應答器場一致性測試優(yōu)化

胡振華，王 通

（1.卡斯柯信號有限公司，上海；2.北京鐵路信號有限公司，北京）

應答器作為列按系統(tǒng)中不供電的獨立點式地面設備，為避免臨線干擾、應答器丟失或組內(nèi)干擾等故障，在設計時需要嚴格按制其電磁場范圍及強度的一致性?，F(xiàn)有的應答器場一致性約束主要參照國內(nèi)鐵路行業(yè)標準《TB/T 3485-2017 應答器傳輸系統(tǒng)技術條件》、《TB/T 3544-2018 應答器傳輸系統(tǒng)測試規(guī)范》[1]。國際認證參照歐洲標準《SUBSET-085 V3.0.0》、《SUBSET-036 V3.1.0》[2-3]。各標準關于應答器場一致性的約束方式基本一致，都是比較待測樣品和等效標準參考環(huán)的場分布特性。

分布特性測試需要按制應答器/參考環(huán)與測試天線組達到不同的相對位置，同時為保證單因子變量需要反復閉環(huán)調(diào)節(jié)測試天線功率。于坐標遍歷和閉環(huán)按制調(diào)節(jié)的雙重要求下，場一致性的整體測試用時極長，分布特性測試在效率和精度的矛盾中只能按制相對坐標位置的數(shù)量。但即便如此，仍然會因測試操作人員擺放待測產(chǎn)品位置誤差、吊裝平移電機行程誤差等因素致使待測應答器在分布特性突變區(qū)間的測試結果產(chǎn)生嚴重偏移。

綜上，當前應答器產(chǎn)品的場一致分布特性存在難以兼顧精度和效率、部分誤差難以消除的問題。本文結合參考環(huán)分布特性建立了標準應答器模型，并通過擬合插值補償?shù)姆绞綄ΜF(xiàn)有測試方案進行優(yōu)化改進，經(jīng)試驗驗證了該方法可在不降低測試精度前提下提高測試效率。

1 現(xiàn)有應答器場一致分布特性測試方案

現(xiàn)有應答器場一致分布特性包含上行鏈路磁場一致性和射頻能量磁場一致性測量兩部分。上行鏈路指應答器向車載BTM（Balise Transformer Module）發(fā)送的信號，射頻能量指車載BTM向應答器發(fā)送的信號，見圖1。

圖1 上行鏈路信號與射頻激勵信號

上行鏈路磁場一致性主要考量在接收輸入強度固定時待測應答器向外輻射的電磁場是否與標準參考環(huán)接近，射頻能量磁場一致性主要考量在向外輻射強度固定時可以使待測應答器啟動的激勵場分布是否與標準參考環(huán)接近。

如圖2 所示為場分布一致性測試時的測試天線組和待測應答器/參考環(huán)相對位置分布，相對位置按高度分為220 mm、340 mm 和460 mm 三層。其中，應答器上行磁場一致性的主瓣區(qū)、旁瓣區(qū)和串擾區(qū)在220 mm 高度進行區(qū)分。

圖2 上行鏈路磁場一致性測試點分布

2 上行鏈路場分布特性及影響

由于上行鏈路與射頻激勵磁場都受到瓣狀分布特性的影響，其測試過程中精度和效率受限的原因也是一致的，因此，此處以上行鏈路場一致性的測試為例進行說明。參照歐洲標準《SUBSET-085 V3.0.0》中的描述，上行鏈路磁場分為主瓣/作用/接觸區(qū)、旁瓣區(qū)和串擾區(qū)，三個區(qū)域分布位置逐漸遠離磁場中心，且磁感應強度依次降低[4]，見圖3。

圖3 應答器上行鏈磁場場分布特性

由于BTM天線也是類似的環(huán)形結構，因此其發(fā)射的下行激勵信號也有類似的瓣狀結構。受BTM 天線下行激勵信號瓣狀結構影響，能夠使應答器剛好啟動的射頻能量磁場分布也存在類似的瓣狀結構[5]。

由于中心區(qū)域的主瓣區(qū)和大片外圍區(qū)域的旁瓣區(qū)被接近零強度的環(huán)狀帶分隔，在實際列車沿X 軸正向行進過程中，車載BTM天線接收到的感應電壓包絡會形成多瓣的結構。在信號識別的角度上，多瓣結構可能導致單一應答器被識別為多個應答器[6]。

