軌道交通應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)天線建模與優(yōu)化研究.pdf

1、軌道交通系統(tǒng)包括干線鐵路和城市地鐵及輕軌。列車運(yùn)行控制系統(tǒng)確保軌道交通運(yùn)行安全，提高列車運(yùn)行效率。其兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)分別是定位和車地通信。軌道交通應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)作為一種點(diǎn)式傳輸系統(tǒng)，是目前已有技術(shù)手段中較為理想的定位方法，它在列車和軌旁設(shè)備之間傳輸安全相關(guān)的控車信息，是列車運(yùn)行控制系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分。
　　軌道交通應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用具有三個(gè)特殊性——周圍環(huán)境復(fù)雜、高速移動(dòng)和內(nèi)部多天線。由于該系統(tǒng)的工作處于復(fù)雜的室外環(huán)境，周

2、圍會(huì)存在金屬和介質(zhì)，導(dǎo)致系統(tǒng)天線的調(diào)諧頻率偏移，天線不能正常工作。當(dāng)車載天線單元隨同列車高速通過(guò)應(yīng)答器時(shí)，應(yīng)答器對(duì)車載天線單元的作用隨位移變化。同時(shí)，由于應(yīng)答器內(nèi)部存在射頻能量接收天線、上行鏈路發(fā)射天線和編程接收天線，多天線之間的互耦產(chǎn)生相互影響。
　　本文基于電磁場(chǎng)理論，建立軌道交通應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)的天線模型，根據(jù)分析結(jié)果提出優(yōu)化方案。按照單天線、雙天線至多天線的順序，分別對(duì)應(yīng)該系統(tǒng)的三個(gè)特殊性，研究周圍復(fù)雜環(huán)境對(duì)單天線的影響、車

3、載天線單元和應(yīng)答器相對(duì)位移變化產(chǎn)生的非恒參特性及應(yīng)答器內(nèi)部多天線間的互耦及降耦方法。
　　論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下:
　　(1)針對(duì)復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境，進(jìn)行了軌道交通應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)天線的環(huán)境敏感度機(jī)理分析，研究實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的介質(zhì)和金屬對(duì)系統(tǒng)天線性能的影響。以清水、混凝土道床、鋼軌和金屬板為例，研究天線在接近上述物質(zhì)時(shí)的調(diào)諧頻率、磁場(chǎng)分布的變化。對(duì)金屬、介質(zhì)與天線之間的間距進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，驗(yàn)證降低天線環(huán)境敏感度方法的可行性。
　　

4、(2)基于電感耦合原理建立射頻能量發(fā)射和接收天線的等效電路模型，對(duì)有效通信距離的決定因素進(jìn)行仿真與分析。根據(jù)不同位置處射頻能量接收天線對(duì)射頻能量發(fā)射天線的反射阻抗，提出射頻能量傳輸?shù)淖钚≈荡_定方法，即在有效通信距離起點(diǎn)調(diào)諧兩天線，保證有效通信距離，同時(shí)限制最大射頻能量傳輸，避免因射頻能量過(guò)大而損傷應(yīng)答器。
　　(3)提出一種車載應(yīng)答器編程天線，分析了編程天線的工作機(jī)理。計(jì)算結(jié)果表明車載編程發(fā)射天線和應(yīng)答器編程接收天線采用8字形設(shè)計(jì)

5、，兩天線垂直距離280mm時(shí)，應(yīng)答器內(nèi)部編程電路能夠被激活。對(duì)編程天線與矩形射頻能量發(fā)射天線的異構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真與驗(yàn)證，結(jié)果表明應(yīng)答器編程電路在非編程模式下不會(huì)被激活，保證了報(bào)文數(shù)據(jù)安全。
　　(4)建立應(yīng)答器內(nèi)部多天線的等效網(wǎng)絡(luò)模型，基于有限元法和有限積分法分析多天線間的互耦并提出降耦方法。多天線間的互耦增加了損耗電阻，減小了等效電感和自諧振頻率，同時(shí)天線間產(chǎn)生轉(zhuǎn)移阻抗，使調(diào)諧頻率發(fā)生偏移?；ヱ钣绊懸蛩匕ㄌ炀€間的距離、重合面積和