車載BTM天線電磁干擾耦合規(guī)律研究

宋 微，林 凱，黃植卓

0 引言

車載BTM天線是應(yīng)答器系統(tǒng)的重要組成部分，承擔(dān)著下行鏈路射頻能量的發(fā)送及上行鏈路信號的接收。車載BTM天線安裝于列車底部，通過電磁耦合技術(shù)與地面應(yīng)答器天線進行能量、數(shù)據(jù)傳輸。

在高速鐵路實際運行過程中，車載BTM天線所處的車底電磁環(huán)境十分復(fù)雜。在車載BTM天線與地面應(yīng)答器進行信號傳輸過程中，電磁環(huán)境的突變、列車上電力系統(tǒng)的操作均可能對車載BTM天線造成電磁干擾，輕則引起報文信息的丟失，重則造成動車列控系統(tǒng)的誤操作。

目前，國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究主要聚焦在應(yīng)答器系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)優(yōu)化、應(yīng)答器天線的電磁傳輸性能、車載BTM設(shè)備的電磁干擾分析和干擾防護等方面。文獻[1，2]對應(yīng)答器信號傳輸系統(tǒng)進行建模，研究了應(yīng)答器系統(tǒng)的工作機理。文獻[3，4]通過仿真分析，提出了綜合評價應(yīng)答器天線電磁傳輸性能的3項指標，利用粒子群優(yōu)化算法，研究得到不同天線周長下的最優(yōu)長寬比，優(yōu)化天線尺寸，達到改善天線傳輸性能的目的。文獻[5]提出了動車組牽引系統(tǒng)中的共模電流和以及受電弓與懸鏈線之間的接觸不連續(xù)所產(chǎn)生的電磁場會對應(yīng)答器系統(tǒng)產(chǎn)生干擾的觀點。文獻[6，7]利用仿真軟件對列車過分相時牽引變壓器產(chǎn)生的激磁涌流進行分析，并通過FEKO軟件進行了對應(yīng)答器上行鏈路信號干擾的仿真分析，研究了激磁涌流的高頻信號對應(yīng)答器的干擾情況。文獻[8]仿真研究了浪涌信號對車載天線單元性能的影響。

從以上研究可以看出，車載BTM天線的電磁干擾主要來自應(yīng)答器系統(tǒng)所處的復(fù)雜空間電磁環(huán)境、內(nèi)部多天線之間的互耦、車載電力系統(tǒng)瞬態(tài)操作產(chǎn)生的脈沖干擾等方面。本文著重對動車組運行過程中各種瞬態(tài)操作產(chǎn)生的典型脈沖干擾進行分析，通過理論分析與仿真建模相結(jié)合，建立車載BTM天線的電磁干擾模型，進而分析其電磁干擾耦合規(guī)律，為車載BTM天線的電磁干擾防護提供參考建議。

1 應(yīng)答器系統(tǒng)工作原理

1.1 應(yīng)答器系統(tǒng)的構(gòu)成

應(yīng)答器系統(tǒng)由地面設(shè)備與車載BTM設(shè)備兩部分構(gòu)成，地面設(shè)備由地面應(yīng)答器與地面電子單元（LEU）組成。地面應(yīng)答器是一種高速數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，可以提供諸如位置坐標、彎道半徑、坡度、限速條件等關(guān)鍵信息，為高速列車的安全行駛提供重要保障[9]。LEU是一種數(shù)據(jù)處理單元，一般與有源應(yīng)答器連接，實現(xiàn)對應(yīng)答器傳輸報文信息的更改。

車載BTM設(shè)備包括車載天線單元與應(yīng)答器傳輸模塊。車載天線單元由射頻能量發(fā)射天線與信號接收天線兩部分構(gòu)成，其中射頻能量發(fā)射天線可向地面應(yīng)答器發(fā)射射頻能量用以激活地面應(yīng)答器，信號接收天線用于接收地面應(yīng)答器傳送的報文信息。

1.2 應(yīng)答器系統(tǒng)工作原理

應(yīng)答器系統(tǒng)是一種基于電磁耦合機理工作的信號傳輸系統(tǒng)，其工作過程包括下行鏈路與上行鏈路兩部分。應(yīng)答器數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 應(yīng)答器數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)

應(yīng)答器的下行鏈路過程指的是車載BTM天線向地面發(fā)射高頻能量載波激活地面應(yīng)答器的過程。射頻能量發(fā)射天線向空間發(fā)射頻率為27.095 MHz的高頻交變磁場，當列車經(jīng)過地面應(yīng)答器時，地面應(yīng)答器天線中會產(chǎn)生變化的磁通量，此時天線中產(chǎn)生感應(yīng)電流激活地面應(yīng)答器。地面應(yīng)答器將該感應(yīng)電流作為工作電源，其上行鏈路信號發(fā)射天線產(chǎn)生中心頻率為4.234 MHz的FSK信號，車載信號接收天線接收到該信號后送入應(yīng)答器傳輸模塊進行信號處理，然后將信息傳輸給列控設(shè)備。

