一种提升作用范围的天线设计方法与流程

1.本发明涉及列车自动控制领域，具体涉及一种能够提升应答器作用范围的接收天线的设计方法。


背景技术：

2.目前欧标应答器广泛应用于大铁及地铁项目，与车载设备、地面设备沟通构成应答器传输系统，为车辆运行线路信息，并完成车辆定位功能。
3.当列车行进并靠近地面应答器时，车载btm天线与地面应答器之间会逐渐形成电磁耦合关系，当耦合关系强到一定程度，地面应答器便会感应btm天线发射出来的能量并开始工作，直到列车远去，耦合关系减弱，应答器停止工作。从应答器开始工作到停止工作的过程中，车载btm天线移动的范围，就是二者之间的作用范围。
4.目前btm天线与应答器都采用常规环形线圈结构，并加以电容进行谐振。当btm天线线圈与应答器线圈都调谐良好时，二者之间的耦合范围受限于线圈尺寸和btm发射功率。由于行业标准的限制，btm天线与应答器的尺寸不随意扩大，同时由可用性和可靠性问题所限，btm天线输出功率同样不可能无限增大，因此既有btm天线与应答器之间的有效作用范围已经基本达到极限，不会有更多的提升。
5.列车通过这个作用范围的时间，称作二者的作用时间t,t(ms)＝作用范围(mm)x3.6/时速(km/h)。以目前常规btm天线和应答器为例，二者之间的作用范围约为600mm，当列车运行速度为20km/h时，作用时间t
20
＝600x3.6/20＝108ms；当列车运行速度为100km/h时，作用时间t
100
＝600x3.6/100＝21.6ms；当列车运行速度为300km/h时，作用时间为t
300
＝600x3.6/300＝7.2ms；当列车运行速度进一步提升至400km/h，作用时间t
300
＝600x3.6/400＝5.4ms。
6.应答器从地面向btm天线发送一条报文数据的时间为1.8ms。车载btm系统为了保障列车运行的安全而采用了冗余设计，必须收到至少3条报文才能将应答器报文信息正确译解，即作用时间至少需要1.8x2＝5.4ms，否则将btm将无法识别该应答器，会向列车发出丢失应答器的报警，引起列车降速甚至紧急制动，对列车乘员带来安全威胁。
7.根据上文对作用时间的计算可知，目前btm天线和应答器系统能够支持列车的最大时速理论值为400km/h，实际使用的最高时速为350km/h。而随着时代发展，轨道交通的不断进步，列车运行速度一定会越来越快，列车通过btm天线和应答器之间作用范围的时间变得越来越短，既有的btm和应答器系统将无法继续满足要求。


