车载BTM天线电磁干扰耦合规律研究

宋 微，林 凯，黄植卓

0 引言

车载BTM天线是应答器系统的重要组成部分，承担着下行链路射频能量的发送及上行链路信号的接收。车载BTM天线安装于列车底部，通过电磁耦合技术与地面应答器天线进行能量、数据传输。

在高速铁路实际运行过程中，车载BTM天线所处的车底电磁环境十分复杂。在车载BTM天线与地面应答器进行信号传输过程中，电磁环境的突变、列车上电力系统的操作均可能对车载BTM天线造成电磁干扰，轻则引起报文信息的丢失，重则造成动车列控系统的误操作。

目前，国内外相关领域的研究主要聚焦在应答器系统的工作原理和系统优化、应答器天线的电磁传输性能、车载BTM设备的电磁干扰分析和干扰防护等方面。文献[1，2]对应答器信号传输系统进行建模，研究了应答器系统的工作机理。文献[3，4]通过仿真分析，提出了综合评价应答器天线电磁传输性能的3项指标，利用粒子群优化算法，研究得到不同天线周长下的最优长宽比，优化天线尺寸，达到改善天线传输性能的目的。文献[5]提出了动车组牵引系统中的共模电流和以及受电弓与悬链线之间的接触不连续所产生的电磁场会对应答器系统产生干扰的观点。文献[6，7]利用仿真软件对列车过分相时牵引变压器产生的激磁涌流进行分析，并通过FEKO软件进行了对应答器上行链路信号干扰的仿真分析，研究了激磁涌流的高频信号对应答器的干扰情况。文献[8]仿真研究了浪涌信号对车载天线单元性能的影响。

从以上研究可以看出，车载BTM天线的电磁干扰主要来自应答器系统所处的复杂空间电磁环境、内部多天线之间的互耦、车载电力系统瞬态操作产生的脉冲干扰等方面。本文着重对动车组运行过程中各种瞬态操作产生的典型脉冲干扰进行分析，通过理论分析与仿真建模相结合，建立车载BTM天线的电磁干扰模型，进而分析其电磁干扰耦合规律，为车载BTM天线的电磁干扰防护提供参考建议。

1 应答器系统工作原理

1.1 应答器系统的构成

应答器系统由地面设备与车载BTM设备两部分构成，地面设备由地面应答器与地面电子单元（LEU）组成。地面应答器是一种高速数据传输设备，可以提供诸如位置坐标、弯道半径、坡度、限速条件等关键信息，为高速列车的安全行驶提供重要保障[9]。LEU是一种数据处理单元，一般与有源应答器连接，实现对应答器传输报文信息的更改。

车载BTM设备包括车载天线单元与应答器传输模块。车载天线单元由射频能量发射天线与信号接收天线两部分构成，其中射频能量发射天线可向地面应答器发射射频能量用以激活地面应答器，信号接收天线用于接收地面应答器传送的报文信息。

1.2 应答器系统工作原理

应答器系统是一种基于电磁耦合机理工作的信号传输系统，其工作过程包括下行链路与上行链路两部分。应答器数据传输结构如图1所示。

图1 应答器数据传输结构

应答器的下行链路过程指的是车载BTM天线向地面发射高频能量载波激活地面应答器的过程。射频能量发射天线向空间发射频率为27.095 MHz的高频交变磁场，当列车经过地面应答器时，地面应答器天线中会产生变化的磁通量，此时天线中产生感应电流激活地面应答器。地面应答器将该感应电流作为工作电源，其上行链路信号发射天线产生中心频率为4.234 MHz的FSK信号，车载信号接收天线接收到该信号后送入应答器传输模块进行信号处理，然后将信息传输给列控设备。

