車載BTM天線電磁干擾耦合規律研究

宋 微，林 凱，黃植卓

0 引言

車載BTM天線是應答器系統的重要組成部分，承擔著下行鏈路射頻能量的發送及上行鏈路信號的接收。車載BTM天線安裝于列車底部，通過電磁耦合技術與地面應答器天線進行能量、數據傳輸。

在高速鐵路實際運行過程中，車載BTM天線所處的車底電磁環境十分復雜。在車載BTM天線與地面應答器進行信號傳輸過程中，電磁環境的突變、列車上電力系統的操作均可能對車載BTM天線造成電磁干擾，輕則引起報文信息的丟失，重則造成動車列控系統的誤操作。

目前，國內外相關領域的研究主要聚焦在應答器系統的工作原理和系統優化、應答器天線的電磁傳輸性能、車載BTM設備的電磁干擾分析和干擾防護等方面。文獻[1，2]對應答器信號傳輸系統進行建模，研究了應答器系統的工作機理。文獻[3，4]通過仿真分析，提出了綜合評價應答器天線電磁傳輸性能的3項指標，利用粒子群優化算法，研究得到不同天線周長下的最優長寬比，優化天線尺寸，達到改善天線傳輸性能的目的。文獻[5]提出了動車組牽引系統中的共模電流和以及受電弓與懸鏈線之間的接觸不連續所產生的電磁場會對應答器系統產生干擾的觀點。文獻[6，7]利用仿真軟件對列車過分相時牽引變壓器產生的激磁涌流進行分析，并通過FEKO軟件進行了對應答器上行鏈路信號干擾的仿真分析，研究了激磁涌流的高頻信號對應答器的干擾情況。文獻[8]仿真研究了浪涌信號對車載天線單元性能的影響。

從以上研究可以看出，車載BTM天線的電磁干擾主要來自應答器系統所處的復雜空間電磁環境、內部多天線之間的互耦、車載電力系統瞬態操作產生的脈沖干擾等方面。本文著重對動車組運行過程中各種瞬態操作產生的典型脈沖干擾進行分析，通過理論分析與仿真建模相結合，建立車載BTM天線的電磁干擾模型，進而分析其電磁干擾耦合規律，為車載BTM天線的電磁干擾防護提供參考建議。

1 應答器系統工作原理

1.1 應答器系統的構成

應答器系統由地面設備與車載BTM設備兩部分構成，地面設備由地面應答器與地面電子單元（LEU）組成。地面應答器是一種高速數據傳輸設備，可以提供諸如位置坐標、彎道半徑、坡度、限速條件等關鍵信息，為高速列車的安全行駛提供重要保障[9]。LEU是一種數據處理單元，一般與有源應答器連接，實現對應答器傳輸報文信息的更改。

車載BTM設備包括車載天線單元與應答器傳輸模塊。車載天線單元由射頻能量發射天線與信號接收天線兩部分構成，其中射頻能量發射天線可向地面應答器發射射頻能量用以激活地面應答器，信號接收天線用于接收地面應答器傳送的報文信息。

1.2 應答器系統工作原理

應答器系統是一種基于電磁耦合機理工作的信號傳輸系統，其工作過程包括下行鏈路與上行鏈路兩部分。應答器數據傳輸結構如圖1所示。

圖1 應答器數據傳輸結構

應答器的下行鏈路過程指的是車載BTM天線向地面發射高頻能量載波激活地面應答器的過程。射頻能量發射天線向空間發射頻率為27.095 MHz的高頻交變磁場，當列車經過地面應答器時，地面應答器天線中會產生變化的磁通量，此時天線中產生感應電流激活地面應答器。地面應答器將該感應電流作為工作電源，其上行鏈路信號發射天線產生中心頻率為4.234 MHz的FSK信號，車載信號接收天線接收到該信號后送入應答器傳輸模塊進行信號處理，然后將信息傳輸給列控設備。

