应答器传输系统旁瓣产生机理及抑制措施研究

引用本文

梁迪, 赵会兵, 宁滨. 应答器传输系统旁瓣产生机理及抑制措施研究[J]. 北京交通大学学报, 2017,41(2): 67-71.
LIANG Di, ZHAO Huibing, NING Bin. Research on side lobe generation mechanism and suppression methods of Balise transmission system[J]. JOURNAL OF BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY, 2017,41(2): 67-71.
Doi:10.11860/j.issn.1673-0291.2017.02.011 复制到剪切板

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应答器传输系统旁瓣产生机理及抑制措施研究

梁迪¹, 赵会兵², 宁滨¹

1.北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室,北京 100044

2.北京交大思诺科技股份有限公司,北京 102206

通讯作者:宁滨(1959—),男,山西稷山人,教授,博士,博士生导师.email:bning@bjtu.edu.cn.

第一作者:梁迪(1986—),男,山西运城人,博士生.研究方向为列控系统关键技术.email:09111012@bjtu.edu.cn.

收稿日期: 2017-01-05

基金: 国家自然科学基金(61603026); 广西重点研发计划项目(桂科AB16380280)

摘要

旁瓣抑制是应答器传输系统在工程应用中存在的典型问题.基于应答器传输系统相关电磁理论模型,从理论层面分析了旁瓣问题的产生机理,探讨了应答器I/O特性、安装方式、安装高度和应答器传输模块(BTM)接收门限等因素对旁瓣的影响,给出了旁瓣抑制措施的相关建议,相关分析方法和研究成果对于应答器系统的优化设计和工程实践具有一定的指导意义.

关键词: 应答器; 旁瓣抑制; 电磁理论; I/O特性

中图分类号:U283 文献标志码:A 文章编号:1673-0291(2017)02-0067-05

Research on side lobe generation mechanism and suppression methods of Balise transmission system

LIANG Di¹, ZHAO Huibing², NING Bin¹

1.State Key Lab of Rail Traffic Control & Safety,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China;

2.Beijing Jiaoda Signal Technology Co.,Ltd.,Beijing 102206,China

Fund:National Natural Science Foundation of China(61603026); Guangxi Key Project of Research and Development (Grant No. Guike AB16380280)

Abstract

The side lobe problem is a typical problem in engineering application of Balise Transmission System (BTS). Side lobe generation mechanism is analyzed based on the electromagnetic theoretical models of BTS. The influences of several factors on side lobe performance, such as Balise I/O feature, mounting modes, mounting heights and Balise Transmission Module (BTM) receiving threshold are discussed. Some suggestions for side lobe suppression methods are given. Related analysis methods and research findings have certain guiding significances to system optimization and engineering application of BTSs.

Keyword: Balise; side lobe suppression; electromagnetic theory; I/O characteristics

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应答器传输系统目前已在我国多条客运专线上得到应用, 全路应用数量超过2万套.旁瓣问题是目前应答器传输系统在工程应用中存在的典型问题, 其会影响BTM对报文信息、定位信息的解析, 严重时会出现“ 丢点” 现象^[1], 相关规范规定进出站报文丢失或连续丢失两条报文的情况下会造成列车最大常用制动, 这将严重影响列车的运行效率.相关从业人员已做了一些研究并提出了一些解决方法, 例如:

文献[1]通过实验室静态测试, 总结出应答器与BTM天线间的高度在350 mm以上时不会产生旁瓣.文献[2]将试验列车上车地天线间的高度由270~280 mm调整到295~305 mm后, “ 丢点” 现象大幅降低.文献[3]同样通过调整应答器安装高度减少了“ 丢点” 次数.以上研究更多是从试验测试、工程实践的角度着手, 并未从理论层面做全面深入的分析.文献[4]建立了应答器传输系统的相关理论模型, 并分析了安装高度、横向偏移等对系统作用距离的影响, 但并未对旁瓣问题的产生机理及抑制措施做详细阐述.

