車載應(yīng)答器編程天線建模及優(yōu)化研究

朱林富, 趙會(huì)兵 , 梁 迪,2

(1. 北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044；2. 北京交通大學(xué) 軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044)

應(yīng)答器信息傳輸系統(tǒng)是車地之間信息傳輸?shù)囊环N解決方案[1-3]。應(yīng)答器報(bào)文包括移動(dòng)授權(quán)、軌道數(shù)據(jù)等，需要提前寫入應(yīng)答器中[4]。為了確認(rèn)應(yīng)答器工作正常，需要有一種能夠讀取、寫入應(yīng)答器報(bào)文的設(shè)備[5]，應(yīng)答器編程可實(shí)現(xiàn)寫入報(bào)文。

目前，應(yīng)答器編程都是使用便攜式應(yīng)答器編程設(shè)備人工操作完成。新線安裝的應(yīng)答器，需要在倉(cāng)庫(kù)內(nèi)提前寫入報(bào)文或安裝后現(xiàn)場(chǎng)寫入。在線路信息改變或新安裝應(yīng)答器報(bào)文有誤時(shí)，應(yīng)答器內(nèi)部的報(bào)文需要在現(xiàn)場(chǎng)重新寫入。人工操作效率低下，工作環(huán)境艱苦，常帶來(lái)諸多問(wèn)題。例如特定的報(bào)文沒(méi)有寫入對(duì)應(yīng)編號(hào)的應(yīng)答器；遺漏需要更新報(bào)文的應(yīng)答器；能夠被便攜式編程設(shè)備正確讀取報(bào)文但不能被車載BTM正確讀取，因?yàn)槎呔嚯x應(yīng)答器的高度不同。便攜式應(yīng)答器編程設(shè)備在編程過(guò)程中放置在應(yīng)答器上，如圖1所示。為了提高應(yīng)答器編程的效率，提出使用車載應(yīng)答器編程設(shè)備，編程天線集成在車載天線中，安裝有車載應(yīng)答器編程設(shè)備的維護(hù)車在通過(guò)應(yīng)答器上方時(shí)，即刻完成應(yīng)答器的報(bào)文編程，同時(shí)按照BTM接收條件進(jìn)行接收確認(rèn)。全部編程和確認(rèn)工作自動(dòng)、非接觸完成，工人不需要沿鐵路線步行改寫應(yīng)答器報(bào)文。

圖1 既有便攜式應(yīng)答器編程設(shè)備

1 車載編程設(shè)備

車載應(yīng)答器編程設(shè)備將處理控制電路與3個(gè)天線分開(kāi)放置。處理控制電路放置在車廂中，3個(gè)天線安裝在車廂底部。天線發(fā)射的電磁波不影響處理控制電路的正常工作，因此能夠增加天線發(fā)射功率，從而增加作用高度。如圖2所示，車載編程設(shè)備有4個(gè)模塊，包括射頻能量模塊、接收比較模塊、編程模塊和處理控制電路模塊。

車載應(yīng)答器編程設(shè)備需要解決的理論問(wèn)題包括近場(chǎng)感應(yīng)的能量傳輸和磁場(chǎng)分布問(wèn)題。欲達(dá)到遠(yuǎn)距離無(wú)接觸的目標(biāo)，需要確定天線形狀、天線尺寸和發(fā)射功率，分析其能量傳輸和磁場(chǎng)分布。

2 應(yīng)答器編程天線建模和仿真

應(yīng)答器編程是一種基于電磁感應(yīng)的射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)，其能量和數(shù)據(jù)的傳輸屬于近場(chǎng)感應(yīng)電感耦合。根據(jù)研究的邏輯順序，依次對(duì)天線形狀、天線尺寸、發(fā)射電流幅度、橫向偏移、抗干擾特性5個(gè)問(wèn)題進(jìn)行分析研究。

2.1 編程天線形狀

應(yīng)答器編程天線采用8字形設(shè)計(jì)，射頻能量天線采用矩形設(shè)計(jì)，這種天線間的異構(gòu)設(shè)計(jì)使得編程電路在列車正常通過(guò)時(shí)不被激活，不影響應(yīng)答器的正常安全數(shù)據(jù)傳輸。

