关于CR300BF动车组BTM天线周围谐波干扰问题的研究

刘 骄，夏朋亮

（中国铁路西安局集团有限公司西安高铁基础设施段，西安 710000）

1 运用现状及原理

车载BTM 系统的电磁干扰问题一直困扰着列控车载设备维护人员。随着不同类型新造复兴号等动车组不断上线运行，出现的疑难故障也越来越复杂，越来越棘手，原因为发生故障过程中受到地面外界环境、车体工况环境变化影响大，故障发生后查找困难，方法手段有限，无针对性整改措施，会造成故障重复发生。现将CR300BF 动车组BTM系统故障案例分析、排查、整治情况进行简单总结，并提出整改建议。

应答器传输系统由地面设备和车载设备组成，地面设备包括有（无）源应答器和地面电子单元（LEU），车载设备包括天线单元和应答器传输模块（BTM）。列车运行过程中，天线单元不间断地向地面发送27.095 MHz 的射频能量，地面应答器接收到此能量信号后被激活，然后输出以4.234 M Hz中心频率向外发送报文信息。BTM 通过天线单元接收到的信息进行解调、解码，并将报文传输给列控车载主机（ATP）。

2 典型故障案例分析

以西安局管内高铁发生典型故障为例，简要对故障发生时数据分析方法及处理措施作说明：2021 年12 月24 日由CR300BF-5025（ATP 型号：CTCS2-200C）担当的55383 次运行至某区间连续丢失应答器组后故障停车，最后改按LKJ 方式运行返回至动车段。

通过分析SAM 及BTM 的数据，发现出现多次应答器接收异常报警信息、应答器接收出现多次无效数据，具体数据如图1、2 所示。该现象多见于当BTM 收到的信号强度较弱，信噪比较低，或外界干扰较强，导致BTM 接收的数据出现大量无法解析的内容，因此判断BTM 设备无法从接收到的信号中正常译取应答器报文。

图1 SAM数据概要Fig.1 SAM data summary

图2 BTM接收应答器记录Fig.2 Balise record received by BTM

通过更换BTM 主机、天线单元，车载设备上电后使用应答器测试天线下表面至应答器上表面垂直作用范围的应答器接收灵敏度（仅400 mm）均不满足标准（正常标准500 ～900 mm），故障现象仍然存在，故排除BTM 主机及天线单元。测试4 M、27 M 电缆芯线阻值、绝缘均符合标准。一方面将4 M、27 M 电缆两端接头进行分解、检查无异常，重新做头处理，测试其芯线阻值、绝缘数值与之前一致，测试应答器接收灵敏度仍无变化，不符合标准。将换下BTM 主机及天线单元在工装测试台进行灵敏度测试，数值符合标准（大于700 mm）。另一方面升高既有BTM 天线单元安装高度（升高120 mm），使用车体正式电缆或临时电缆连接既有位置天线单元，测试应答器接收灵敏度仅有300 mm，接收灵敏度进一步降低。用工装测试台应答器连接线缆临时替换故障端电缆，并连接BTM 主机、备用天线单元（不在既有位置），测试应答器接收灵敏度符合标准（大于700 mm）。拆除临时线缆、天线，恢复在用设备，BTM 天线接收灵敏度仍不符合标准。最后使用网络测试仪对BTM 天线及线缆进行阻抗性能测试，测试值为Z ＝52.3 Ω ＋j5.0 Ω，符合标准（标准：实部40 ～70 Ω，虚部－10 ～28 Ω）。

此外，对车底槽钢与车体吊装骨架形成回路进行低频感应电流测试，无低频感应电流。断开车体一根槽钢单端，对BTM 天线应答器接收灵敏度进行多次测试，测试值均大于700 mm，符合标准。恢复该槽钢连接后，多次测试值仍大于700 mm。对该槽钢进行多次拆装试验，测试值仍大于700 mm。对BTM 天线左、右边沿与槽钢间距离进行测量，距离为250 mm，BTM 天线前沿与前方吊装龙骨距离为480 mm，BTM 天线后沿与后方吊装龙骨距离为650 mm。对槽钢与车体吊装骨架形成回路进行测试确认，回路电阻为0 Ω。如图3 所示，恢复车载既有设备，静态试验良好，BTM 天线接收灵敏度指标正常。结合车辆部门进行动态试验，分析数据良好。

