金属对中低速磁浮BTM天线谐振频率影响

牛江涛，孟天旭

（1.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2.北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070）

1 概述

在国内城市轨道交通系统中，中低速磁悬浮作为后起之秀，因其环保、安全、转弯半径小、爬坡能力强等优点，迅速占领了一席之地。中低速磁悬浮适用于城市市区、近距离城市间以及旅游景区的交通连接，可替代轻轨和地铁[1]。然而电磁环境干扰影响BTM 设备的正常工作是目前磁浮BTM 设备中的难点问题[2]，BTM 车载天线不仅对布线或接地等条件较为敏感，周围设备的布局也可能对其产生影响[3]，因此需要深入对BTM 车载天线特性的研究。

国内中低速磁悬浮的车地通信方式分为车-地无线通信系统（Train-to-Wayside Communications，TWC）和BTM 两种。TWC 系统通过车载天线和交叉感应电缆环线之间的电磁感应原理实现车-地双向通信[4]，当列车经过环线时，TWC 系统利用两对接收天线从环线边界获取绝对位置信息判断列车运行方向，从环线交叉点获得列车位置校正信息完成列车定位。

应答器传输系统是安全点式信息传输系统，通过应答器实现地面设备向车载设备传输信息[5]。BTM 是列控车载设备的核心部件之一，此模块主要由主机、D 电缆、BTM 车载天线以及地面应答器4部分组成。

BTM 车载天线（CAU）作为BTM 系统的核心部分之一，其作用主要是发射频率为27.095 MHz的功率波，接收地面应答器发送中心频率为4.234 MHz 的信号。当列车通过地面应答器上方时，功率波会激活地面应答器，使地面应答器将其储存的信息（如地理位置、列车目的运行信息、路线信息、固定限速信息等）编码后经过移频键控调制，通过地面应答器天线以586 kbit/s 的速率发送至BTM 车载天线。BTM 车载天线先将信息滤波再将有用信号放大，经解调解码后传送给BTM 主机等车载设备[6]。

2 BTM车载天线的仿真和实测验证

2.1 BTM车载天线的精细化仿真

目前，计算电磁学中有很多计算方法，如有限元法。时域有限差分法和矩量法等都在电磁场仿真中广泛使用，其中时域有限差分法(FDTD)是计算电磁学中极为重要的一种时域麦克斯韦方程求解方法。通过调整网格的尺寸和数量，时域有限差分法可以精确地模拟任意结构的材料，对于各种结构的模型以及各类信号都有精度很高的计算结果，且结合计算机的优势，可用于一些复杂的电磁仿真，如空间内电磁场的辐射、导体上电流的分布情况等，都能实现精确且高效的计算[7]。

仿真中需要对磁浮车体和轨道的材料和尺寸结构等进行精确模拟，基于建模的特点和仿真需求，选取时域有限差分法对BTM 车载天线的真实尺寸进行精细化建模计算。天线模型如图1 所示，内外两环在天线下方通过交叉连接，阻抗匹配电路以及连接在天线上方内环的缺口处。

图1 BTM车载天线模型Fig.1 Model of on-board BTM antenna

BTM 车载天线为环形贴片天线，材质设置为铜，外环尺寸为295 mm×225 mm，内环尺寸为279 mm×209 mm；阻抗匹配电路如图2 所示，BTM 天线的阻抗匹配电路中，并联一个电阻R和一个电容C2；串联一个电容C1和一个电感L1。

通过计算确定各元件的值，天线的阻抗为50 Ω，谐振频率在27.095 MHz。上述原件的值通过公式（1）到公式（6）可计算出。

将电阻R=5 Ω 并联到图2 中位置，仿真计算出此时天线的阻抗Z1如公式（1）所示。

图2 BTM车载天线的阻抗匹配电路Fig.2 Impedance matching circuit of on-board BTM antenna

将Z2的实部R2代入公式（4）中，可得L1＝8.607 123 642 2×10-8H。

将Z3的虚部X3代入公式（6）中，计算出电容C2，通过优化对C2的值进行微调，调至谐振频率为27.095 MHz 时，电容C2＝3.662 75×10-10F。

经上述步骤天线的阻抗匹配完成，此时天线的S11参数的仿真结果如图3 所示。

图3 天线的S11仿真结果Fig.3 Simulation results of S11 parameters of the antenna

天线的谐振频率为27.095 MHz，此时S11＝－38.967 454 dB。

天线在频率为27.095 MHz 时的Z11＝48.941 782－j0.348 910 61 Ω，上述指标满足CAU 天线的设计需求。

2.2 周围金属物质对天线谐振频率偏移影响的仿真

由于BTM 车载天线周围的介质为金属，属于有耗介质，因此会降低BTM 天线的有效通信距离并影响报文质量。

磁浮BTM 车载天线周围的金属物质主要是磁浮车体和磁浮轨道，相比有轨列车少了转向架和车轮。如图4 所示，建立磁浮车底和磁浮轨道模型，二者材料都设置为铁。

图4 磁悬浮车底和轨道模型三视Fig.4 Three view drawings of the model of a railway track and the bottom of a maglev train

将2.1 节中建立的BTM 车载天线模型置于车底如图5 所示的位置，天线与车底的相对位置与某中低速磁浮车底与天线的实际相对位置保持一致。

图5 BTM天线模型与车底的相对位置示意Fig.5 Schematic diagram of the relative positions of BTM antenna model and the train bottom

仿真的各项参数设置与2.1 节中保持一致，启动仿真。此时天线S11参数的仿真结果如图6 所示。

图6 车底和轨道环境下天线的S11仿真结果Fig.6 S11 simulation results of the antenna under the train and track environment

如图6 所示，在车底以及轨道等金属物质的影响下，BTM 车载天线的谐振频率在27.284 MHz，相比无金属物质影响的情况，谐振频率偏移了0.189 MHz。

此时天线在27.095 MHz 处的阻抗Z11＝49.542 616 ＋j2.296 376 Ω。

2.3 某中低速磁浮BTM车载天线S11参数的实测

对某中低速磁浮BTM 车载天线S11参数进行实测，现场测试环境以及BTM 天线在车底的相对位置如图7 所示。

图7 现场测试环境Fig.7 Field test environment

测试所用到的设备如表1 所示。

表1 测试BTM车载天线S11参数所需设备Tab.1 Equipment required for testing S11 parameters of on-board BTM antenna

将BTM 车载天线连接D 电缆，D 电缆通过转接线和网络分析仪相连，测得BTM 车载天线在现场环境下的S11参数如图8 所示。

图8 现场环境下BTM车载天线的S11Fig.8 S11 parameters of on-board BTM antenna in the field test environment

在现场测得的中低速磁浮BTM 车载天线的谐振频率为27.25 MHz，与无金属物影响时的谐振频率偏移了0.155 MHz，十分接近仿真中的偏移值0.189 MHz。此实测结果验证了BTM 车载天线模型以及车底和轨道对天线影响仿真的有效性。

3 结论

本文使用基于时域有限差分法的电磁场仿真计算对磁浮BTM 车载天线进行三维精细建模，并对天线模型进行了阻抗匹配，使其谐振频率为27.095 MHz， 此 时S11的 值 为-38.967 454 dB。利用电磁仿真软件对天线周围的金属物质环境进行建模与仿真研究，仿真结果显示，车底和轨道等金属物质使BTM 车载天线谐振频率偏移了0.189 MHz。此仿真值与现场测试的BTM 车载天线的谐振频率偏移值非常接近。本文的研究结果验证了中低速磁悬浮BTM 车载天线仿真模型的正确性和有效性，为将来进一步的研究以及工程改进奠定了基础。