關于CR300BF動車組BTM天線周圍諧波干擾問題的研究

劉 驕，夏朋亮

（中國鐵路西安局集團有限公司西安高鐵基礎設施段，西安 710000）

1 運用現狀及原理

車載BTM 系統的電磁干擾問題一直困擾著列控車載設備維護人員。隨著不同類型新造復興號等動車組不斷上線運行，出現的疑難故障也越來越復雜，越來越棘手，原因為發生故障過程中受到地面外界環境、車體工況環境變化影響大，故障發生后查找困難，方法手段有限，無針對性整改措施，會造成故障重復發生。現將CR300BF 動車組BTM系統故障案例分析、排查、整治情況進行簡單總結，并提出整改建議。

應答器傳輸系統由地面設備和車載設備組成，地面設備包括有（無）源應答器和地面電子單元（LEU），車載設備包括天線單元和應答器傳輸模塊（BTM）。列車運行過程中，天線單元不間斷地向地面發送27.095 MHz 的射頻能量，地面應答器接收到此能量信號后被激活，然后輸出以4.234 M Hz中心頻率向外發送報文信息。BTM 通過天線單元接收到的信息進行解調、解碼，并將報文傳輸給列控車載主機（ATP）。

2 典型故障案例分析

以西安局管內高鐵發生典型故障為例，簡要對故障發生時數據分析方法及處理措施作說明：2021 年12 月24 日由CR300BF-5025（ATP 型號：CTCS2-200C）擔當的55383 次運行至某區間連續丟失應答器組后故障停車，最后改按LKJ 方式運行返回至動車段。

通過分析SAM 及BTM 的數據，發現出現多次應答器接收異常報警信息、應答器接收出現多次無效數據，具體數據如圖1、2 所示。該現象多見于當BTM 收到的信號強度較弱，信噪比較低，或外界干擾較強，導致BTM 接收的數據出現大量無法解析的內容，因此判斷BTM 設備無法從接收到的信號中正常譯取應答器報文。

圖1 SAM數據概要Fig.1 SAM data summary

圖2 BTM接收應答器記錄Fig.2 Balise record received by BTM

通過更換BTM 主機、天線單元，車載設備上電后使用應答器測試天線下表面至應答器上表面垂直作用范圍的應答器接收靈敏度（僅400 mm）均不滿足標準（正常標準500 ～900 mm），故障現象仍然存在，故排除BTM 主機及天線單元。測試4 M、27 M 電纜芯線阻值、絕緣均符合標準。一方面將4 M、27 M 電纜兩端接頭進行分解、檢查無異常，重新做頭處理，測試其芯線阻值、絕緣數值與之前一致，測試應答器接收靈敏度仍無變化，不符合標準。將換下BTM 主機及天線單元在工裝測試臺進行靈敏度測試，數值符合標準（大于700 mm）。另一方面升高既有BTM 天線單元安裝高度（升高120 mm），使用車體正式電纜或臨時電纜連接既有位置天線單元，測試應答器接收靈敏度僅有300 mm，接收靈敏度進一步降低。用工裝測試臺應答器連接線纜臨時替換故障端電纜，并連接BTM 主機、備用天線單元（不在既有位置），測試應答器接收靈敏度符合標準（大于700 mm）。拆除臨時線纜、天線，恢復在用設備，BTM 天線接收靈敏度仍不符合標準。最后使用網絡測試儀對BTM 天線及線纜進行阻抗性能測試，測試值為Z ＝52.3 Ω ＋j5.0 Ω，符合標準（標準：實部40 ～70 Ω，虛部－10 ～28 Ω）。

此外，對車底槽鋼與車體吊裝骨架形成回路進行低頻感應電流測試，無低頻感應電流。斷開車體一根槽鋼單端，對BTM 天線應答器接收靈敏度進行多次測試，測試值均大于700 mm，符合標準。恢復該槽鋼連接后，多次測試值仍大于700 mm。對該槽鋼進行多次拆裝試驗，測試值仍大于700 mm。對BTM 天線左、右邊沿與槽鋼間距離進行測量，距離為250 mm，BTM 天線前沿與前方吊裝龍骨距離為480 mm，BTM 天線后沿與后方吊裝龍骨距離為650 mm。對槽鋼與車體吊裝骨架形成回路進行測試確認，回路電阻為0 Ω。如圖3 所示，恢復車載既有設備，靜態試驗良好，BTM 天線接收靈敏度指標正常。結合車輛部門進行動態試驗，分析數據良好。