2 應答器上行鏈路系統建模

根據車載BTM天線的相關技術規范，本文設定上行鏈路信號接收天線材料為銅，天線尺寸為400 mm×260 mm，天線截面尺寸為20 mm×2 mm。首先根據設定的尺寸進行模型的搭建，天線的三維模型如圖2所示。在天線長邊處開一個10 mm的缺口用于添加調諧電容與對應的匹配電路，天線采用離散端口饋電，采用電容匹配法[10]對天線進行調諧與阻抗匹配，其等效電路如圖3所示。

圖2 上行鏈路信號接收天線

圖3 電容匹配法等效電路

根據相關技術規范將天線調諧在4.234 MHz，要求其?10 dB帶寬內涵蓋4.512和3.948 MHz兩個載波頻率，且在4.234 MHz頻率處電壓駐波比（Voltage Standing Wave Ratio）VSWR＜1.5。根據互易定理，上行鏈路信號發射天線的技術參數與車載信號接收天線一致即可，兩天線之間垂直距離為350 mm。

為了貼近實際情況，在應答器上行鏈路信號傳輸系統加入鋼軌與枕木模型，鋼軌為簡化“工”字形，長度設定為5 m，軌距為1 435 mm，地面應答器天線平面距離鋼軌上軌面96 mm。枕木簡化為長方形模型，材料為混凝土，尺寸為2 500 mm×200 mm×160 mm，兩段枕木間距為600 mm。兩天線與軌道之間的空間位置關系如圖4所示。

圖4 鋼軌與應答器上行鏈路系統

3 電磁干擾源分析

在列車運行過程中，電磁環境的劇變、電力系統的瞬態操作會產生高頻瞬態脈沖干擾信號，這些瞬態脈沖干擾信號可以通過輻射在車載BTM天線端口產生耦合干擾電流，當該耦合電流幅值大于信號接收限值時，會對車載BTM天線與地面應答器之間的正常通信產生影響。

常見的脈沖性電磁干擾有浪涌（Surge）、電快速脈沖群（EFT）及靜電放電（ESD）干擾。

脈沖性干擾信號可以用雙指數函數表示：

式中：V0為峰值因子；K為信號的歸一化系數；α為信號波前校正系數，β為信號波后校正系數，α和β主要影響了波形的上升沿和下降沿。

通過調整相關技術參數可以實現對具體信號的定性研究，表1給出了3種典型脈沖干擾信號的雙指數函數參數。

表1 雙指數函數參數

對式（1）進行傅里葉變換可以得到雙指數函數的幅頻表達式：

式中：j為虛數單位，w為角頻率。根據式（2）得到典型脈沖干擾信號的幅頻曲線見圖5。

從函數的幅頻特性曲線來看，3種脈沖干擾信號的頻譜在低頻段均具有均勻分布的特點，當頻率大于某個值后，信號頻譜幅度急劇衰減，衰減曲線出現2個基本拐點。

對比3種脈沖干擾信號的幅頻特性曲線拐點值可知，Surge信號的能量主要分布在頻率低于3.2 kHz的低頻段，而EFT信號與ESD信號具有較多的高頻分量。

圖5 脈沖干擾信號的幅頻特性

對于車載BTM天線，干擾主要產生于信號在其通信頻帶內的能量分布。

根據式（2）和帕斯瓦爾定律可以求出各信號在頻段（f1，f2）內的能量占總能量的比例Pi：

計算得到各信號在車載BTM天線通信頻段內的能量分布如表2所示。

表2 通信頻段內能量占比

由表2知，脈沖干擾信號主要影響應答器系統的上行鏈路通信過程，Surge信號在高頻段的能量分布極小，對車載BTM天線造成的電磁干擾較小。EFT信號與ESD信號在車載BTM天線的通信頻段內具有較大的能量分布，可能會對其通信過程造成較大的電磁干擾。

4 電磁干擾耦合規律研究

當脈沖干擾信號通過輻射耦合對天線產生電磁干擾時，干擾源在遠場具有平面波的特性。將脈沖干擾信號以平面波的形式加入到應答器上行鏈路系統模型作為干擾源，仿真計算脈沖干擾信號類型、極化角度、入射角度變化時車載BTM天線端口的耦合電流變化情況，進而研究其電磁干擾耦合規律。

