加装屏蔽板后应答器传输模块天线性能的研究

徐　宁

(中国铁道科学研究院 通信信号研究所，北京　100081)

应答器传输模块(Balise Transmission Module，BTM)在高速铁路CTCS-2和CTCS-3级列控系统中均得到了广泛的应用[1-2]。BTM的主机通过其天线向下发送27.095 MHz的信号激活地面应答器，同时接收地面应答器发送的上行链路信号，并将信息传输至列控系统超速防护设备(ATP)，保证了高速列车的安全运行[3]。BTM天线位于列车底部，当列车高速运行时，线路上扬起的道砟会损伤天线，影响列车的正常运行；车底电磁环境复杂，如空调外机、电流逆变器等设备产生的电磁波会对BTM天线接收信号产生干扰，导致接收应答器数据的误码率升高。为此提出在天线外面加装金属屏蔽板，以此保护天线不受扬起道砟的冲击，同时屏蔽车底复杂电磁环境对BTM天线的干扰；但由于金属板本身的特性，需要分析加装金属板后对天线回波损耗、输入阻抗等特性以及应答器有效通信范围的影响。

针对金属物对BTM天线影响的研究，文献[4]分析认为BTM天线的信号传输容易受到周围金属物的影响；文献[5—6]规定BTM天线周围不允许有金属物，但并没有分析金属物对BTM天线的影响。应答器传输系统采用的是一种射频识别技术(RFID)。文献[7]分析了金属环境下RFID系统的工作性能；文献[8—9]通过理论和实验，研究了金属环境对RFID天线性能的影响，如输入阻抗、功率传输等参数的影响，指出天线在金属环境的影响下无法正常传输信号。这些研究表明，金属物将影响天线的性能、干扰信号的传输，但缺少金属屏蔽板对天线性能具体的影响和对干扰信号抑制能力的研究和分析。

本文基于电磁场理论，结合应答器传输系统的相关标准规范[5-6]，在保证屏蔽板防护能力的条件下，研究屏蔽板的参数和放置位置，以及加装屏蔽板对BTM天线性能的影响和对干扰信号的衰减作用，以保证加装屏蔽板能对干扰信号起到抑制作用，并且不会影响BTM天线的正常工作。

1　屏蔽板的参数及其放置位置

1.1　屏蔽版的参数

应答器传输系统是一个高速的短距离通信系统，BTM天线的设计谐振频率为27.095 MHz，采用矩形线圈天线，其尺寸为446 mm×357 mm；在BTM天线四周各加装1块金属屏蔽板，以天线与车底板接触点为坐标中心点，如图1所示[5-6]。图1中：h为屏蔽板的高度，d为屏蔽板与BTM天线之间的水平距离。

图1　加装屏蔽板的BTM天线示意图(单位：mm)

由于铝、铜、钢等材质导电率均在106S·m-1左右，对BTM天线性能的影响基本没有区别。综合考虑材料的硬度、抗击打性、易加工、重量、成本等因素，确定选用钢材质的屏蔽板，并选定屏蔽板的厚度为3 mm。

屏蔽板的放置位置采用屏蔽板距BTM天线的水平距离表示。屏蔽板的高度从与BTM天线等高处开始选取，分别取110，130，150，200 mm；屏蔽板距BTM天线的水平距离分别取20，35，50，65，80，100，130，150 mm；BTM天线的谐振频率为27.095 MHz，采用电磁仿真软件FEKO，仿真加装屏蔽板后BTM天线的回波损耗，结果见表1，由表1可得如下结论。

(1) 当屏蔽板高度小于150 mm时，随着屏蔽板的高度增加，天线的回波损耗逐渐降低；当屏蔽板高度大于150 mm时，随着屏蔽板的高度增加，BTM天线的回波损耗几乎无变化；由此确定屏蔽板的最佳高度为150 mm。

(2) 当水平距离小于80 mm时，随着屏蔽板与BTM天线间距离的增加，BTM天线的回波损耗逐渐降低；当水平距离大于80 mm时，BTM天线的回波损耗变化不大；因此，屏蔽板距BTM天线的最小水平距离应为80 mm。

表1　金属屏蔽板的不同高度及距BTM天线不同水平距离时BTM天线在27.095 MHz时的回波损耗

1.2　屏蔽板距BTM天线的水平距离

为了进一步确定屏蔽板距BTM天线的水平距离，水平距离分别取20，50，80，100和150 mm，扫频范围为25～29 MHz，仿真不同水平距离时BTM天线的回波损耗与频率的关系，结果如图2所示。