本文作者基于应答器传输系统相关理论模型, 从本质上分析了旁瓣问题的产生机理, 从理论上定性、定量分析了应答器I/O特性、应答器安装方式、车地天线间安装高度和BTM门限等因素对旁瓣的影响, 并给出了一些抑制旁瓣的措施及建议.

1 应答器区域划分

应答器周围区域可划分为接触区、旁瓣区和串扰区3个部分^[5].

接触区是应答器传输系统的有效工作区域, 此区域内BTM能够正常接收、处理来自应答器的上行链路数据; 旁瓣区是接触区两侧的区域, 在此区域内应答器可能会被BTM天线激活, BTM天线也可能会接收到来自该区域的上行链路信号.由于来自旁瓣区和接触区的信号不连续, 旁瓣信号会影响BTM的解码速率和解码逻辑, 严重时会导致报文解析失败, 发生“ 丢点” 现象, 在工程运用中是不期望出现、应被抑制的区域; 串扰区是旁瓣区两侧更靠外的区域, 同样是应被抑制的区域, 需做好串扰防护工作.

2 旁瓣产生机理

应答器传输系统是一种基于电感耦合的车-地无线通信系统, BTM天线与应答器天线一般为矩形和电小环天线.在如图1所示的三维直角坐标系中, $P (x, y, z)$ 为天线附近区域内任意一点, $ABCD$ 为天线.利用毕奥-萨伐尔定律可推导出天线周围的磁感应强度分布^[4], 考虑到列车运行方向, 此处只需给出其竖直分量 $B_{z},$ 见下式

$\begin{array}{l} B_{z} = \frac{μ_{0} I (l_{2} + y)}{4 π [(l_{2} {+ y)}^{2} + z^{2}]} [\frac{l_{1} + x}{\sqrt[]{(l_{1} {+ x)}^{2} + (l_{2} {+ y)}^{2} + z^{2}}} + \frac{l_{1} - x}{\sqrt[]{(l_{1} {- x)}^{2} + (l_{2} {+ y)}^{2} + z^{2}}}] + \\ \frac{μ_{0} I (l_{2} - y)}{4 π [(l_{2} {- y)}^{2} + z^{2}]} [\frac{l_{1} + x}{\sqrt[]{(l_{1} {- x)}^{2} + (l_{2} {- y)}^{2} + z^{2}}} + \frac{l_{1} + x}{\sqrt[]{(l_{1} {+ x)}^{2} + (l_{2} {- y)}^{2} + z^{2}}}] + \\ \frac{μ_{0} I (l_{1} - x)}{4 π [(l_{1} {- x)}^{2} + z^{2}]} [\frac{l_{2} + y}{\sqrt[]{(l_{1} {- x)}^{2} + (l_{2} {+ y)}^{2} + z^{2}}} + \frac{l_{2} - y}{\sqrt[]{(l_{1} {- x)}^{2} + (l_{2} {- y)}^{2} + z^{2}}}] + \\ \frac{μ_{0} I (l_{1} + x)}{4 π [(l_{1} {+ x)}^{2} + z^{2}]} [\frac{l_{2} - y}{\sqrt[]{(l_{1} {+ x)}^{2} + (l_{2} {- y)}^{2} + z^{2}}} + \frac{l_{2} + y}{\sqrt[]{(l_{1} {+ x)}^{2} + (l_{2} {+ y)}^{2} + z^{2}}}] \end{array} (1)$

式中: $μ_{0} 为真空磁导率; I 为天线通过的电流; l_{1} = AB / 2; l_{2} = BC / 2 .$

选取天线上方某一平面, 如 $z$ =220 mm, 绘出该平面上的磁感应强度分布图, 如图2所示.可以看到, 在 $z$ =220 mm平面的中心位置磁感应强度最大, 随着离开中心的距离逐渐增大, 磁感应强度逐渐降低, 但再继续外扩时, 磁感应强度反而会有所提升, 中心区域周围凸起的部分是主瓣部分(接触区), 靠外的一圈有轻微凸起的部分为旁瓣部分.