4.1 信號類型的影響

將3種脈沖干擾信號以平面波的形式加入到模型作為干擾源，設置信號為水平極化（電場方向與地面平行），入射方向為x軸正向，同時設置脈沖干擾信號的幅值為50 kV/m。仿真得到不同類型脈沖干擾信號影響下，車載BTM天線端口耦合電流峰值如表3所示，耦合電流波形如圖6所示。

表3 車載BTM天線端口耦合電流峰值 A

圖6 車載BTM天線端口耦合電流波形

對比3種脈沖干擾信號作用下車載BTM天線端口耦合電流峰值情況可知，在EFT信號的干擾下，車載BTM天線端口耦合電流峰值最大，達到29.267 A，其次為ESD信號，高達27.405 A，而在Surge信號干擾下的耦合電流值僅為幾毫安。

在《歐洲應答器》對應答器I/O特性的描述中介紹到，應答器上行鏈路信號幅值最大為125 mA，最小值為25 mA。在EFT信號和ESD信號的干擾下，車載BTM天線端口的耦合電流值遠大于上行鏈路信號幅度閾值，因而會對車載BTM天線的正常工作產生較大的電磁干擾，而Surge信號通過輻射耦合對車載BTM天線造成的干擾則較小。

4.2 極化角度的影響

入射脈沖干擾信號的極化角度會對車載BTM天線上耦合電流的大小產生影響，定義入射信號的電場矢量與入射平面的夾角為極化角。以EFT信號為例，將其入射方向設置為x軸正向，信號幅值為50 kV/m，其極化角度以15°為間隔，從0°變化到90°，仿真計算得到車載BTM天線端口耦合電流峰值的變化規律如圖7所示。

圖7 耦合電流峰值隨極化角度變化規律

由圖7可以看出，車載BTM天線端口耦合電流峰值隨極化角度變大而增大。在極化角度為90°時，耦合電流峰值達到最大，此時對應信號的水平極化，說明水平極化的脈沖干擾信號對車載BTM天線的輻射干擾遠大于垂直極化。在車載BTM天線的實際使用時，應注重對水平極化的脈沖干擾信號的輻射傳導干擾進行防護。

4.3 入射角度的影響

脈沖干擾信號對車載BTM天線造成電磁干擾，其入射角度是影響車載BTM天線端口耦合電流的另外一個重要因素，入射角度包含了俯仰角和方位角。本節將以垂直極化與水平極化的EFT信號為例，研究不同俯仰角、不同方位角下的脈沖干擾信號對車載BTM天線的干擾情況。

4.3.1 俯仰角的影響

為了研究入射脈沖干擾信號的俯仰角與車載BTM天線端口耦合電流的關系，設定脈沖干擾信號的入射平面在X-Z平面內，俯仰角（入射方向與z軸正向的夾角）以15°為間隔，從90°變化到180°，仿真計算得到在垂直極化（電場矢量垂直入射平面）脈沖干擾信號影響下車載BTM天線端口耦合電流峰值隨俯仰角的變化規律如圖8。

圖8 垂直極化脈沖干擾下耦合電流峰值隨俯仰角變化

對于垂直極化的脈沖干擾信號，隨著俯仰角的增大，車載BTM天線端口的耦合電流峰值呈現減小的趨勢。

圖9為車載BTM天線在phi= 0°的遠場方向圖。觀察可知，俯仰角為90°時脈沖干擾信號的入射方向在方向圖的主瓣方向，此時車載BTM天線端口的耦合電流達到最大值。從車載BTM天線電磁干擾防護的角度來看，對于垂直極化的脈沖干擾信號，應注重對俯仰角為90°的入射信號即水平方向上干擾信號的防護。