2 应答器上行链路系统建模

根据车载BTM天线的相关技术规范，本文设定上行链路信号接收天线材料为铜，天线尺寸为400 mm×260 mm，天线截面尺寸为20 mm×2 mm。首先根据设定的尺寸进行模型的搭建，天线的三维模型如图2所示。在天线长边处开一个10 mm的缺口用于添加调谐电容与对应的匹配电路，天线采用离散端口馈电，采用电容匹配法[10]对天线进行调谐与阻抗匹配，其等效电路如图3所示。

图2 上行链路信号接收天线

图3 电容匹配法等效电路

根据相关技术规范将天线调谐在4.234 MHz，要求其−10 dB带宽内涵盖4.512和3.948 MHz两个载波频率，且在4.234 MHz频率处电压驻波比（Voltage Standing Wave Ratio）VSWR＜1.5。根据互易定理，上行链路信号发射天线的技术参数与车载信号接收天线一致即可，两天线之间垂直距离为350 mm。

为了贴近实际情况，在应答器上行链路信号传输系统加入钢轨与枕木模型，钢轨为简化“工”字形，长度设定为5 m，轨距为1 435 mm，地面应答器天线平面距离钢轨上轨面96 mm。枕木简化为长方形模型，材料为混凝土，尺寸为2 500 mm×200 mm×160 mm，两段枕木间距为600 mm。两天线与轨道之间的空间位置关系如图4所示。

图4 钢轨与应答器上行链路系统

3 电磁干扰源分析

在列车运行过程中，电磁环境的剧变、电力系统的瞬态操作会产生高频瞬态脉冲干扰信号，这些瞬态脉冲干扰信号可以通过辐射在车载BTM天线端口产生耦合干扰电流，当该耦合电流幅值大于信号接收限值时，会对车载BTM天线与地面应答器之间的正常通信产生影响。

常见的脉冲性电磁干扰有浪涌（Surge）、电快速脉冲群（EFT）及静电放电（ESD）干扰。

脉冲性干扰信号可以用双指数函数表示：

式中：V0为峰值因子；K为信号的归一化系数；α为信号波前校正系数，β为信号波后校正系数，α和β主要影响了波形的上升沿和下降沿。

通过调整相关技术参数可以实现对具体信号的定性研究，表1给出了3种典型脉冲干扰信号的双指数函数参数。

表1 双指数函数参数

对式（1）进行傅里叶变换可以得到双指数函数的幅频表达式：

式中：j为虚数单位，w为角频率。根据式（2）得到典型脉冲干扰信号的幅频曲线见图5。

从函数的幅频特性曲线来看，3种脉冲干扰信号的频谱在低频段均具有均匀分布的特点，当频率大于某个值后，信号频谱幅度急剧衰减，衰减曲线出现2个基本拐点。

对比3种脉冲干扰信号的幅频特性曲线拐点值可知，Surge信号的能量主要分布在频率低于3.2 kHz的低频段，而EFT信号与ESD信号具有较多的高频分量。

图5 脉冲干扰信号的幅频特性

对于车载BTM天线，干扰主要产生于信号在其通信频带内的能量分布。

根据式（2）和帕斯瓦尔定律可以求出各信号在频段（f1，f2）内的能量占总能量的比例Pi：

计算得到各信号在车载BTM天线通信频段内的能量分布如表2所示。

表2 通信频段内能量占比

由表2知，脉冲干扰信号主要影响应答器系统的上行链路通信过程，Surge信号在高频段的能量分布极小，对车载BTM天线造成的电磁干扰较小。EFT信号与ESD信号在车载BTM天线的通信频段内具有较大的能量分布，可能会对其通信过程造成较大的电磁干扰。

4 电磁干扰耦合规律研究

当脉冲干扰信号通过辐射耦合对天线产生电磁干扰时，干扰源在远场具有平面波的特性。将脉冲干扰信号以平面波的形式加入到应答器上行链路系统模型作为干扰源，仿真计算脉冲干扰信号类型、极化角度、入射角度变化时车载BTM天线端口的耦合电流变化情况，进而研究其电磁干扰耦合规律。