技术实现要素：

8.本发明为了解决上述问题，让btm应答器系统能够继续适应更高的车速，提供了一种新型的线圈设计方法。
9.本发明提供了一种提升作用范围的天线设计方法，能在不增加btm天线或应答器的外形尺寸情况下提高作用范围，其特征在于，
10.在btm线圈与应答器主线圈之间增加谐振线圈，匹配电容电感等器件进行调谐，称其为聚焦环；
11.该聚焦环的作用是对btm天线的发射线圈与应答器接收线圈之间的电磁波产生聚焦效果，提升作用范围内的电磁场密度，从而改变辐射电磁场的形状，使其更具有方向性，增大作用范围；
12.该聚焦环既能安装在btm天线线圈附近，也能安装在应答器线圈附近；
13.所述聚焦环必须安装在btm天线与应答器之间，才能达到电磁场聚焦、提升作用范围的效果；
14.所述聚焦环不限于btm天线或者应答器的大小，对不同尺寸的天线均能产生效果，最终使应答器在更大的范围内都能接收到足够强度的电磁波来维持内部电路工作。
15.本发明的技术优势在于，能在不增加btm天线或者应答器外形尺寸的情况下提高作用范围；增加所述聚焦环能设计出性能维持既有水平，但更小尺寸的应答器。
附图说明
16.图1为车载btm天线与地面应答器示意图
17.图2为既有btm天线与应答器有效作用范围示意图
18.图3为采用本发明聚焦环的btm天线与应答器有效作用范围示意图
19.图4为常规btm天线与应答器线圈结构示意图
20.图5为本发明聚焦环在btm天线壳体内示意图
21.图6为本发明聚焦环在应答器壳体内示意图
22.图7为本发明聚焦环同时位于btm天线壳体与应答器壳体内示意图
23.附图标记：1-btm天线主线圈、2-btm天线聚焦环、3-btm天线外壳、4-应答器主线圈、5-应答器聚焦环、6-应答器外壳
具体实施方式
24.下面结合附图对本发明进行详细的说明。以下描述内容将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应该指出的是，对本领域的普通技术人员来讲，在不脱离发明构思的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
25.车载btm天线和应答器工作模式示意图如图1所示。btm设备安装在列车驾驶室，btm功放通过专用电缆连接至位于车底的btm天线。在列车运行过程中btm功放输出27.095mhz信号并通过btm天线向地面发射出去。在铁路段所规定的位置会安装有地面应答器。当列车经过应答器时，车载btm天线逐渐靠近应答器，二者之间的电磁耦合逐渐加强，直到应答器接收到btm天线发射的27.095mhz电磁波强度足以达到另应答器内部电路工作的要求，此时进入btm天线与应答器的作用范围，应答器开始向天线发射出包含报文数据的fsk信号。列车继续前行，当btm天线移动到应答器正上方时，二者耦合最强。当列车继续前行，btm天线开始远离应答器时，二者的耦合持续减弱，会在某一个位置出现应答器耦合到btm天线能量不足以支持内部电路工作的状态，此时应答器停止向天线发射fsk信号，此时离开btm天线与应答器的作用范围。
26.本发明提供了一种能够提升作用范围的天线设计方法。扩大作用范围就相当于延长列车通过时应答器被激活的时间，使应答器能够有更多的时间向车载btm发送更多的报文信息。
27.现有的btm天线和应答器普遍采用单层谐振线圈结构，通过匹配电容电感等元器件调谐至27.095mhz。当列车行进至应答器附近，应答器接收btm天线发射线圈所辐射出来的27.095mhz电磁波之后开始工作，发射包含报文数据的fsk信号，被btm天线所接收。
28.现有btm天线与应答器线圈结构如图4所示，二者都是单线圈结构，内部有一个btm天线主线圈1和应答器主线圈4，利用电感电容等元件良好匹配在27.095mhz上。二者之间的有效作用范围示意图如图2所示。btm天线向下方及周围发射电磁波，电磁场均匀分布，应答器在btm天线正下方附近的范围内能够接收到足够强度的电磁波来维持内部电路工作。
29.本发明的天线设计方法在btm线圈与应答器线圈之间增加谐振线圈，匹配电容电感等器件进行调谐，称其为聚焦环。所述聚焦环的作用是对btm天线的发射线圈与应答器接收线圈之间的电磁波产生聚焦效果，提升作用范围内的电磁场密度，从而改变辐射电磁场的形状，使其更具有方向性，最终能够提高应答器对btm天线电磁场的接收能力，增大作用范围，延长作用时间。
30.本发明设计方法中的聚焦环安装灵活，既可以安装在btm天线线圈附近，也可以安装在应答器线圈附近。不限于btm天线或者应答器的大小，对不同的天线尺寸均能产生效果。
31.采用本发明天线设计方法的btm天线与应答器有效作用范围示意图如图3所示。在btm天线和应答器之间增加了聚焦环。在聚焦环的作用下，产生了类似于凸透镜聚焦的效果，btm天线下方的电磁场出现明显的密度变化，带来的效益是应答器在更大的范围内都能接收到足够强度的电磁波来维持内部电路工作。
32.聚焦环必须安装在btm天线与应答器之间，才能达到电磁场聚焦、提升作用范围的效果。事实上，聚焦环的谐振线圈可以为多层结构。结合现场的实际应用情况来说，通常聚焦环封装采用(但不限于)以下三种方式：