2 應(yīng)答器上行鏈路系統(tǒng)建模

根據(jù)車載BTM天線的相關(guān)技術(shù)規(guī)范，本文設(shè)定上行鏈路信號接收天線材料為銅，天線尺寸為400 mm×260 mm，天線截面尺寸為20 mm×2 mm。首先根據(jù)設(shè)定的尺寸進行模型的搭建，天線的三維模型如圖2所示。在天線長邊處開一個10 mm的缺口用于添加調(diào)諧電容與對應(yīng)的匹配電路，天線采用離散端口饋電，采用電容匹配法[10]對天線進行調(diào)諧與阻抗匹配，其等效電路如圖3所示。

圖2 上行鏈路信號接收天線

圖3 電容匹配法等效電路

根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范將天線調(diào)諧在4.234 MHz，要求其?10 dB帶寬內(nèi)涵蓋4.512和3.948 MHz兩個載波頻率，且在4.234 MHz頻率處電壓駐波比（Voltage Standing Wave Ratio）VSWR＜1.5。根據(jù)互易定理，上行鏈路信號發(fā)射天線的技術(shù)參數(shù)與車載信號接收天線一致即可，兩天線之間垂直距離為350 mm。

為了貼近實際情況，在應(yīng)答器上行鏈路信號傳輸系統(tǒng)加入鋼軌與枕木模型，鋼軌為簡化“工”字形，長度設(shè)定為5 m，軌距為1 435 mm，地面應(yīng)答器天線平面距離鋼軌上軌面96 mm。枕木簡化為長方形模型，材料為混凝土，尺寸為2 500 mm×200 mm×160 mm，兩段枕木間距為600 mm。兩天線與軌道之間的空間位置關(guān)系如圖4所示。

圖4 鋼軌與應(yīng)答器上行鏈路系統(tǒng)

3 電磁干擾源分析

在列車運行過程中，電磁環(huán)境的劇變、電力系統(tǒng)的瞬態(tài)操作會產(chǎn)生高頻瞬態(tài)脈沖干擾信號，這些瞬態(tài)脈沖干擾信號可以通過輻射在車載BTM天線端口產(chǎn)生耦合干擾電流，當該耦合電流幅值大于信號接收限值時，會對車載BTM天線與地面應(yīng)答器之間的正常通信產(chǎn)生影響。

常見的脈沖性電磁干擾有浪涌（Surge）、電快速脈沖群（EFT）及靜電放電（ESD）干擾。

脈沖性干擾信號可以用雙指數(shù)函數(shù)表示：

式中：V0為峰值因子；K為信號的歸一化系數(shù)；α為信號波前校正系數(shù)，β為信號波后校正系數(shù)，α和β主要影響了波形的上升沿和下降沿。

通過調(diào)整相關(guān)技術(shù)參數(shù)可以實現(xiàn)對具體信號的定性研究，表1給出了3種典型脈沖干擾信號的雙指數(shù)函數(shù)參數(shù)。

表1 雙指數(shù)函數(shù)參數(shù)

對式（1）進行傅里葉變換可以得到雙指數(shù)函數(shù)的幅頻表達式：

式中：j為虛數(shù)單位，w為角頻率。根據(jù)式（2）得到典型脈沖干擾信號的幅頻曲線見圖5。

從函數(shù)的幅頻特性曲線來看，3種脈沖干擾信號的頻譜在低頻段均具有均勻分布的特點，當頻率大于某個值后，信號頻譜幅度急劇衰減，衰減曲線出現(xiàn)2個基本拐點。

對比3種脈沖干擾信號的幅頻特性曲線拐點值可知，Surge信號的能量主要分布在頻率低于3.2 kHz的低頻段，而EFT信號與ESD信號具有較多的高頻分量。

圖5 脈沖干擾信號的幅頻特性

對于車載BTM天線，干擾主要產(chǎn)生于信號在其通信頻帶內(nèi)的能量分布。

根據(jù)式（2）和帕斯瓦爾定律可以求出各信號在頻段（f1，f2）內(nèi)的能量占總能量的比例Pi：

計算得到各信號在車載BTM天線通信頻段內(nèi)的能量分布如表2所示。

表2 通信頻段內(nèi)能量占比

由表2知，脈沖干擾信號主要影響應(yīng)答器系統(tǒng)的上行鏈路通信過程，Surge信號在高頻段的能量分布極小，對車載BTM天線造成的電磁干擾較小。EFT信號與ESD信號在車載BTM天線的通信頻段內(nèi)具有較大的能量分布，可能會對其通信過程造成較大的電磁干擾。