天線的形狀決定面積，影響磁通量大小，進(jìn)而影響感應(yīng)電壓和激活距離。編程天線建模分為空間磁場(chǎng)計(jì)算和激活距離計(jì)算兩部分，具體步驟如下。

步驟1設(shè)置靜態(tài)參數(shù)，如天線邊長(zhǎng)、電流幅度、頻率、天線品質(zhì)因數(shù)Q、編程電路啟動(dòng)電壓等，其中編程電路啟動(dòng)電壓由編程芯片工作電壓確定，本文取1.8 V。

采用矩形8字形時(shí)如圖3所示，ABO′CD-EFGHO′是車載編程設(shè)備中的編程發(fā)射天線，WJOKL-UMNPO是地面應(yīng)答器中的編程接收天線，接收來(lái)自于發(fā)射天線的能量和數(shù)據(jù)。發(fā)射信號(hào)采用ASK調(diào)制，電流表達(dá)式為

I(t)=anAcos(2πfct+φ0)

( 1 )

式中：an為第n位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，值為0或1；A為載波幅度；fc為載波頻率；φ0為初始相位。

如圖3所示，應(yīng)答器編程接收天線的中心點(diǎn)O作為坐標(biāo)系原點(diǎn)，坐標(biāo)為(0,0,0)；發(fā)射天線中心點(diǎn)O′的坐標(biāo)為(x′,0,0)。兩天線邊長(zhǎng)見(jiàn)表1和表2。

表1 編程發(fā)射天線

表2 編程接收天線

步驟2根據(jù)Biot-Savart定律計(jì)算得到電流元在空間任意點(diǎn)處激發(fā)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。通有高頻電流的EF邊在編程接收天線包圍區(qū)域內(nèi)任意一點(diǎn)Q處產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度B1，電流方向如圖3中箭頭所指。Q的坐標(biāo)為(x,y,0)。線段QR垂直于EFGHO′平面，R點(diǎn)坐標(biāo)為(x,y,z)。線段RS垂直于線段EF，S點(diǎn)坐標(biāo)為(x,-l2sinβ,z)，線段RT垂直于線段QS。根據(jù)Biot-Savart定律，得到磁感應(yīng)強(qiáng)度的計(jì)算表達(dá)式[6,7]為

( 2 )

式中：d為點(diǎn)Q和線段EF之間的距離。

( 3 )

穿過(guò)線圈UMNPO的磁通量由B1的Z軸方向分量B1z決定。

( 4 )

使用相同的計(jì)算方法，可以得到其他邊在Q點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

發(fā)射天線的FG, GH, HO′, O′E, AB, AD, CD, CO′, O′B在任意點(diǎn)Q處分別產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度B2，B3，B4，B5，B6，B7，B8，B9，B10。

線圈ABO′CD和EFGHO′在Q點(diǎn)處產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度B,B的Z軸分量為Bz。

Bz=B1z+B2z+B3z+B4z+B5z+
B6z+B7z+B8z+B9z+B10z

( 5 )

步驟3積分得到通過(guò)接收天線的磁通量。線圈UMNPO分成兩部分，包括三角形POU和矩形UMNP。穿過(guò)線圈UMNPO的磁通量Φ1為

( 6 )

線圈WJOKL分成兩部分，包括三角形KOJ和矩形WJKL。穿過(guò)線圈WJOKL的磁通量Φ2為

( 7 )

(a)感應(yīng)電壓

(b)簡(jiǎn)化的連接關(guān)系圖4 編程接收天線的感應(yīng)電壓

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，得到感應(yīng)電壓的表達(dá)式為

( 8 )

( 9 )

Uinductive=U1inductive+U2inductive

(10)

Uoutput=Q·Uinductive

(11)

當(dāng)θ角和β角都為90°時(shí)，發(fā)射天線和接收天線可以分別簡(jiǎn)化為兩個(gè)矩形線圈的串聯(lián)。

步驟5感應(yīng)電壓大于激活電壓閾值時(shí)，編程電路被激活，據(jù)此計(jì)算激活距離。

下文以實(shí)際案例對(duì)建模方法進(jìn)行驗(yàn)證。變量取值見(jiàn)表3，生成感應(yīng)電壓如圖5所示，激活距離be為0.649 6 m。

