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原文传递轨道交通应答器传输系统天线建模与优化研究

论文题名：	轨道交通应答器传输系统天线建模与优化研究
关键词：	轨道交通;应答器;传输系统;天线;优化设计;等效模型;环境敏感度;互耦现象
摘要：	轨道交通系统包括干线铁路和城市地铁及轻轨。列车运行控制系统确保轨道交通运行安全，提高列车运行效率。其两项关键技术分别是定位和车地通信。轨道交通应答器传输系统作为一种点式传输系统，是目前已有技术手段中较为理想的定位方法，它在列车和轨旁设备之间传输安全相关的控车信息，是列车运行控制系统中不可或缺的重要组成部分。　　轨道交通应答器传输系统的应用具有三个特殊性——周围环境复杂、高速移动和内部多天线。由于该系统的工作处于复杂的室外环境，周围会存在金属和介质，导致系统天线的调谐频率偏移，天线不能正常工作。当车载天线单元随同列车高速通过应答器时，应答器对车载天线单元的作用随位移变化。同时，由于应答器内部存在射频能量接收天线、上行链路发射天线和编程接收天线，多天线之间的互耦产生相互影响。　　本文基于电磁场理论，建立轨道交通应答器传输系统的天线模型，根据分析结果提出优化方案。按照单天线、双天线至多天线的顺序，分别对应该系统的三个特殊性，研究周围复杂环境对单天线的影响、车载天线单元和应答器相对位移变化产生的非恒参特性及应答器内部多天线间的互耦及降耦方法。　　论文的主要创新点如下: 　　(1)针对复杂应用环境，进行了轨道交通应答器传输系统天线的环境敏感度机理分析，研究实际应用环境中的介质和金属对系统天线性能的影响。以清水、混凝土道床、钢轨和金属板为例，研究天线在接近上述物质时的调谐频率、磁场分布的变化。对金属、介质与天线之间的间距进行优化设计，验证降低天线环境敏感度方法的可行性。　　(2)基于电感耦合原理建立射频能量发射和接收天线的等效电路模型，对有效通信距离的决定因素进行仿真与分析。根据不同位置处射频能量接收天线对射频能量发射天线的反射阻抗，提出射频能量传输的最小值确定方法，即在有效通信距离起点调谐两天线，保证有效通信距离，同时限制最大射频能量传输，避免因射频能量过大而损伤应答器。　　(3)提出一种车载应答器编程天线，分析了编程天线的工作机理。计算结果表明车载编程发射天线和应答器编程接收天线采用8字形设计，两天线垂直距离280mm时，应答器内部编程电路能够被激活。对编程天线与矩形射频能量发射天线的异构设计进行仿真与验证，结果表明应答器编程电路在非编程模式下不会被激活，保证了报文数据安全。　　(4)建立应答器内部多天线的等效网络模型，基于有限元法和有限积分法分析多天线间的互耦并提出降耦方法。多天线间的互耦增加了损耗电阻，减小了等效电感和自谐振频率，同时天线间产生转移阻抗，使调谐频率发生偏移。互耦影响因素包括天线间的距离、重合面积和不同工作频率天线的排列顺序等。为了降低多天线间的耦合系数，本文提出增大天线间的距离、降低天线间的重合面积、重新排列不同工作频率天线的顺序、增加滤波器等降耦方法，使天线间的传输系数降低到-10dB以下，提高了天线独立性。
作者：	朱林富
专业：	交通信息工程及控制
导师：	闻映红;赵会兵
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2018
正文语种：	中文