图2金属屏蔽板距离BTM天线不同水平距离时BTM天线回波损耗与频率的关系

由图2可知：当水平距离为20和50 mm时，谐振频点偏离BTM天线的工作频率27.095 MHz，这是因为当屏蔽板放置于BTM天线四周时，BTM天线发射出的电磁波信号遇到金属屏蔽板发生反射，而经过反射的电磁波对天线本身的性能产生了影响，导致BTM天线的反射系数增大，阻抗失配；并且当距离为50 mm时，BTM天线在谐振频点的回波损耗值较低，这是由于BTM天线的品质因数降低导致的，BTM天线的性能不能满足工程需要；当距离为80 mm时，谐振频点略微偏移27.095 MHz；而当距离为100和150 mm的2条回波损耗曲线几乎重合，说明当距离为100 mm及其以上时，BTM天线的性能基本不受屏蔽板的影响。

根据表1和图2，综合考虑屏蔽板的材质、对BTM天线的物理防护作用以及经济成本，最终选取屏蔽板距天线的水平距离为100 mm。

2　加装屏蔽板对BTM天线性能的影响

BTM天线由矩形线圈构成，通过电感耦合作用传输功率信号，在径向上磁能大于电能，磁场起主要作用，因此分别理论计算和仿真计算加装屏蔽板后BTM天线的磁场强度。

2.1　BTM天线磁场强度的理论计算

根据毕奥—萨伐定理，电流元的空间磁感应强度为

(1)

图3　载流导线在空间中某点P(x,y,z)的磁感应强度

如图3所示，abcd矩形线圈天线可看作由4根载流导线构成，其空间中任意一点P(x,y,z)的磁场强度是由这4根载流导线产生的磁场的线性叠加。图3中：2l1，2l2分别为天线两边的边长；θ1为电流流入点与点P的矢量夹角，θ2为电流流出点与点P的矢量夹角；s为点P(x,y,z)到载流导线的垂直距离。

对于空间中的某点P(x,y,z)，根据几何定理，对ab边进行求解，可以得到

(2)

(3)

(4)

对式(1)求积分，并将式(2)—式(4)带入，可得载流导线ab边在该点产生的磁感应强度Bab为

(5)

磁感应强度Bab在x,y,z这3个方向上的分量分别为

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

由式(8)—式(11)，可得BTM天线在空间产生的z方向的有效磁感应强度为

(12)

相应的磁场强度为

(13)

选取距离BTM天线下方z=300 mm处所在平面，采用式(13)计算该平面中x轴上不同距离处的磁场强度，如图4所示。由图4可知：在该平面中心位置的磁场强度最强，达到了1.11 A·m-1；并且磁场强度由中心点向两边逐渐减弱。

2.2　BTM天线磁场强度分布的仿真计算

取z方向上距离BTM天线分别为200，300，400和500 mm的4个平面，采用电磁仿真软件FEKO，仿真加装屏蔽板后BTM天线在z方向上的磁场强度分布，如图5所示。由图5可知：在同一平面上，磁场强度的分布趋势是中心位置最强，往四周逐渐减弱，与理论计算结果相符；而在z轴方向上不同距离的平面上，随着距离的增大，磁场强度逐渐减弱。

图4　距离BTM天线下方300 mm处的磁场强度

图5　不同距离下BTM天线的磁场强度对比

根据图5可以进一步得到以0.27 A·m-1为界的等势范围，即BTM天线与地面应答器之间有效通信范围依次为630，670，650和370 mm。而在未加装金属屏蔽板时，该位置的有效通信范围依次为625，660，646和360 mm。由此可见，在BTM天线四周加装金属屏蔽板，不仅没有影响BTM天线的信号传输性能，并在一定程度上增加了BTM天线的有效通信范围。

3　加装屏蔽板对干扰信号的衰减作用

加装金属屏蔽板，一方面可以很好地阻隔外界干扰电磁波的直达径传播；另一方面，干扰电磁波会绕过屏蔽板边缘进行传播，对BTM天线接收信号产生干扰。即在加入金属屏蔽板后，根据电磁波的绕射(衍射)原理，干扰源信号在其边缘点上产生1个次波源，进而影响BTM天线接收数据信号，因此需要综合分析屏蔽板对干扰信号的衰减。对干扰信号的衰减采用有屏蔽板与无屏蔽板2种情况下BTM天线接收到的干扰信号强度的比值(dB)表征。

