高速鐵路應(yīng)答器系統(tǒng)的電磁特性分析

李進(jìn)明

（中交隧道局電氣化工程有限公司，北京 100102）

現(xiàn)階段RFID技術(shù)被應(yīng)用于高速鐵路應(yīng)答器系統(tǒng)，該技術(shù)的識別性及連通性開辟了全新的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 應(yīng)答器的工作系統(tǒng)原理與應(yīng)用

1.1 應(yīng)答器系統(tǒng)的工作原理

對于無源應(yīng)答器而言，尤為重要的關(guān)鍵性問題就是確保其能夠接收能源。在設(shè)計(jì)無源應(yīng)答器設(shè)備系統(tǒng)中，有源應(yīng)答器系統(tǒng)較為復(fù)雜，但當(dāng)無源應(yīng)答器設(shè)備在去除電源電路，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橥獠抗╇姷倪^程中，可以將其應(yīng)用為有源應(yīng)答器。無源應(yīng)答器系統(tǒng)主要包括2部分，如圖1所示，可以對能量進(jìn)行接收，能夠發(fā)送信息，且具有信息存儲(chǔ)類裝置。列車可以借助應(yīng)答器上方，借助能量接收天線完成高頻能量的發(fā)送，地面應(yīng)答器接收相應(yīng)信號。應(yīng)答器可以通過對高頻能量的接收，之后將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽瓿蓪δ芰康姆绞睫D(zhuǎn)換加以存儲(chǔ)，后將其信號編碼借助天線發(fā)送至車載BTM，從而完成了整個(gè)應(yīng)答器系統(tǒng)的信息傳輸過程，實(shí)現(xiàn)了兩者之間的耦合，完成信息傳輸。

1.2 高速鐵路應(yīng)答器系統(tǒng)的應(yīng)用范圍

應(yīng)答器系統(tǒng)作為一種極其重要的基礎(chǔ)類信號設(shè)施，現(xiàn)階段被廣泛運(yùn)用于國際間的地鐵、鐵路、輕軌等交通工具中。具體的應(yīng)用范圍可以運(yùn)用至行車安全、道口防護(hù)及運(yùn)營服務(wù)中。點(diǎn)式應(yīng)答器在應(yīng)用過程中，作為實(shí)施數(shù)據(jù)化傳輸設(shè)備，有著較大信息量及較高速率的特點(diǎn)，后隨著運(yùn)輸線路的不斷提速和高鐵的出現(xiàn)，點(diǎn)式應(yīng)答器更是起到了點(diǎn)連式ATP系統(tǒng)的關(guān)鍵作用。與此同時(shí)，地面設(shè)備還能夠更好地順應(yīng)多方面氣候條件，使用期限較長，免維護(hù)。

圖1 應(yīng)答器系統(tǒng)工作原理圖

1.3 高速鐵路應(yīng)答器系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)

高速鐵路應(yīng)答器系統(tǒng)的運(yùn)用應(yīng)與高速鐵路的系統(tǒng)及標(biāo)準(zhǔn)兼容性相符，符合其具體的工作環(huán)境，因此，應(yīng)當(dāng)參照以下技術(shù)指標(biāo)原則進(jìn)行研究。

1.3.1 信息載頻

通過選擇能量及信息載體的原則，需要盡可能地避開電氣化牽引電流中的諧波信號，應(yīng)符合環(huán)境的具體應(yīng)用要求，盡可能地穿透積雪、鐵粉、冰水和土豆等污物，確保應(yīng)答器系統(tǒng)處于惡劣環(huán)境中仍然可以工作。

1.3.2 調(diào)制方式

調(diào)制通常指的是振幅、載波的頻率及有關(guān)調(diào)制信號彼此的關(guān)聯(lián)性。數(shù)字調(diào)制信號主要包括ASK、FSK以及PSK三種形式，整體應(yīng)用操作比較簡單，成本投入較小。國際間絕大多數(shù)國家所采用的鐵路點(diǎn)式應(yīng)答器，都采取了頻移鍵調(diào)制方式。

1.3.3 應(yīng)答器幾何尺寸與系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間

一旦應(yīng)答器的幾何尺寸、信息查詢天線、通信頻次、垂直距離、信息的報(bào)文長度、信息接收靈敏度等一系列的系統(tǒng)有延遲，之后列車可以通過1次運(yùn)行速度與車上所接收的報(bào)文次數(shù)判斷響應(yīng)時(shí)間，公式為

2 射頻識別系統(tǒng)的組成與特點(diǎn)