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	图1 天线磁感应强度计算示意图Fig.1 Schematic diagram for Magnetic Induction Intensity Distribution (MIID)

产生旁瓣的根本原因是由(环/矩形)天线磁场分布特性决定的, 很难从根源上彻底消除旁瓣, 只能在设备开发和工程应用中采取适当措施尽量降低旁瓣的危害.

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	图2 天线上方z=220 mm平面内的磁感应强度分布Fig.2 MIID at $z$ =220 mm

3 旁瓣影响因素分析

从应答器传输系统的工作过程来看, BTM通过天线发送27.095 MHz射频能量信号用于激活应答器, 应答器被激活后向BTM天线持续发送上行链路信号直至电能消失.若应答器在旁瓣区未被激活, 自然就不会在该区域内向上发送上行链路信号, BTM也就不会接收到旁瓣信号, 所以解决旁瓣问题的关键是阻止应答器在旁瓣区被激活.

应答器是否会在旁瓣区被激活取决于在该区域内应答器天线接收到的27.095 MHz射频能量信号磁通量是否超过应答器的启动磁通量.射频能量信号磁通量跟应答器的安装方式(横向或纵向)、车地天线安装高度有关, 启动磁通量则跟应答器I/O特性有关.另外, 若应答器已然在旁瓣区被激活, 还可以通过调整BTM的门限电压来做抑制措施.其中, 应答器的横向、纵向安装分别指应答器在安装时, 较长的一边垂直或平行于钢轨.

3.1 应答器I/O特性对旁瓣的影响分析

应答器I/O特性是指应答器发出的上行链路信号强度与接收的射频能量磁通量的关系.相关规范^{[5, 6]}给出了应答器I/O特性曲线, 见图3.

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	图3 应答器I/O特性曲线Fig.3 Balise I/O feature curves

图3中, 最强、最弱应答器I/O特性曲线是规范定义的两条理论曲线, 实际应答器曲线应介于二者之间^{[5, 6]}. $Ф_{d_{1}} 、 Ф_{d_{2}}$ 分别为最弱应答器的启动磁通量和饱和状态时的磁通量; $I_{u_{1}} 、 I_{u_{2}}$ 分别为最弱应答器刚启动时的发送电流和达到饱和状态时的发送电流; $Ф_{d_{3}} 、 I_{u_{3}}$ 分别为最强应答器饱和状态时的磁通量及饱和状态时的发送电流.

应答器的工作过程可分为射频-交流转换、交流-直流整流、上行链路信号发送3个单元.

射频-交流转换单元, 是指应答器接收27.095 MHz射频能量并在接收天线上产生感应电压的部分; 交流-直流整流单元, 是指整流电路将感应到的交流电转换成直流电为应答器提供电源的部分; 上行链路信号发送单元, 是指应答器发送天线向BTM天线发送上行链路信号的部分.以上3部分共同影响着应答器的I/O特性, 前两个单元主要影响应答器的启动磁通量(输入特性), 后一个单元主要影响应答器的发送电流(输出特性).针对本文的问题, 考虑调整应答器的I/O特性, 提高应答器的启动磁通量, 使其在旁瓣区不被激活, 需满足

$0 < Ф_{启动} < Ф_{改} < Ф_{d_{1}} (2)$

式中: $Ф_{启动} 为改动之前的启动磁通量; Ф_{改}$ 为改动之后的启动磁通量.

另外, 应答器表面若有杂质、碎屑等覆盖时也会对应答器传输系统的I/O特性及车地天线间的互耦产生影响, 这点在产品开发、设计时应予以考虑.按I/O特性受杂质影响的程度, 可将应答器分为A、B两类^[5], 二者的具体区别见表1.

