻率為27.095 MHz，采用矩形線圈天線，其尺寸為446 mm×357 mm；在BTM天線四周各加裝1塊金屬屏蔽板，以天線與車底板接觸點為坐標中心點，如圖1所示[5-6]。圖1中：h為屏蔽板的高度，d為屏蔽板與BTM天線之間的水平距離。

圖1　加裝屏蔽板的BTM天線示意圖(單位：mm)

由于鋁、銅、鋼等材質導電率均在106S·m-1左右，對BTM天線性能的影響基本沒有區(qū)別。綜合考慮材料的硬度、抗擊打性、易加工、重量、成本等因素，確定選用鋼材質的屏蔽板，并選定屏蔽板的厚度為3 mm。

屏蔽板的放置位置采用屏蔽板距BTM天線的水平距離表示。屏蔽板的高度從與BTM天線等高處開始選取，分別取110，130，150，200 mm；屏蔽板距BTM天線的水平距離分別取20，35，50，65，80，100，130，150 mm；BTM天線的諧振頻率為27.095 MHz，采用電磁仿真軟件FEKO，仿真加裝屏蔽板后BTM天線的回波損耗，結果見表1，由表1可得如下結論。

(1) 當屏蔽板高度小于150 mm時，隨著屏蔽板的高度增加，天線的回波損耗逐漸降低；當屏蔽板高度大于150 mm時，隨著屏蔽板的高度增加，BTM天線的回波損耗幾乎無變化；由此確定屏蔽板的最佳高度為150 mm。

(2) 當水平距離小于80 mm時，隨著屏蔽板與BTM天線間距離的增加，BTM天線的回波損耗逐漸降低；當水平距離大于80 mm時，BTM天線的回波損耗變化不大；因此，屏蔽板距BTM天線的最小水平距離應為80 mm。

表1　金屬屏蔽板的不同高度及距BTM天線不同水平距離時BTM天線在27.095 MHz時的回波損耗

1.2　屏蔽板距BTM天線的水平距離

為了進一步確定屏蔽板距BTM天線的水平距離，水平距離分別取20，50，80，100和150 mm，掃頻范圍為25～29 MHz，仿真不同水平距離時BTM天線的回波損耗與頻率的關系，結果如圖2所示。

圖2金屬屏蔽板距離BTM天線不同水平距離時BTM天線回波損耗與頻率的關系

由圖2可知：當水平距離為20和50 mm時，諧振頻點偏離BTM天線的工作頻率27.095 MHz，這是因為當屏蔽板放置于BTM天線四周時，BTM天線發(fā)射出的電磁波信號遇到金屬屏蔽板發(fā)生反射，而經(jīng)過反射的電磁波對天線本身的性能產(chǎn)生了影響，導致BTM天線的反射系數(shù)增大，阻抗失配；并且當距離為50 mm時，BTM天線在諧振頻點的回波損耗值較低，這是由于BTM天線的品質因數(shù)降低導致的，BTM天線的性能不能滿足工程需要；當距離為80 mm時，諧振頻點略微偏移27.095 MHz；而當距離為100和150 mm的2條回波損耗曲線幾乎重合，說明當距離為100 mm及其以上時，BTM天線的性能基本不受屏蔽板的影響。

根據(jù)表1和圖2，綜合考慮屏蔽板的材質、對BTM天線的物理防護作用以及經(jīng)濟成本，最終選取屏蔽板距天線的水平距離為100 mm。

2　加裝屏蔽板對BTM天線性能的影響

BTM天線由矩形線圈構成，通過電感耦合作用傳輸功率信號，在徑向上磁能大于電能，磁場起主要作用，因此分別理論計算和仿真計算加裝屏蔽板后BTM天線的磁場強度。

2.1　BTM天線磁場強度的理論計算

根據(jù)畢奧—薩伐定理，電流元的空間磁感應強度為

(1)