圖9 車載BTM天線在phi = 0°的遠場方向圖

在水平極化（電場矢量在入射平面內）脈沖干擾信號影響下，車載BTM天線端口耦合電流峰值隨俯仰角的變化規律如圖10所示。

圖10 水平極化脈沖干擾下耦合電流峰值隨俯仰角變化

對于水平極化的脈沖干擾信號，隨俯仰角的增大，車載BTM天線端口耦合電流峰值呈現增大的趨勢。從車載BTM天線電磁干擾防護的角度來看，對于水平極化的脈沖干擾信號，應注重對俯仰角大于90°的入射信號即來自車底騷擾信號的防護。

4.3.2 方位角的影響

為了研究入射脈沖干擾信號的方位角與車載BTM天線端口耦合電流的關系，設定脈沖干擾信號的入射平面在X-Y平面內，方位角（入射方向與x軸正向的夾角）以15°為間隔，從0°變化到90°，仿真計算得到在垂直極化（電場矢量垂直地面）脈沖干擾信號影響下，車載BTM天線端口耦合電流峰值隨方位角的變化規律如圖11所示。

圖11 垂直極化脈沖干擾下耦合電流峰值隨方位角變化

可以看出：對于垂直極化的脈沖干擾信號，在方位角為0°時，車載BTM天線端口的耦合電流峰值最小，僅為0.004 7 A；在方位角為90°時，耦合電流峰值達到最大，為0.666 2 A，該值已遠超過應答器上行鏈路信號幅值的最大值，會影響車載BTM天線的正常通信。

隨著方位角的增大，車載BTM天線端口耦合電流峰值呈現增大的趨勢，從車載BTM天線的電磁干擾防護的角度來看，對于垂直極化的脈沖干擾信號，應注意其在方位角為90°方向即列車行駛方向上對車載BTM天線的干擾。

對于水平極化的脈沖干擾信號，仍然保持入射平面在X-Y平面內不變，方位角以15°的間隔從0°變化到90°，仿真計算得到車載BTM天線端口耦合電流峰值隨方位角的變化規律如圖12所示。

圖12 水平極化脈沖干擾下耦合電流峰值隨方位角變化

隨著方位角的增大，車載BTM天線端口耦合電流峰值整體呈現減小的趨勢。從車載BTM天線的電磁干擾防護的角度，對于水平極化的脈沖干擾信號，應注意其在方位角為0°即列車兩側方向上對車載BTM天線的干擾。在方位角為75°時，擬合曲線出現1個疑似耦合電流最小值的波谷，其是由于采樣點數較少、采用3次擬合造成的。實際上在方位角大于60°時，耦合電流值呈現穩定的緩慢地下降，在增加采樣點數后可消除該誤差。

圖13為車載BTM天線在Theta= 90°的遠場方向圖，Theta= 90°對應X-Y平面。觀察可知，在X-Y平面內，車載BTM天線的方向圖呈現對稱性，其主瓣方向在Phi= 0°，即X軸正向。因此對于水平極化的脈沖干擾信號而言，當其入射方向與車載BTM天線的主瓣方向一致時，對車載BTM天線的電磁干擾最大。

圖13 車載BTM天線在Theta = 90°的遠場方向圖

5 結論

本文著重研究了3種典型脈沖干擾信號對車載BTM天線的電磁干擾。首先對應答器上行鏈路系統進行仿真建模分析，根據典型脈沖干擾信號的數學模型對其進行時域、頻域、能量分布分析，研究了典型脈沖干擾信號對車載BTM天線的帶內干擾情況。研究結果表明，電快速脈沖群與靜電放電脈沖在車載BTM天線的通信頻段內具有較高的能量分布，會對車載BTM天線帶來較大的電磁干擾，而浪涌信號對車載BTM天線的電磁干擾較小。

將3種典型脈沖干擾信號以平面波的形式添加到上述模型中，仿真計算了脈沖干擾信號的類型、極化角度、入射角度等因素變化時，車載BTM天線端口的耦合電流變化情況。研究表明，水平極化的脈沖干擾信號對車載BTM天線造成的電磁干擾遠大于垂直極化，且當其入射方向與車載BTM天線主瓣方向一致時對車載BTM天線的影響最大，在車載BTM天線的電磁干擾防護方面，應著重對水平極化的入射方向在車載BTM天線主瓣方向的干擾信號進行防護。