表1 磁通量增长(

Ф_{d_{1}}

和

Ф_{d_{2}}

) Tab.1 Flux increase (

Ф_{d_{1}}

and

Ф_{d_{2}}

)dBnVs

覆盖物	描述	磁通量增长
覆盖物	描述	A类	B类
水	纯净的	3.0	2.0
水	0.1 % NaCl(质量)	2.5	1.0
铁矿石	磁铁矿(Fe₃O₄)	2.0	1.0

表1 磁通量增长(

Ф_{d_{1}}

和

Ф_{d_{2}}

) Tab.1 Flux increase (

Ф_{d_{1}}

and

Ф_{d_{2}}

)dBnVs

3.2 应答器安装方式对旁瓣的影响分析

为了定量地分析应答器安装方式和安装高度对旁瓣的影响, 需利用应答器射频能量信号辐射模式 $Φ (x) . Φ (x)$ 用来表征应答器和BTM天线在列车运行方向上不同相对位置时应答器接收天线所接收到的磁通量, 如图4所示.

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	图4 辐射模式计算示意图Fig.4 Schematic diagram for Tele-Powering Radiation Pattern (TPRP) calculation

图4中 $xOy$ 平面为BTM天线所在平面, $z = - z_{0}$ 平面为应答器天线所在平面, $x 、 y 、 z$ 3个方向分别为列车运行方向、与钢轨垂直及竖直方向.

$\begin{array}{l} Φ (x') = \underset{\sum}{\int \int} B_{z} (x, y, z) d S = \\ \int_{-}^{l_{4}} \int_{x'}^{-} B_{z} (x, y, - z_{0}) d x d y = Φ (x) (3) \end{array}$

式中: $l_{3} 、 l_{4}$ 分别为应答器接收天线与x、y轴平行的边长的一半^[4]; ∑ 指应答器接收天线在z=-z_0 平面所围成的区域; dS为面积元素; x'为应答器接收天线中心点的横坐标.鉴于书写习惯, 最后用Φ (x)代替Φ (x' $) .$

将相关参数带入式(3), 计算得到应答器两种安装方式下的 $Φ (x)$ 对比图见图5, 其中 $z = 220 m$ .

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	图5 不同安装方式下接触区、旁瓣区的对比Fig.5 Comparisons of contact zone and side lobe zone under different mounting modes

图5中可得, 纵向的接触区更宽; 纵向的旁瓣区更窄、强度更低且距离接触区中心更远, 这意味着仅从安装方式来看, 纵向安装对旁瓣的抑制效果更好.

3.3 应答器安装高度对旁瓣的影响分析

利用式(3), 带入相关参数, 分别绘出两种安装方式在不同安装高度下的辐射模式图, 见图6.

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	图6 不同安装高度下射频能量信号辐射模式对比Fig.6 Comparisons of TPRP under different mounting heights

图6中可以看到, 无论哪种安装方式, 随着车地天线间高度的增加, 接触区和旁瓣区的磁通强度均降低, 接触区变得更宽, 旁瓣区距离接触区中心越远, 具体的定量分析见图7和图8.图7、图8中, 横坐标均为安装高度(选取从220~460 mm的13个高度点), 纵坐标分别为旁瓣峰值点与接触区中心的距离、旁瓣峰值点的磁通强度.由图7可见, 随着高度的增加, 2种安装方式下旁瓣峰值点与接触区中心之间的距离都呈越来越远的趋势; 而当高度相同时, 旁瓣峰值点与接触区中心点的距离纵向比横向更远; 由图8可见, 随着高度的增加, 2种安装方式下旁瓣峰值点磁通强度都呈越来越低的趋势; 而当高度相同时, 旁瓣峰值点磁通强度纵向比横向更低.

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	图7 2种安装方式下不同高度时旁瓣峰值点与接触区中心的距离Fig.7 Distances between the peak of the side lobe zone and the center of the contact zone under different mounting modes and heights

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	图8 2种安装方式下不同高度时旁瓣峰值点的磁通Fig.8 Peak magnetic fluxes of the side lobe zone under different mounting modes and heights

结合上节内容, 对于旁瓣抑制, 除了纵向比横向更有优势外, 在220~460 mm的范围内车地天线间较高的安装高度更有利于抑制旁瓣.