表3 變量取值

圖5 矩形8字形天線輸出電壓

8字形天線采用圓形，如圖6所示。采用建模步驟1～步驟5進(jìn)行分析，過(guò)程同上述矩形8字形天線，區(qū)別在于對(duì)圓面積進(jìn)行積分計(jì)算磁通量。與矩形8字形天線占用相同安裝面積，發(fā)射天線圓半徑為0.15 m；與矩形8字形接收天線占用相同安裝面積，接收天線半徑為0.03 m。圓8字形天線輸出電壓如圖7所示，大于閾值電壓1.8 V的范圍分別是：(a,b)為(-0.665 5,-0.346 4)，(c,d)為(-0.252 4,0.252 4), (e,f)為(0.346 4, 0.665 5)。(a,b)和(e,f)是旁瓣內(nèi)的激活距離，由于編程時(shí)僅使用主瓣內(nèi)的能量和數(shù)據(jù)，所以(a,b)和(e,f)舍棄。(c,d)距離為0.504 8 m，即圓8字形天線的激活距離為0.504 8 m。占用相同安裝面積的條件下，矩形8字形天線的激活距離為0.649 6 m，大于圓8字形天線，因此天線形狀優(yōu)先選擇矩形8字形。

圖6 圓8字形天線

圖7 圓8字形天線輸出電壓

2.2 編程天線尺寸

按照建模步驟，分別進(jìn)行步驟1～步驟5，與2.1節(jié)不同在于，需要設(shè)置不同的天線邊長(zhǎng)，以便進(jìn)行比較。

在仿真中，變量取值見(jiàn)表3，邊長(zhǎng)取值見(jiàn)表4，編程發(fā)射天線根據(jù)邊長(zhǎng)大小，分為“小”、“中”、“大”3種類型。編程接收天線的輸出電壓如圖8所示，x′為編程發(fā)射天線中心點(diǎn)O′的X軸坐標(biāo)。應(yīng)答器編程電路的激活閾值電壓為1.8 V，在圖8中標(biāo)記為U1。 “中”型天線在be范圍(-0.324 8,0.324 8)內(nèi)，應(yīng)答器編程電路能夠被激活，激活距離為0.649 6 m。當(dāng)安裝有車載編程設(shè)備的維護(hù)車停在范圍(-0.324 8,0.324 8)內(nèi)時(shí)，編程電路能夠被激活。 “大”型天線的激活距離af為0.808 8 m。對(duì)于“小”型天線，c是-0.183 2 m，d是0.183 2 m，但范圍(-0.183 2,0.183 2)的中間部分低于1.8 V，在低于1.8 V時(shí)，編程電路不能被激活，激活距離小于0.366 4 m。從圖8可以看出，隨著編程發(fā)射天線邊長(zhǎng)的增加，應(yīng)答器編程電路的激活距離也在增加。 “中”型和“大”型發(fā)射天線都能滿足能量需求，但“大”型天線會(huì)占用較多車體空間，造成安裝和維護(hù)的不便。在滿足需求的前提下，優(yōu)先選擇體積緊湊的“中”型天線。

表4 發(fā)射天線邊長(zhǎng) m

圖8 接收天線輸出電壓隨發(fā)射天線邊長(zhǎng)變化曲線

2.3 發(fā)射天線電流幅度

按照建模步驟1～步驟5,計(jì)算感應(yīng)電壓和激活距離。與2.1節(jié)不同在于，需要設(shè)置不同的發(fā)射電流幅度，以便進(jìn)行比較。

l1,l2,l3取表4中“中”型天線的值。發(fā)射天線電流信號(hào)幅度從2 A變化到6 A，分別取值2 A、4 A、6 A，如圖9所示。電流幅度取值6 A時(shí)，g是-0.361 7 m，q是0.361 7 m，激活距離為0.723 4 m。電流幅度取值4 A時(shí)，j是-0.324 8 m，p是0.324 8 m，激活距離為0.649 6m。電流幅度取值2 A時(shí)，m是-0.247 3 m，n是0.247 3 m，在范圍(-0.247 3,0.247 3)的中間部分低于1.8 V，編程電路不能被激活。從圖9可以看出，隨著發(fā)射電流的增加，發(fā)射功率在增加，應(yīng)答器編程電路的激活距離也在增加。發(fā)射電流為4 A和6 A時(shí)，都能滿 足能量需求，從節(jié)能優(yōu)化和串?dāng)_角度考慮，選擇發(fā)射電流為4 A。