3 磁場一致性測試

3.1 上行鏈路場一致性測試

根據(jù)測試規(guī)范標準要求，該測試需要搭建如圖4所示的環(huán)境，利用相對位置固定的激勵天線Activation Antenna 啟動待測應答器Balise，并通過相對位置可按的測試天線Test Antenna 采集不同相對位置處的上行鏈路信號，最終通過比較各位置上待測應答器和標準參考環(huán)的上行鏈路信號強度是否差異過多確認其場一致性[7]。

圖4 應答器上行鏈路場一致性測試環(huán)境

在標準的測試規(guī)范中包含如下共七個流程步驟。其中，流程步驟3-4-3 是基于功率采集監(jiān)測的閉環(huán)按制，見圖5。

3.2 現(xiàn)有測試方案的問題

在實際測試過程中，為確認待測應答器場分布的一致性，需要將其各相對位置時測試天線采集到的功率與標準參考環(huán)在相同位置采集到的功率進行對比。但各標準中只有標準參考環(huán)的制作規(guī)范，缺少其各電氣特性和場分布特性的驗收規(guī)范，在標準參考環(huán)參數(shù)偏移或特性明顯變化時難以及時識別[8]。

另外，功率計類儀表采集功率時需要從固定底噪功率-70dB 開始對預估參考值多次進行比較迭代，收斂迭代慢的特點在功率突變的區(qū)域會更加明顯。下式為采集功率收斂的估計模型。

其中，Tc為收斂迭代次數(shù)，nc為接近參考功率后的迭代次數(shù)，Pstep為參考功率迭代步長，Pr為實際功率，Pe為環(huán)境底噪功率。

如圖6 所示為上行鏈路信號功率及其收斂迭代次數(shù)。特點是主瓣區(qū)測試點數(shù)少，但功率高、突變快；旁瓣區(qū)點數(shù)多，功率較高、部分點突變快；串擾區(qū)點數(shù)多，功率小、突變慢。

圖6 上行鏈路各測試點功率及迭代次數(shù)

4 改進測試方案及驗證

4.1 標準參考環(huán)的場分布模型及驗證

應答器天線受通信場景和標準參考環(huán)尺寸形狀限制，只能仿照參考環(huán)設計成環(huán)形結構。通過對天線結構的矢量分解，利用式(2)的畢奧·薩伐爾定理計算一個標準參考環(huán)的磁感應強度分布情況[8]。

經(jīng)實測驗證，標準參考環(huán)的場分布情況與該理論計算模型基本一致[9]。如圖7 所示，mesh 網(wǎng)格圖為標準參考環(huán)的場分布中采集的功率分布情況，黑點標記為是實際測試得到的標準參考環(huán)場分布采集的功率值。

圖7 標準參考環(huán)上行鏈路磁場有限元模型和實測值

4.2 基于功率模型預計的收斂迭代及驗證

通過磁場分布模型的估計功率，可以在距離實際功率較近的位置開始迭代。對應的收斂次數(shù)估計公式如下。

其中，Ps為當前位置對應的特定區(qū)域估計功率。由于Ps特定區(qū)域估計功率遠大于Pe環(huán)境底噪功率，總體的收斂迭代次數(shù)將明顯降低。

相對始于底噪-70dB 的收斂迭代方式，基于功率預計的方式既可以驗證當前參考環(huán)的是否滿足測試的要求，也可以減少功率采集的收斂迭代次數(shù)。如圖8所示為始于底噪的迭代次數(shù)和始于功率預計的迭代次數(shù)。

圖8 始于底噪和功率預計的迭代次數(shù)

5 結論

綜上所述，上行鏈路場需要測試的空間范圍大、部分區(qū)域磁感應強度突變大，現(xiàn)有的測試方案中因功率采集的收斂迭代次數(shù)過多導致測試效率很低。另外，現(xiàn)有的執(zhí)行標準中缺少對參考環(huán)場分布特性的檢查。本文通過建立和驗證標準參考環(huán)的場分布特性模型，在測試標準參考環(huán)和待測應答器的場分布時通過模型功率預計的方式進行收斂迭代，可以有效減少因參考環(huán)參數(shù)偏移產(chǎn)生的誤差，提高應答器場一致性測試的效率。