需要注意的是, 安装高度的调整同时也会影响到系统的作用距离, 考虑到横向、纵向安装时, 使系统作用距离最大化的安装高度点分别在390 mm、360 mm^[4], 建议可将横向、纵向的安装高度分别调整到380~400 mm、350~370 mm的范围.

3.4 BTM接收门限对旁瓣的影响分析

BTM内部通常会设置一个门限电压, 当BTM收到的上行链路信号幅度达到此门限值, 并且最少持续 $T_{DET}$ 时, 才会继续进入报文的解码层, $T_{DET}$ 由BTM设备制造商设定^[5].显然, 提高BTM的门限电压值可以达到抑制旁瓣的效果, 但同时也会缩短系统的作用距离.故在调整BTM门限电压值时, 要确保系统的作用距离在线路最高允许运行速度下能够接收到足够帧数的报文数据, BTM一般在接收到3帧以上报文时才会有较高的译码成功率^[7].

4 结论

本文作者基于应答器传输系统相关理论模型, 研究了旁瓣产生的根本原因, 详细分析了影响旁瓣的几种因素, 给出了旁瓣抑制措施的建议如下.

1)产品开发和参数优化方面, 适当调整应答器I/O特性、提高应答器的启动磁通量; 适当提高BTM的接收门限值.

2)工程安装方面, 尽量采用纵向安装; 适当调高应答器与BTM天线的垂直距离, 建议的横向安装、纵向安装范围分别为380~400 mm、350~370 mm.

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

文献列表

[1]	赵银锋, 朱卫华, 陈立. 应答器旁瓣区分析及解决方案[J]. 铁道通信信号, 2013, 49(6): 19-20. ZHAO Yinfeng, ZHU Weihua, CHEN Li. Analysis and solution to the Balise side lobe zone[J]. Railway Signaling & Communication, 2013, 49(6): 19-20. (in Chinese) [本文引用:2]
[2]	周志辉, 李阳. C-3D型ATP应答器传输通道关闭故障分析及解决方案[J]. 铁道通信信号, 2014, 50(8): 68-69. ZHOU Zhihui, LI Yang. Analysis and solution to the Balise transmission channel failure of C-3D ATP[J]. Railway Signaling & Communication, 2014, 50(8): 68-69. (in Chinese) [本文引用:1]
[3]	赵阳. 解决CTCS-2级区段应答器丢点方案探讨[J]. 铁道通信信号, 2011, 47(11): 21-22. ZHAO Yang. Solution investigation of CTCS-2 district balise missing code[J]. Railway Signaling & Communication, 2011, 47(11): 21-22. (in Chinese) [本文引用:1]
[4]	梁迪, 赵会兵, 全宏宇, 等. 应答器传输系统的电磁耦合机理及工程安装优化研究[J]. 铁道学报, 2014, 36(5): 64-70. LIANG Di, ZHAO Huibing, QUAN Hongyu, et al. Research on electromagnetic coupling mechanism and mounting parameter optimization of Balise transmission system[J]. Journal of the China Railway Society, 2014, 36(5): 64-70. (in Chinese) [本文引用:4]
[5]	Union Industry of Signaling. Form fit function interface specification for Eurobalise: SUBSET-036-V2. 4. 1[S]. Brussels: Alstom Ansaldo Bombardier Invensys Siemens Thales, 2007. [本文引用:5]
[6]	Union Industry of Signaling. Test specification for eurobalise form fit function interface specification : SUBSET-085-V2. 2. 2[S]. Brussels: Alcatel Alstom Ansaldo Signal Bombardier Invensys Rail Siemens, 2007. [本文引用:2]
[7]	赵会兵, 唐抗尼, 李伟, 等. 应答器传输模块的动态特性及高速条件下的适用性评价[J]. 中国铁道科学, 2010, 31(3): 93-98. ZHAO Huibing, TANG Kangni, LI Wei, et al. The dynamic characteristics of balise transmission module and the assessment on its adaptability under high speed condition[J]. China Railway Science, 2010, 31(3) : 93-98. (in Chinese) [本文引用:1]

2013

0.0

赵银锋, 朱卫华, 陈立. 应答器旁瓣区分析及解决方案[J]. 铁道通信信号, 2013, 49(6): 19-20.