2.1 射頻識別系統(tǒng)的組成

通常情況下，射頻識別系統(tǒng)組成主要包括閱讀器、應(yīng)答器以及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。通過閱讀器可以實(shí)現(xiàn)對射頻模塊的控制，從而對應(yīng)答器發(fā)射所需要讀取的信號。閱讀器通常包括控制單元、射頻模塊以及應(yīng)答器的相應(yīng)耦合性組件。應(yīng)答器則是閱讀器所需要讀取的直接對象，實(shí)現(xiàn)了信息及數(shù)據(jù)的傳輸及接收，主要組件包括芯片與天線。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要是為了實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)及管理，由諸多小型的數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，借助網(wǎng)絡(luò)連接閱讀器，獲取其所捕捉的應(yīng)答器有關(guān)數(shù)據(jù)信息。

2.2 射頻識別系統(tǒng)的特點(diǎn)

RFID系統(tǒng)在運(yùn)用中，針對不同的工作方式，可以將系統(tǒng)劃分為3種，包括全雙工系統(tǒng)、半雙工系統(tǒng)以及時(shí)序系統(tǒng)。在實(shí)現(xiàn)全雙工系統(tǒng)的運(yùn)行中，可以借助分諧波或者相對獨(dú)立存在的非諧波頻率。半雙工系統(tǒng)運(yùn)行中，閱讀器所能夠接收到的數(shù)據(jù)及信息都是交替實(shí)現(xiàn)的。對于全雙工及半雙工系統(tǒng)而言，閱讀器至應(yīng)答器之間所實(shí)現(xiàn)的能量傳輸都是無關(guān)于數(shù)據(jù)的傳輸方向的。根據(jù)RFID的系統(tǒng)頻率、作用距離情況，也可以將該系統(tǒng)劃分為密耦合系統(tǒng)、遙耦合系統(tǒng)以及遠(yuǎn)距離系統(tǒng)。

3 應(yīng)答器天線的設(shè)計(jì)與仿真分析

3.1 BTM天線的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)BTM天線中，應(yīng)先確定天線參數(shù)，從而保證天線的性能確保通信系統(tǒng)質(zhì)量。在設(shè)計(jì)BTM天線時(shí)，應(yīng)當(dāng)密切考慮天線的大小及形狀、電氣性能。車載BTM天線在具體的工作過程中，應(yīng)考慮線圈回路附近沿軸向距離的磁場強(qiáng)度、天線銅片的寬度及電感之間關(guān)系，并且確定天線的Q值。經(jīng)過有關(guān)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，當(dāng)天線的線圈距離較小的情況下，磁場強(qiáng)度無明顯變化；在距離為0的情況下，兩張較小天線的磁場強(qiáng)度明顯高于較大天線；而處于較遠(yuǎn)距離的情況下，較大天線磁場強(qiáng)度明顯高于較小天線。通過考慮天線的電感量合適度發(fā)現(xiàn)，銅片的合適寬度應(yīng)為2 cm，因此，借助公式可計(jì)算得出天線的電感數(shù)值L=489.6 nH。對于天線Q值的確定，如果實(shí)際運(yùn)用中Q值大小不符合有關(guān)應(yīng)用要求，可以通過借助對并聯(lián)電阻加以改變，實(shí)現(xiàn)對電路Q值的改變。

3.2 應(yīng)答器天線的設(shè)計(jì)與仿真

無線模型的設(shè)計(jì)參數(shù)具體為30 cm×20 cm，銅片寬度在2 cm，厚度在0.2 mm，環(huán)形天線的長邊部位，存在一個(gè)長度為1 cm的缺口，其主要作用是實(shí)現(xiàn)對諧振頻率的電容加以調(diào)整，還能夠完成對天線Q值的調(diào)整。除此之外，通過采用50 Ω的同軸電纜實(shí)現(xiàn)天線饋電，應(yīng)答器天線的設(shè)計(jì)仿真模型。在對電磁場的仿真中，確保結(jié)果的準(zhǔn)確性，通常需要在每一個(gè)波長選擇超出10個(gè)的網(wǎng)格點(diǎn)。在設(shè)計(jì)網(wǎng)格時(shí)，需要注意波長的劃分點(diǎn)數(shù)、結(jié)構(gòu)限度之上的最小網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)、網(wǎng)格最大及最小之比限制、加密PEC邊緣。

4 結(jié)束語

本次研究通過針對高速鐵路應(yīng)答器系統(tǒng)的電磁特性展開分析，借助車載BTM天線及地面應(yīng)答器天線之間完成信號頻率的傳遞，借助電容匹配法，實(shí)現(xiàn)了天線的輸入阻抗能夠匹配軸電纜的輸出阻抗數(shù)值。設(shè)計(jì)仿真模型時(shí)發(fā)現(xiàn)在高速運(yùn)行的情況下，車載BTM天線及地面應(yīng)答器天線之間會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，研究了天線所接收型號的影響，為我國高速鐵路的應(yīng)答器系統(tǒng)有關(guān)研究進(jìn)一步明確了具體的研究思路，起到了一定的輔助作用。

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