设干扰源与BTM天线位于xoy平面，并放置于屏蔽板的外侧。采用电磁仿真软件FEKO，仿真x轴方向上干扰源距屏蔽板不同距离时屏蔽板对干扰源的衰减，如图6所示。由图6可知：当干扰源距屏蔽板的距离为20 mm时，干扰信号衰减了-30.3 dB；当干扰源距屏蔽板的距离为250 mm时，对干扰信号的衰减达到了-58.3 dB，此时对应答器接收信号的影响可以忽略不计。

图6　x轴方向上不同距离时屏蔽板对干扰信号的衰减

设干扰源在x轴上屏蔽板的外侧100 mm处，在z轴上的距离是变动的并且始终与仿真距离相同，仿真z轴距离天线中心点不同距离时干扰源信号的衰减，如图7所示。从图7可知：随着z轴方向上距离的增加，对干扰信号的衰减越小；当z=0时，即干扰源位于列车底部时，BTM天线接收到的干扰信号衰减为-40.6 dB；当z轴方向上的距离为150 mm时，BTM天线接收到的干扰源信号衰减达到了-25.1 dB。由此可知，在z轴方向上的距离越大，BTM天线接收到的信号强度越强。说明加装屏蔽板，增强了对干扰信号的衰减，在接收信号强度不变的情况下，增加了接收信号的信干噪比，从而降低了误码率。

图7　z轴方向上不同距离时屏蔽板对干扰信号的衰减

由于列车底部安装条件的限制，BTM天线是车底位置最低的电子设备，干扰源高度不会低于150 mm，因此，加装150 mm高的屏蔽板已满足对车底干扰信号衰减的要求。

4　试验验证

1)静态试验

选取某个型号的车辆，当BTM天线四周无屏蔽板且无干扰源时，采用网络分析仪测得BTM天线在谐振频点处的回波损耗值为-19.256 dB；然后在距离列车底部150 mm，距离BTM天线边缘120 mm处的位置上放置1个频率为4 MHz的干扰源，此时采用频谱仪测得BTM天线接收到的干扰信号强度为-28.524 dBm。

在BTM天线四周安装150 mm高的屏蔽板，屏蔽板与BTM天线间的距离为100 mm；采用网络分析仪测得BTM天线的回波损耗参数为-19.264 dB，与仿真结果相符。

设置频率与位置均与静态时相同的干扰源，BTM天线接收到的干扰信号强度为-54.863 dBm，对干扰信号的衰减为-26.339 dB，与仿真数据基本吻合。

2)动态试验

在某线路上，对屏蔽板的屏蔽作用进行实测。将该车空调外机、电流逆变器等设备开机运行作为干扰源，测量加装屏蔽板后干扰信号的衰减，并测试接收应答器数据的误码率。

当BTM天线四周无屏蔽板时，测得BTM天线接收到的干扰信号强度为-24.152 dBm，接收效果较差的应答器数据接收误码率为24.6%；加装屏蔽板后，测得干扰信号强度为-51.256 dBm，对干扰信号的衰减为-27.104 dB，接收效果较差的应答器数据接收误码率为2.5%；表明屏蔽板对列车底部的干扰源信号衰减作用明显，应答器数据接收的误码率显著降低。

3)长期运行效果

对经过较长一段时间运行列车的观测和测试，加装屏蔽板与未加装屏蔽板之前相比，天线没有受到明显损伤，接收效果较差的应答器数据接收平均误码率从24.6%下降到4.3%。

总之，加装金属屏蔽板，并未影响BTM天线的正常工作，对干扰信号的衰减效果明显，并且对BTM天线有较显著的物理防护作用。

5　结　论

(1)在BTM天线四周加装屏蔽板，屏蔽板应采用钢材质的材料，厚度为3 mm，高度为150 mm，屏蔽板与天线的间距为100 mm。

(2)加装屏蔽板后，BTM天线的回波损耗参数基本不受影响；在z轴方向上距离BTM天线300 mm的平面上，有效通信范围达到670 mm；说明加装屏蔽板，不仅没有影响天线的信号传输性能，而且在一定程度上增加了天线的有效通信范围，保证了数据信号的可靠传输。

(3)加装屏蔽板后，增强了对干扰信号的衰减，在接收信号强度不变的情况下，增加了接收信号的信干噪比，从而降低了误码率。

(4)试验结果表明，加装屏蔽板后，应答器数据接收平均误码率从24.6%下降到4.3%，天线没有受到明显的损伤。可见，加装金属屏蔽板，并未影响BTM天线的正常工作，对干扰信号的衰减效果明显，并且对BTM天线有较显著的物理防护作用。

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