圖9 接收天線輸出電壓隨發(fā)射電流變化曲線

維護(hù)列車在為應(yīng)答器編程時(shí)，接近應(yīng)答器窗口后，降低車速，以20 km/h的速度通過(guò)應(yīng)答器。以中型矩形編程天線、發(fā)射電流4 A為例，激活距離為0.649 6 m，列車速度為20 km/h，則作用時(shí)間為117 ms。需要將1023位報(bào)文寫入應(yīng)答器，通信速率為564 kbit/s,單純計(jì)算報(bào)文寫入時(shí)間為1.81 ms，加上激活啟動(dòng)時(shí)間和報(bào)文內(nèi)容校驗(yàn)核對(duì)時(shí)間，117 ms時(shí)間足夠。

2.4 橫向偏移

由于列車在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生垂直鐵軌的橫向移動(dòng)，如果橫向偏移距離過(guò)大，無(wú)法激活編程電路，所以應(yīng)研究接收天線感應(yīng)電壓和發(fā)射天線橫向移動(dòng)距離之間的關(guān)系。

按照建模步驟1～步驟5,計(jì)算感應(yīng)電壓。與2.1節(jié)不同在于，本節(jié)只涉及感應(yīng)電壓，不涉及激活距離，因?yàn)榘l(fā)射天線只沿Y軸方向移動(dòng)，在X軸方向沒(méi)有移動(dòng)。

圖10 車載編程天線橫向偏移

圖11 接收天線輸出電壓隨橫向位移變化曲線(x′=0)

2.5 抗干擾

正常工作模式下，當(dāng)列車經(jīng)過(guò)應(yīng)答器時(shí)，BTM的矩形射頻能量發(fā)射天線向應(yīng)答器發(fā)射27.095 MHz射頻能量信號(hào)。對(duì)于應(yīng)答器的編程接收天線而言，27.095 MHz的能量信號(hào)屬于干擾。從安全性角度考慮，編程電路不能被干擾信號(hào)激活，否則內(nèi)部報(bào)文有被改寫的危險(xiǎn)。因此，本節(jié)對(duì)矩形射頻能量天線和8字形編程接收天線的感應(yīng)過(guò)程進(jìn)行研究。

按照建模步驟1～步驟5,計(jì)算感應(yīng)電壓和激活距離。與2.1節(jié)不同在于，發(fā)射天線為矩形，不需要計(jì)算激活距離，只需考慮能否被激活。

(a)感應(yīng)電壓

(b)簡(jiǎn)化電連接關(guān)系圖12 正常工作模式下編程接收天線感應(yīng)電壓

應(yīng)答器內(nèi)部的編程接收天線接收到磁場(chǎng)能量并感應(yīng)出電壓。編程接收天線的兩個(gè)線圈接收相同方向的磁場(chǎng)能量，磁場(chǎng)的變化趨勢(shì)相同，所以兩個(gè)線圈的感應(yīng)電壓方向相反。假設(shè)矩形射頻天線中的電流增加，所以磁場(chǎng)強(qiáng)度增加。根據(jù)楞次定律，下方的編程接收天線生成方向向上的感應(yīng)磁場(chǎng)阻止接收到的磁通量增加。根據(jù)右手螺旋法則，線圈WJOKL和UMNPO分別產(chǎn)生順時(shí)針?lè)较虻母袘?yīng)電流，如圖12(a)所示。編程接收天線的輸出電壓是兩個(gè)線圈感應(yīng)電壓之差，U3inductive-U4inductive>0，總電流方向如圖12(b)中箭頭所示。