4 電磁干擾耦合規(guī)律研究

當脈沖干擾信號通過輻射耦合對天線產(chǎn)生電磁干擾時，干擾源在遠場具有平面波的特性。將脈沖干擾信號以平面波的形式加入到應(yīng)答器上行鏈路系統(tǒng)模型作為干擾源，仿真計算脈沖干擾信號類型、極化角度、入射角度變化時車載BTM天線端口的耦合電流變化情況，進而研究其電磁干擾耦合規(guī)律。

4.1 信號類型的影響

將3種脈沖干擾信號以平面波的形式加入到模型作為干擾源，設(shè)置信號為水平極化（電場方向與地面平行），入射方向為x軸正向，同時設(shè)置脈沖干擾信號的幅值為50 kV/m。仿真得到不同類型脈沖干擾信號影響下，車載BTM天線端口耦合電流峰值如表3所示，耦合電流波形如圖6所示。

表3 車載BTM天線端口耦合電流峰值 A

圖6 車載BTM天線端口耦合電流波形

對比3種脈沖干擾信號作用下車載BTM天線端口耦合電流峰值情況可知，在EFT信號的干擾下，車載BTM天線端口耦合電流峰值最大，達到29.267 A，其次為ESD信號，高達27.405 A，而在Surge信號干擾下的耦合電流值僅為幾毫安。

在《歐洲應(yīng)答器》對應(yīng)答器I/O特性的描述中介紹到，應(yīng)答器上行鏈路信號幅值最大為125 mA，最小值為25 mA。在EFT信號和ESD信號的干擾下，車載BTM天線端口的耦合電流值遠大于上行鏈路信號幅度閾值，因而會對車載BTM天線的正常工作產(chǎn)生較大的電磁干擾，而Surge信號通過輻射耦合對車載BTM天線造成的干擾則較小。

4.2 極化角度的影響

入射脈沖干擾信號的極化角度會對車載BTM天線上耦合電流的大小產(chǎn)生影響，定義入射信號的電場矢量與入射平面的夾角為極化角。以EFT信號為例，將其入射方向設(shè)置為x軸正向，信號幅值為50 kV/m，其極化角度以15°為間隔，從0°變化到90°，仿真計算得到車載BTM天線端口耦合電流峰值的變化規(guī)律如圖7所示。

圖7 耦合電流峰值隨極化角度變化規(guī)律

由圖7可以看出，車載BTM天線端口耦合電流峰值隨極化角度變大而增大。在極化角度為90°時，耦合電流峰值達到最大，此時對應(yīng)信號的水平極化，說明水平極化的脈沖干擾信號對車載BTM天線的輻射干擾遠大于垂直極化。在車載BTM天線的實際使用時，應(yīng)注重對水平極化的脈沖干擾信號的輻射傳導(dǎo)干擾進行防護。

4.3 入射角度的影響

脈沖干擾信號對車載BTM天線造成電磁干擾，其入射角度是影響車載BTM天線端口耦合電流的另外一個重要因素，入射角度包含了俯仰角和方位角。本節(jié)將以垂直極化與水平極化的EFT信號為例，研究不同俯仰角、不同方位角下的脈沖干擾信號對車載BTM天線的干擾情況。

4.3.1 俯仰角的影響

為了研究入射脈沖干擾信號的俯仰角與車載BTM天線端口耦合電流的關(guān)系，設(shè)定脈沖干擾信號的入射平面在X-Z平面內(nèi)，俯仰角（入射方向與z軸正向的夾角）以15°為間隔，從90°變化到180°，仿真計算得到在垂直極化（電場矢量垂直入射平面）脈沖干擾信號影響下車載BTM天線端口耦合電流峰值隨俯仰角的變化規(guī)律如圖8。

圖8 垂直極化脈沖干擾下耦合電流峰值隨俯仰角變化

對于垂直極化的脈沖干擾信號，隨著俯仰角的增大，車載BTM天線端口的耦合電流峰值呈現(xiàn)減小的趨勢。

圖9為車載BTM天線在phi= 0°的遠場方向圖。觀察可知，俯仰角為90°時脈沖干擾信號的入射方向在方向圖的主瓣方向，此時車載BTM天線端口的耦合電流達到最大值。從車載BTM天線電磁干擾防護的角度來看，對于垂直極化的脈沖干擾信號，應(yīng)注重對俯仰角為90°的入射信號即水平方向上干擾信號的防護。