图3 BTM天线安装环境Fig.3 BTM antenna installation environment

3 实验室仿真及测试

结合谐振原理，电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。物理上用相位来描述：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电路中呈现的阻性在某个频率下会相等，这样的电路称之为谐振电路，该频率为谐振频率。

首先使用HFSS（High Frequency Structure Simulator）三维电磁仿真软件进行仿真建模，，模拟现场情况。BTM 天线仿真环境如图4 所示，其中金属环路模拟车辆周边金属环路。

图4 BTM天线仿真环境Fig.4 BTM antenna simulation environment

仿真时，X 轴为垂直与列车行进方向，Y 轴为列车行进方向，Z 轴为BTM 天线对地方向。BTM天线处于原点，按现场环境参数加入金属环，通过改变金属环的谐振条件，经过仿真来验证天线周围电磁场分布的变化规律。在天线周围有金属环，会导致电磁场分布产生变化：在金属环不满足谐振条件时，X 轴方向两侧有所加强，而Z 轴方向略有减弱；在金属环满足谐振条件时，3 个方向都有明显的减弱。同时天线上方有金属环会改变天线的电磁场的分布，即改变天线的方向图，在金属环满足谐振条件时会极大地改变天线的方向图，缩小天线的有效工作范围。

根据现场BTM 天线安装环境，在实验室使用环状金属板搭建测试环境，如图5 所示。当环状金属板达到谐振条件时，BTM 天线的垂直作用范围约为450 mm，但稍微动一下环状金属板，破坏谐振条件，BTM 天线的垂直作用范围可达到750 mm。

图5 实验室测试环境Fig.5 Laboratory testing environment

4 原因分析及处置措施

通过仿真及测试可知，因该槽钢与车体吊装龙骨在BTM 天线周围，形成闭合金属回路，其谐振频点与BTM 天线辐射的27.095 MHz 相同。当天线向外辐射27.095 MHz 信号时，该环路会发生谐振现象，在其内部产生感应电流并向外辐射，这改变了BTM 天线原本的辐射图，使天线有效作用范围降低。当对该环路进行断开后，其谐振频率变化或感应电流减小，当天线向外辐射27.095 MHz 信号时，便不会产生谐振现象或谐振影响下降，不影响天线作用范围。

应答器丢失原因为BTM 天线周围车体金属骨架形成的闭合环路其周长恰好达到了27.095 MHz信号半波长的整数倍，且环路的阻抗参数与BTM天线相近，发生频率谐振现象，影响BTM 系统正常的能量辐射。

新造CR300BF 动车组若发生同类型故障返回西安后，车载设备车间应第一时间下载车载设备相关数据。车入库后由车载设备车间组织对设备进行全面检查、试验，确认故障是否复现。根据数据分析结果进行故障处理，更换相关器材后进行相关试验。车载设备车间形成故障报告，经电务维修技术中心主管工程师、主管副主任、安全科科长及主管副段长逐级审核后，由段生产监控中心上报局集团公司安监室、电务部。最后，为防止BTM 天线周围的金属环路对BTM 天线辐射的信号产生谐振，建议对CR300BF-5025 车及同批次动车组的BTM天线350 mm 范围内金属环路连接点处进行绝缘防护处理，使其无法形成闭合回路，确保BTM 天线安全稳定工作。

5 结束语

BTM 系统干扰问题往往比较复杂，涉及到诸多方面的原因。通过对BTM 天线周围的金属环路绝缘的改造，后续再无应答器接收灵敏度不符合标准问题发生，防止同类型故障的发生。同时在改造前建议定期测试应答器接收灵敏度，并将加装绝缘检查测试纳入日常维护管理。根据CTCS2-200C BTM安装手册相关要求，当BTM 天线附近的金属物未形成闭环时，无金属区域为100 mm，当形成闭环时，无金属区域为350 mm。结合现场实际情况，建议后续能进一步修改无金属区域的标准范围。