圖3 BTM天線安裝環境Fig.3 BTM antenna installation environment

3 實驗室仿真及測試

結合諧振原理，電路中既有感性原件又有容性原件，感性原件是通直流阻交流，容性原件是通交流阻直流。物理上用相位來描述：感性原件和容性原件的相位正好相反，而感性原件和容性原件在電路中呈現的阻性在某個頻率下會相等，這樣的電路稱之為諧振電路，該頻率為諧振頻率。

首先使用HFSS（High Frequency Structure Simulator）三維電磁仿真軟件進行仿真建模，，模擬現場情況。BTM 天線仿真環境如圖4 所示，其中金屬環路模擬車輛周邊金屬環路。

圖4 BTM天線仿真環境Fig.4 BTM antenna simulation environment

仿真時，X 軸為垂直與列車行進方向，Y 軸為列車行進方向，Z 軸為BTM 天線對地方向。BTM天線處于原點，按現場環境參數加入金屬環，通過改變金屬環的諧振條件，經過仿真來驗證天線周圍電磁場分布的變化規律。在天線周圍有金屬環，會導致電磁場分布產生變化：在金屬環不滿足諧振條件時，X 軸方向兩側有所加強，而Z 軸方向略有減弱；在金屬環滿足諧振條件時，3 個方向都有明顯的減弱。同時天線上方有金屬環會改變天線的電磁場的分布，即改變天線的方向圖，在金屬環滿足諧振條件時會極大地改變天線的方向圖，縮小天線的有效工作范圍。

根據現場BTM 天線安裝環境，在實驗室使用環狀金屬板搭建測試環境，如圖5 所示。當環狀金屬板達到諧振條件時，BTM 天線的垂直作用范圍約為450 mm，但稍微動一下環狀金屬板，破壞諧振條件，BTM 天線的垂直作用范圍可達到750 mm。

圖5 實驗室測試環境Fig.5 Laboratory testing environment

4 原因分析及處置措施

通過仿真及測試可知，因該槽鋼與車體吊裝龍骨在BTM 天線周圍，形成閉合金屬回路，其諧振頻點與BTM 天線輻射的27.095 MHz 相同。當天線向外輻射27.095 MHz 信號時，該環路會發生諧振現象，在其內部產生感應電流并向外輻射，這改變了BTM 天線原本的輻射圖，使天線有效作用范圍降低。當對該環路進行斷開后，其諧振頻率變化或感應電流減小，當天線向外輻射27.095 MHz 信號時，便不會產生諧振現象或諧振影響下降，不影響天線作用范圍。

應答器丟失原因為BTM 天線周圍車體金屬骨架形成的閉合環路其周長恰好達到了27.095 MHz信號半波長的整數倍，且環路的阻抗參數與BTM天線相近，發生頻率諧振現象，影響BTM 系統正常的能量輻射。

新造CR300BF 動車組若發生同類型故障返回西安后，車載設備車間應第一時間下載車載設備相關數據。車入庫后由車載設備車間組織對設備進行全面檢查、試驗，確認故障是否復現。根據數據分析結果進行故障處理，更換相關器材后進行相關試驗。車載設備車間形成故障報告，經電務維修技術中心主管工程師、主管副主任、安全科科長及主管副段長逐級審核后，由段生產監控中心上報局集團公司安監室、電務部。最后，為防止BTM 天線周圍的金屬環路對BTM 天線輻射的信號產生諧振，建議對CR300BF-5025 車及同批次動車組的BTM天線350 mm 范圍內金屬環路連接點處進行絕緣防護處理，使其無法形成閉合回路，確保BTM 天線安全穩定工作。

5 結束語

BTM 系統干擾問題往往比較復雜，涉及到諸多方面的原因。通過對BTM 天線周圍的金屬環路絕緣的改造，后續再無應答器接收靈敏度不符合標準問題發生，防止同類型故障的發生。同時在改造前建議定期測試應答器接收靈敏度，并將加裝絕緣檢查測試納入日常維護管理。根據CTCS2-200C BTM安裝手冊相關要求，當BTM 天線附近的金屬物未形成閉環時，無金屬區域為100 mm，當形成閉環時，無金屬區域為350 mm。結合現場實際情況，建議后續能進一步修改無金屬區域的標準范圍。