4.1 信号类型的影响

将3种脉冲干扰信号以平面波的形式加入到模型作为干扰源，设置信号为水平极化（电场方向与地面平行），入射方向为x轴正向，同时设置脉冲干扰信号的幅值为50 kV/m。仿真得到不同类型脉冲干扰信号影响下，车载BTM天线端口耦合电流峰值如表3所示，耦合电流波形如图6所示。

表3 车载BTM天线端口耦合电流峰值 A

图6 车载BTM天线端口耦合电流波形

对比3种脉冲干扰信号作用下车载BTM天线端口耦合电流峰值情况可知，在EFT信号的干扰下，车载BTM天线端口耦合电流峰值最大，达到29.267 A，其次为ESD信号，高达27.405 A，而在Surge信号干扰下的耦合电流值仅为几毫安。

在《欧洲应答器》对应答器I/O特性的描述中介绍到，应答器上行链路信号幅值最大为125 mA，最小值为25 mA。在EFT信号和ESD信号的干扰下，车载BTM天线端口的耦合电流值远大于上行链路信号幅度阈值，因而会对车载BTM天线的正常工作产生较大的电磁干扰，而Surge信号通过辐射耦合对车载BTM天线造成的干扰则较小。

4.2 极化角度的影响

入射脉冲干扰信号的极化角度会对车载BTM天线上耦合电流的大小产生影响，定义入射信号的电场矢量与入射平面的夹角为极化角。以EFT信号为例，将其入射方向设置为x轴正向，信号幅值为50 kV/m，其极化角度以15°为间隔，从0°变化到90°，仿真计算得到车载BTM天线端口耦合电流峰值的变化规律如图7所示。

图7 耦合电流峰值随极化角度变化规律

由图7可以看出，车载BTM天线端口耦合电流峰值随极化角度变大而增大。在极化角度为90°时，耦合电流峰值达到最大，此时对应信号的水平极化，说明水平极化的脉冲干扰信号对车载BTM天线的辐射干扰远大于垂直极化。在车载BTM天线的实际使用时，应注重对水平极化的脉冲干扰信号的辐射传导干扰进行防护。

4.3 入射角度的影响

脉冲干扰信号对车载BTM天线造成电磁干扰，其入射角度是影响车载BTM天线端口耦合电流的另外一个重要因素，入射角度包含了俯仰角和方位角。本节将以垂直极化与水平极化的EFT信号为例，研究不同俯仰角、不同方位角下的脉冲干扰信号对车载BTM天线的干扰情况。

4.3.1 俯仰角的影响

为了研究入射脉冲干扰信号的俯仰角与车载BTM天线端口耦合电流的关系，设定脉冲干扰信号的入射平面在X-Z平面内，俯仰角（入射方向与z轴正向的夹角）以15°为间隔，从90°变化到180°，仿真计算得到在垂直极化（电场矢量垂直入射平面）脉冲干扰信号影响下车载BTM天线端口耦合电流峰值随俯仰角的变化规律如图8。

图8 垂直极化脉冲干扰下耦合电流峰值随俯仰角变化

对于垂直极化的脉冲干扰信号，随着俯仰角的增大，车载BTM天线端口的耦合电流峰值呈现减小的趋势。

图9为车载BTM天线在phi= 0°的远场方向图。观察可知，俯仰角为90°时脉冲干扰信号的入射方向在方向图的主瓣方向，此时车载BTM天线端口的耦合电流达到最大值。从车载BTM天线电磁干扰防护的角度来看，对于垂直极化的脉冲干扰信号，应注重对俯仰角为90°的入射信号即水平方向上干扰信号的防护。

图9 车载BTM天线在phi = 0°的远场方向图

在水平极化（电场矢量在入射平面内）脉冲干扰信号影响下，车载BTM天线端口耦合电流峰值随俯仰角的变化规律如图10所示。

图10 水平极化脉冲干扰下耦合电流峰值随俯仰角变化

对于水平极化的脉冲干扰信号，随俯仰角的增大，车载BTM天线端口耦合电流峰值呈现增大的趋势。从车载BTM天线电磁干扰防护的角度来看，对于水平极化的脉冲干扰信号，应注重对俯仰角大于90°的入射信号即来自车底骚扰信号的防护。