33.1、天线聚焦环2安装在btm天线壳体3内，与天线主线圈1形成聚焦效果，其结构如图5所示。聚焦环2与主线圈1通过匹配电感电容等元件，调谐到27.095mhz进行谐振。btm功放输出27.095mhz信号至主线圈1，主线圈1发射27.095mhz电磁波。聚焦环2对电磁波进行聚焦，使btm天线发射出去的电磁波更加汇聚，下方的应答器主线圈4能够接收到更强的电磁波。相应的，应答器获得工作所需电磁波能量的范围也能增大，就实现了更大的作用范围。
34.2、应答器聚焦环5安装在应答器壳体6内，与应答器主线圈4形成聚焦效果，其结构如图6所示。聚焦环5与主线圈4通过匹配电感电容等元件，调谐到27.095mhz进行谐振。当车载btm天线靠近应答器时，聚焦环5对接收到的27.095mhz电磁波进行聚焦，使主线圈4上接收到的27.095mhz电磁波密度增大，应答器获得更多的能量，开始向btm天线发射fsk信号。在聚焦环5的作用下，应答器能够再更大的范围内获得工作所需的电磁波能量。
35.3、天线聚焦环2安装在btm天线壳体3内，与天线主线圈1形成聚焦效果，聚焦环2与主线圈1通过匹配电感电容等元件，调谐到27.095mhz进行谐振；同时，应答器聚焦环5安装在应答器壳体6内，与应答器主线圈4形成聚焦效果，聚焦环5与主线圈4通过匹配电感电容等元件，调谐到27.095mhz进行谐振。整体结构如图7所示。聚焦环2对天线主线圈1发射的
27mhz电磁波进行聚焦，使btm天线发射出去的电磁波更加汇聚。与此同时，聚焦环5对应答器主线圈4接收到的27.095mhz电磁波进行聚焦，使应答器接收到的27.095mhz电磁波密度再次增大，获得更多的能量。在天线聚焦环2和应答器聚焦环5的共同作用下，btm天线和应答器的作用范围能够实现更大幅度的扩展。
36.本发明的技术优势如下：1、在不提高btm天线发射功率以及不扩大btm天线和应答器尺寸的情况下，能扩大应答器的作用范围，可以适用于更高的车速，如：常规尺寸应答器与btm天线之间作用范围600mm，对应理论最高车速为400km/h、增加本发明的聚焦环结构，经试验测试验证，其作用范围可扩展至800mm，对应理论最高车速为533km/h；2、能够在当前常用的车速下，设计出性能维持既有，但更小尺寸的应答器，小尺寸应答器大幅度减小了体积和重量，对于远离市区的铁路施工便利性和运输成本来说成本优势巨大。如：小型化设计的应答器作用范围为300mm，对应理论最高车速为200km/h；而增加本发明的聚焦环结构，经试验测试验证，其作用范围可扩展至600mm，对应理论最高车速为400km/h。
37.以上所述仅为本发明方案的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种提升作用范围的天线设计方法，能在不增加btm天线或应答器的外形尺寸情况下提高作用范围，其特征在于，在btm线圈与应答器主线圈之间增加谐振线圈，匹配电容电感等器件进行调谐，称其为聚焦环；该聚焦环的作用是对btm天线的发射线圈与应答器接收线圈之间的电磁波产生聚焦效果，提升作用范围内的电磁场密度，从而改变辐射电磁场的形状，使其更具有方向性，增大作用范围；该聚焦环既能安装在btm天线线圈附近，也能安装在应答器线圈附近；所述聚焦环必须安装在btm天线与应答器之间，才能达到电磁场聚焦、提升作用范围的效果；所述聚焦环不限于btm天线或者应答器的大小，对不同尺寸的天线均能产生效果，最终使应答器在更大的范围内都能接收到足够强度的电磁波来维持内部电路工作。2.根据权利要求1所述的应答器，其特征在于，所述聚焦环安装在btm天线壳体内，与天线主线圈形成聚焦效果。3.根据权利要求1所述的应答器，其特征在于，所述聚焦环安装在应答器壳体内，与应答器主线圈形成聚焦效果。4.根据权利要求1所述的应答器，其特征在于，所述聚焦环安装在btm天线壳体内，与天线主线圈形成聚焦效果，同时所述聚焦环安装在应答器壳体内，与应答器主线圈形成聚焦效果。5.根据权利要求2-4之一所述的应答器，其特征在于，所述聚焦环与天线主线圈和/或应答器主线圈通过匹配电感电容等元件，调谐到27.095mhz进行谐振。6.根据权利要求1所述的应答器，其特征在于，在不提高btm天线发射功率以及不扩大btm天线和应答器尺寸的情况下，能扩大应答器的作用范围，适用于更高的车速，其作用范围可扩展至800mm。7.根据权利要求1所述的应答器，其特征在于，在当前常用的车速下，增加所述聚焦环能设计出性能维持既有水平，但更小尺寸的应答器，其作用范围仍可扩展至600mm。

技术总结
本发明的提升作用范围的天线设计方法，能在不增加BTM天线或应答器的外形尺寸情况下提高作用范围，在BTM线圈与应答器主线圈之间增加谐振线圈，匹配电容电感等器件进行调谐；该聚焦环的作用是对BTM天线的发射线圈与应答器接收线圈之间的电磁波产生聚焦效果，提升作用范围内的电磁场密度，增大作用范围；聚焦环须安装在BTM天线与应答器之间。本发明的技术优势在于，能在不增加BTM天线或者应答器外形尺寸的情况下提高作用范围；增加所述聚焦环能设计出性能维持既有水平，但更小尺寸的应答器。但更小尺寸的应答器。但更小尺寸的应答器。


技术研发人员：张翔 王舒民
受保护的技术使用者：北京交大思诺科技股份有限公司
技术研发日：2021.11.30
技术公布日：2022/3/8