圖9 車載BTM天線在phi = 0°的遠場方向圖

在水平極化（電場矢量在入射平面內(nèi)）脈沖干擾信號影響下，車載BTM天線端口耦合電流峰值隨俯仰角的變化規(guī)律如圖10所示。

圖10 水平極化脈沖干擾下耦合電流峰值隨俯仰角變化

對于水平極化的脈沖干擾信號，隨俯仰角的增大，車載BTM天線端口耦合電流峰值呈現(xiàn)增大的趨勢。從車載BTM天線電磁干擾防護的角度來看，對于水平極化的脈沖干擾信號，應(yīng)注重對俯仰角大于90°的入射信號即來自車底騷擾信號的防護。

4.3.2 方位角的影響

為了研究入射脈沖干擾信號的方位角與車載BTM天線端口耦合電流的關(guān)系，設(shè)定脈沖干擾信號的入射平面在X-Y平面內(nèi)，方位角（入射方向與x軸正向的夾角）以15°為間隔，從0°變化到90°，仿真計算得到在垂直極化（電場矢量垂直地面）脈沖干擾信號影響下，車載BTM天線端口耦合電流峰值隨方位角的變化規(guī)律如圖11所示。

圖11 垂直極化脈沖干擾下耦合電流峰值隨方位角變化

可以看出：對于垂直極化的脈沖干擾信號，在方位角為0°時，車載BTM天線端口的耦合電流峰值最小，僅為0.004 7 A；在方位角為90°時，耦合電流峰值達到最大，為0.666 2 A，該值已遠超過應(yīng)答器上行鏈路信號幅值的最大值，會影響車載BTM天線的正常通信。

隨著方位角的增大，車載BTM天線端口耦合電流峰值呈現(xiàn)增大的趨勢，從車載BTM天線的電磁干擾防護的角度來看，對于垂直極化的脈沖干擾信號，應(yīng)注意其在方位角為90°方向即列車行駛方向上對車載BTM天線的干擾。

對于水平極化的脈沖干擾信號，仍然保持入射平面在X-Y平面內(nèi)不變，方位角以15°的間隔從0°變化到90°，仿真計算得到車載BTM天線端口耦合電流峰值隨方位角的變化規(guī)律如圖12所示。

圖12 水平極化脈沖干擾下耦合電流峰值隨方位角變化

隨著方位角的增大，車載BTM天線端口耦合電流峰值整體呈現(xiàn)減小的趨勢。從車載BTM天線的電磁干擾防護的角度，對于水平極化的脈沖干擾信號，應(yīng)注意其在方位角為0°即列車兩側(cè)方向上對車載BTM天線的干擾。在方位角為75°時，擬合曲線出現(xiàn)1個疑似耦合電流最小值的波谷，其是由于采樣點數(shù)較少、采用3次擬合造成的。實際上在方位角大于60°時，耦合電流值呈現(xiàn)穩(wěn)定的緩慢地下降，在增加采樣點數(shù)后可消除該誤差。

圖13為車載BTM天線在Theta= 90°的遠場方向圖，Theta= 90°對應(yīng)X-Y平面。觀察可知，在X-Y平面內(nèi)，車載BTM天線的方向圖呈現(xiàn)對稱性，其主瓣方向在Phi= 0°，即X軸正向。因此對于水平極化的脈沖干擾信號而言，當其入射方向與車載BTM天線的主瓣方向一致時，對車載BTM天線的電磁干擾最大。

圖13 車載BTM天線在Theta = 90°的遠場方向圖

5 結(jié)論

本文著重研究了3種典型脈沖干擾信號對車載BTM天線的電磁干擾。首先對應(yīng)答器上行鏈路系統(tǒng)進行仿真建模分析，根據(jù)典型脈沖干擾信號的數(shù)學(xué)模型對其進行時域、頻域、能量分布分析，研究了典型脈沖干擾信號對車載BTM天線的帶內(nèi)干擾情況。研究結(jié)果表明，電快速脈沖群與靜電放電脈沖在車載BTM天線的通信頻段內(nèi)具有較高的能量分布，會對車載BTM天線帶來較大的電磁干擾，而浪涌信號對車載BTM天線的電磁干擾較小。

將3種典型脈沖干擾信號以平面波的形式添加到上述模型中，仿真計算了脈沖干擾信號的類型、極化角度、入射角度等因素變化時，車載BTM天線端口的耦合電流變化情況。研究表明，水平極化的脈沖干擾信號對車載BTM天線造成的電磁干擾遠大于垂直極化，且當其入射方向與車載BTM天線主瓣方向一致時對車載BTM天線的影響最大，在車載BTM天線的電磁干擾防護方面，應(yīng)著重對水平極化的入射方向在車載BTM天線主瓣方向的干擾信號進行防護。