射頻能量信號(hào)的頻率為27.095 MHz，幅度為0.7A。矩形天線的長(zhǎng)和寬分別是0.3 m、0.3 m。編程接收天線變量取值見(jiàn)表3。編程接收天線的感應(yīng)電壓如圖13所示，實(shí)線代表右側(cè)線圈輸出電壓，虛線代表左側(cè)線圈輸出電壓，點(diǎn)劃線代表整個(gè)編程接收天線輸出電壓。Umax為1.021 2 V，小于編程電路激活閾值電壓1.8 V，所以應(yīng)答器編程電路在正常工作模式下不被激活。

圖13 正常工作模式下編程接收天線的輸出電壓

3 優(yōu)化

天線的優(yōu)化對(duì)比項(xiàng)目見(jiàn)表5，根據(jù)以上研究?jī)?nèi)容，以激活距離作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，得到優(yōu)化結(jié)果，優(yōu)先選擇矩形8字形、4 A、中型編程天線。

表5 優(yōu)化對(duì)比項(xiàng)目

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

搭建測(cè)試平臺(tái)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證[8]，如圖14所示。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)際可獲得的元器件參數(shù)近似等于理論計(jì)算所需參數(shù)，這樣就會(huì)引入回波損耗和調(diào)諧誤差。由于實(shí)驗(yàn)室條件限制，信號(hào)發(fā)生器的輸出功率不夠大，在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，所用線纜會(huì)引入串?dāng)_誤差，所以對(duì)上述模型進(jìn)行定性分析，分析接收天線輸出電壓的變化趨勢(shì)。

圖14 測(cè)試平臺(tái)

發(fā)射天線為矩形8字形天線，8字形接收天線的輸出電壓如圖15所示。

圖15 8字天線發(fā)射8字天線接收

車載編程設(shè)備的編程發(fā)射天線采用8字形設(shè)計(jì)，產(chǎn)生相反方向的磁力線；地面應(yīng)答器的編程接收天線也采用8字形設(shè)計(jì)，兩個(gè)接收環(huán)收到相反方向的磁通量，產(chǎn)生相同方向的電流，兩個(gè)接收環(huán)的感應(yīng)電流疊加后增大，保證為編程電路提供足夠的能量。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，輸出電壓的大小由磁通量的變化率決定，磁通量為磁感應(yīng)強(qiáng)度與面積的乘積積分。磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化率由輸入信號(hào)頻率決定，滿足線性疊加原理。在輸入信號(hào)頻率和接收面積確定的情況下，不同位置疊加后的磁感應(yīng)強(qiáng)度不同，所以輸出電壓不同。圖15中，輸出電壓的最大值較小，所以兩個(gè)旁瓣較為明顯。圖5輸出電壓的最大值較大，所以兩個(gè)旁瓣不明顯。比較圖15和圖5，輸出電壓隨位移的變化趨勢(shì)一致。

將圖14測(cè)試平臺(tái)中的發(fā)射天線更換為矩形射頻發(fā)射天線，8字形接收天線的輸出電壓如圖16所示。

圖16 矩形天線發(fā)射8字天線接收

在正常工作模式中，BTM的射頻能量發(fā)射天線采用矩形設(shè)計(jì)，產(chǎn)生相同方向磁力線；地面應(yīng)答器編程接收天線的兩個(gè)環(huán)收到相同方向的磁通量，產(chǎn)生相反方向電流，能量相互抵消，編程電路不被激活，編程接收天線不影響應(yīng)答器的正常工作。比較圖16和圖13，輸出電壓隨位移的變化趨勢(shì)一致。

5 結(jié)論

車載應(yīng)答器編程設(shè)備的控制電路安裝在車廂內(nèi)，編程天線集成在車載天線中，安裝在車廂底部，其垂直作用距離滿足車載自動(dòng)化編程的要求。仿真結(jié)果顯示，當(dāng)垂直作用距離滿足自動(dòng)化車載編程時(shí)，車載編程設(shè)備能夠傳輸足夠的能量激活應(yīng)答器編程電路。編程接收天線采用8字形，在正常工作模式時(shí)不被激活，提高了安全性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模型的正確性。

本文研究的應(yīng)答器編程天線建模方法，對(duì)基于8字形天線的地鐵列車精確定位、交叉感應(yīng)環(huán)線地-車通信系統(tǒng)研究具有一定的理論價(jià)值。

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