圖3　載流導線在空間中某點P(x,y,z)的磁感應強度

如圖3所示，abcd矩形線圈天線可看作由4根載流導線構成，其空間中任意一點P(x,y,z)的磁場強度是由這4根載流導線產(chǎn)生的磁場的線性疊加。圖3中：2l1，2l2分別為天線兩邊的邊長；θ1為電流流入點與點P的矢量夾角，θ2為電流流出點與點P的矢量夾角；s為點P(x,y,z)到載流導線的垂直距離。

對于空間中的某點P(x,y,z)，根據(jù)幾何定理，對ab邊進行求解，可以得到

(2)

(3)

(4)

對式(1)求積分，并將式(2)—式(4)帶入，可得載流導線ab邊在該點產(chǎn)生的磁感應強度Bab為

(5)

磁感應強度Bab在x,y,z這3個方向上的分量分別為

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

由式(8)—式(11)，可得BTM天線在空間產(chǎn)生的z方向的有效磁感應強度為

(12)

相應的磁場強度為

(13)

選取距離BTM天線下方z=300 mm處所在平面，采用式(13)計算該平面中x軸上不同距離處的磁場強度，如圖4所示。由圖4可知：在該平面中心位置的磁場強度最強，達到了1.11 A·m-1；并且磁場強度由中心點向兩邊逐漸減弱。

2.2　BTM天線磁場強度分布的仿真計算

取z方向上距離BTM天線分別為200，300，400和500 mm的4個平面，采用電磁仿真軟件FEKO，仿真加裝屏蔽板后BTM天線在z方向上的磁場強度分布，如圖5所示。由圖5可知：在同一平面上，磁場強度的分布趨勢是中心位置最強，往四周逐漸減弱，與理論計算結果相符；而在z軸方向上不同距離的平面上，隨著距離的增大，磁場強度逐漸減弱。

圖4　距離BTM天線下方300 mm處的磁場強度

圖5　不同距離下BTM天線的磁場強度對比

根據(jù)圖5可以進一步得到以0.27 A·m-1為界的等勢范圍，即BTM天線與地面應答器之間有效通信范圍依次為630，670，650和370 mm。而在未加裝金屬屏蔽板時，該位置的有效通信范圍依次為625，660，646和360 mm。由此可見，在BTM天線四周加裝金屬屏蔽板，不僅沒有影響B(tài)TM天線的信號傳輸性能，并在一定程度上增加了BTM天線的有效通信范圍。

3　加裝屏蔽板對干擾信號的衰減作用

加裝金屬屏蔽板，一方面可以很好地阻隔外界干擾電磁波的直達徑傳播；另一方面，干擾電磁波會繞過屏蔽板邊緣進行傳播，對BTM天線接收信號產(chǎn)生干擾。即在加入金屬屏蔽板后，根據(jù)電磁波的繞射(衍射)原理，干擾源信號在其邊緣點上產(chǎn)生1個次波源，進而影響B(tài)TM天線接收數(shù)據(jù)信號，因此需要綜合分析屏蔽板對干擾信號的衰減。對干擾信號的衰減采用有屏蔽板與無屏蔽板2種情況下BTM天線接收到的干擾信號強度的比值(dB)表征。

設干擾源與BTM天線位于xoy平面，并放置于屏蔽板的外側。采用電磁仿真軟件FEKO，仿真x軸方向上干擾源距屏蔽板不同距離時屏蔽板對干擾源的衰減，如圖6所示。由圖6可知：當干擾源距屏蔽板的距離為20 mm時，干擾信號衰減了-30.3 dB；當干擾源距屏蔽板的距離為250 mm時，對干擾信號的衰減達到了-58.3 dB，此時對應答器接收信號的影響可以忽略不計。

圖6　x軸方向上不同距離時屏蔽板對干擾信號的衰減

設干擾源在x軸上屏蔽板的外側100 mm處，在z軸上的距離是變動的并且始終與仿真距離相同，仿真z軸距離天線中心點不同距離時干擾源信號的衰減，如圖7所示。從圖7可知：隨著z軸方向上距離的增加，對干擾信號的衰減越小；當z=0時，即干擾源位于列車底部時，BTM天線接收到的干擾信號衰減為-40.6 dB；當z軸方向上的距離為150 mm時，BTM天線接收到的干擾源信號衰減達到了-25.1 dB。由此可知，在z軸方向上的距離越大，BTM天線接收到的信號強度越強。說明加裝屏蔽板，增強了對干擾信號的衰減，在接收信號強度不變的情況下，增加了接收信號的信干噪比，從而降低了誤碼率。