ZHAO

Yinfeng

, ZHU

Weihua

, CHEN

. Analysis and solution to the Balise side lobe zone[J]. Railway Signaling & Communication, 2013, 49(6): 19-20. (in Chinese)

... 现象^[1],相关规范规定进出站报文丢失或连续丢失两条报文的情况下会造成列车最大常用制动,这将严重影响列车的运行效率 ...

... 文献[1]通过实验室静态测试,总结出应答器与BTM天线间的高度在350 mm以上时不会产生旁瓣 ...

2014

0.0

周志辉, 李阳. C-3D型ATP应答器传输通道关闭故障分析及解决方案[J]. 铁道通信信号, 2014, 50(8): 68-69.

ZHOU

Zhihui

, LI

Yang

. Analysis and solution to the Balise transmission channel failure of C-3D ATP[J]. Railway Signaling & Communication, 2014, 50(8): 68-69. (in Chinese)

京津城际C-3D型列控车载设备(ATP)故障集中在应答器传输通道关闭,故障原因是应答器系统的旁瓣干扰。通过对旁瓣干扰的分析和实际运营试验,调整应答器信息接收天线(BTM天线)距地面应答器的高度,解决应答器系统旁瓣干扰问题。

... 文献[2]将试验列车上车地天线间的高度由270~280 mm调整到295~305 mm后,#cod#x0201c ...

2011

0.0

赵阳. 解决CTCS-2级区段应答器丢点方案探讨[J]. 铁道通信信号, 2011, 47(11): 21-22.

ZHAO

Yang

. Solution investigation of CTCS-2 district balise missing code[J]. Railway Signaling & Communication, 2011, 47(11): 21-22. (in Chinese)

... 文献[3]同样通过调整应答器安装高度减少了#cod#x0201c ...

2014

0.0

... 文献[4]建立了应答器传输系统的相关理论模型,并分析了安装高度、横向偏移等对系统作用距离的影响,但并未对旁瓣问题的产生机理及抑制措施做详细阐述 ...

... 利用毕奥-萨伐尔定律可推导出天线周围的磁感应强度分布^[4],考虑到列车运行方向,此处只需给出其竖直分量 Bz,见下式 ...

... 式中: l3、l4分别为应答器接收天线与x、y轴平行的边长的一半^[4] ...

... 需要注意的是,安装高度的调整同时也会影响到系统的作用距离,考虑到横向、纵向安装时,使系统作用距离最大化的安装高度点分别在390 mm、360 mm^[4],建议可将横向、纵向的安装高度分别调整到380~400 mm、350~370 mm的范围 ...

2007

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... 相关规范^[5,6]给出了应答器I/O特性曲线,见图3 ...

... 图3中,最强、最弱应答器I/O特性曲线是规范定义的两条理论曲线,实际应答器曲线应介于二者之间^[5,6] ...

... 按I/O特性受杂质影响的程度,可将应答器分为A、B两类^[5],二者的具体区别见表1 ...

... 4 BTM接收门限对旁瓣的影响分析BTM内部通常会设置一个门限电压,当BTM收到的上行链路信号幅度达到此门限值,并且最少持续 TDET时,才会继续进入报文的解码层, TDET由BTM设备制造商设定^[5] ...

2007

0.0

... 相关规范^[5,6]给出了应答器I/O特性曲线,见图3 ...

... 图3中,最强、最弱应答器I/O特性曲线是规范定义的两条理论曲线,实际应答器曲线应介于二者之间^[5,6] ...

2010

0.0

... 故在调整BTM门限电压值时,要确保系统的作用距离在线路最高允许运行速度下能够接收到足够帧数的报文数据,BTM一般在接收到3帧以上报文时才会有较高的译码成功率^[7] ...