4.3.2 方位角的影响

为了研究入射脉冲干扰信号的方位角与车载BTM天线端口耦合电流的关系，设定脉冲干扰信号的入射平面在X-Y平面内，方位角（入射方向与x轴正向的夹角）以15°为间隔，从0°变化到90°，仿真计算得到在垂直极化（电场矢量垂直地面）脉冲干扰信号影响下，车载BTM天线端口耦合电流峰值随方位角的变化规律如图11所示。

图11 垂直极化脉冲干扰下耦合电流峰值随方位角变化

可以看出：对于垂直极化的脉冲干扰信号，在方位角为0°时，车载BTM天线端口的耦合电流峰值最小，仅为0.004 7 A；在方位角为90°时，耦合电流峰值达到最大，为0.666 2 A，该值已远超过应答器上行链路信号幅值的最大值，会影响车载BTM天线的正常通信。

随着方位角的增大，车载BTM天线端口耦合电流峰值呈现增大的趋势，从车载BTM天线的电磁干扰防护的角度来看，对于垂直极化的脉冲干扰信号，应注意其在方位角为90°方向即列车行驶方向上对车载BTM天线的干扰。

对于水平极化的脉冲干扰信号，仍然保持入射平面在X-Y平面内不变，方位角以15°的间隔从0°变化到90°，仿真计算得到车载BTM天线端口耦合电流峰值随方位角的变化规律如图12所示。

图12 水平极化脉冲干扰下耦合电流峰值随方位角变化

随着方位角的增大，车载BTM天线端口耦合电流峰值整体呈现减小的趋势。从车载BTM天线的电磁干扰防护的角度，对于水平极化的脉冲干扰信号，应注意其在方位角为0°即列车两侧方向上对车载BTM天线的干扰。在方位角为75°时，拟合曲线出现1个疑似耦合电流最小值的波谷，其是由于采样点数较少、采用3次拟合造成的。实际上在方位角大于60°时，耦合电流值呈现稳定的缓慢地下降，在增加采样点数后可消除该误差。

图13为车载BTM天线在Theta= 90°的远场方向图，Theta= 90°对应X-Y平面。观察可知，在X-Y平面内，车载BTM天线的方向图呈现对称性，其主瓣方向在Phi= 0°，即X轴正向。因此对于水平极化的脉冲干扰信号而言，当其入射方向与车载BTM天线的主瓣方向一致时，对车载BTM天线的电磁干扰最大。

图13 车载BTM天线在Theta = 90°的远场方向图

5 结论

本文着重研究了3种典型脉冲干扰信号对车载BTM天线的电磁干扰。首先对应答器上行链路系统进行仿真建模分析，根据典型脉冲干扰信号的数学模型对其进行时域、频域、能量分布分析，研究了典型脉冲干扰信号对车载BTM天线的带内干扰情况。研究结果表明，电快速脉冲群与静电放电脉冲在车载BTM天线的通信频段内具有较高的能量分布，会对车载BTM天线带来较大的电磁干扰，而浪涌信号对车载BTM天线的电磁干扰较小。

将3种典型脉冲干扰信号以平面波的形式添加到上述模型中，仿真计算了脉冲干扰信号的类型、极化角度、入射角度等因素变化时，车载BTM天线端口的耦合电流变化情况。研究表明，水平极化的脉冲干扰信号对车载BTM天线造成的电磁干扰远大于垂直极化，且当其入射方向与车载BTM天线主瓣方向一致时对车载BTM天线的影响最大，在车载BTM天线的电磁干扰防护方面，应着重对水平极化的入射方向在车载BTM天线主瓣方向的干扰信号进行防护。