圖7　z軸方向上不同距離時屏蔽板對干擾信號的衰減

由于列車底部安裝條件的限制，BTM天線是車底位置最低的電子設備，干擾源高度不會低于150 mm，因此，加裝150 mm高的屏蔽板已滿足對車底干擾信號衰減的要求。

4　試驗驗證

1)靜態(tài)試驗

選取某個型號的車輛，當BTM天線四周無屏蔽板且無干擾源時，采用網(wǎng)絡分析儀測得BTM天線在諧振頻點處的回波損耗值為-19.256 dB；然后在距離列車底部150 mm，距離BTM天線邊緣120 mm處的位置上放置1個頻率為4 MHz的干擾源，此時采用頻譜儀測得BTM天線接收到的干擾信號強度為-28.524 dBm。

在BTM天線四周安裝150 mm高的屏蔽板，屏蔽板與BTM天線間的距離為100 mm；采用網(wǎng)絡分析儀測得BTM天線的回波損耗參數(shù)為-19.264 dB，與仿真結果相符。

設置頻率與位置均與靜態(tài)時相同的干擾源，BTM天線接收到的干擾信號強度為-54.863 dBm，對干擾信號的衰減為-26.339 dB，與仿真數(shù)據(jù)基本吻合。

2)動態(tài)試驗

在某線路上，對屏蔽板的屏蔽作用進行實測。將該車空調外機、電流逆變器等設備開機運行作為干擾源，測量加裝屏蔽板后干擾信號的衰減，并測試接收應答器數(shù)據(jù)的誤碼率。

當BTM天線四周無屏蔽板時，測得BTM天線接收到的干擾信號強度為-24.152 dBm，接收效果較差的應答器數(shù)據(jù)接收誤碼率為24.6%；加裝屏蔽板后，測得干擾信號強度為-51.256 dBm，對干擾信號的衰減為-27.104 dB，接收效果較差的應答器數(shù)據(jù)接收誤碼率為2.5%；表明屏蔽板對列車底部的干擾源信號衰減作用明顯，應答器數(shù)據(jù)接收的誤碼率顯著降低。

3)長期運行效果

對經(jīng)過較長一段時間運行列車的觀測和測試，加裝屏蔽板與未加裝屏蔽板之前相比，天線沒有受到明顯損傷，接收效果較差的應答器數(shù)據(jù)接收平均誤碼率從24.6%下降到4.3%。

總之，加裝金屬屏蔽板，并未影響B(tài)TM天線的正常工作，對干擾信號的衰減效果明顯，并且對BTM天線有較顯著的物理防護作用。

5　結　論

(1)在BTM天線四周加裝屏蔽板，屏蔽板應采用鋼材質的材料，厚度為3 mm，高度為150 mm，屏蔽板與天線的間距為100 mm。

(2)加裝屏蔽板后，BTM天線的回波損耗參數(shù)基本不受影響；在z軸方向上距離BTM天線300 mm的平面上，有效通信范圍達到670 mm；說明加裝屏蔽板，不僅沒有影響天線的信號傳輸性能，而且在一定程度上增加了天線的有效通信范圍，保證了數(shù)據(jù)信號的可靠傳輸。

(3)加裝屏蔽板后，增強了對干擾信號的衰減，在接收信號強度不變的情況下，增加了接收信號的信干噪比，從而降低了誤碼率。

(4)試驗結果表明，加裝屏蔽板后，應答器數(shù)據(jù)接收平均誤碼率從24.6%下降到4.3%，天線沒有受到明顯的損傷。可見，加裝金屬屏蔽板，并未影響B(tài)TM天線的正常工作，對干擾信號的衰減效果明顯，并且對BTM天線有較顯著的物理防護作用。

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