李进明

（中交隧道局电气化工程有限公司，北京 100102）

现阶段RFID技术被应用于高速铁路应答器系统，该技术的识别性及连通性开辟了全新的应用领域。

1 应答器的工作系统原理与应用

1.1 应答器系统的工作原理

对于无源应答器而言，尤为重要的关键性问题就是确保其能够接收能源。在设计无源应答器设备系统中，有源应答器系统较为复杂，但当无源应答器设备在去除电源电路，逐步转变为外部供电的过程中，可以将其应用为有源应答器。无源应答器系统主要包括2部分，如图1所示，可以对能量进行接收，能够发送信息，且具有信息存储类装置。列车可以借助应答器上方，借助能量接收天线完成高频能量的发送，地面应答器接收相应信号。应答器可以通过对高频能量的接收，之后将其转变为电能，完成对能量的方式转换加以存储，后将其信号编码借助天线发送至车载BTM，从而完成了整个应答器系统的信息传输过程，实现了两者之间的耦合，完成信息传输。

1.2 高速铁路应答器系统的应用范围

应答器系统作为一种极其重要的基础类信号设施，现阶段被广泛运用于国际间的地铁、铁路、轻轨等交通工具中。具体的应用范围可以运用至行车安全、道口防护及运营服务中。点式应答器在应用过程中，作为实施数据化传输设备，有着较大信息量及较高速率的特点，后随着运输线路的不断提速和高铁的出现，点式应答器更是起到了点连式ATP系统的关键作用。与此同时，地面设备还能够更好地顺应多方面气候条件，使用期限较长，免维护。

图1 应答器系统工作原理图

1.3 高速铁路应答器系统的技术指标

高速铁路应答器系统的运用应与高速铁路的系统及标准兼容性相符，符合其具体的工作环境，因此，应当参照以下技术指标原则进行研究。

1.3.1 信息载频

通过选择能量及信息载体的原则，需要尽可能地避开电气化牵引电流中的谐波信号，应符合环境的具体应用要求，尽可能地穿透积雪、铁粉、冰水和土豆等污物，确保应答器系统处于恶劣环境中仍然可以工作。

1.3.2 调制方式

调制通常指的是振幅、载波的频率及有关调制信号彼此的关联性。数字调制信号主要包括ASK、FSK以及PSK三种形式，整体应用操作比较简单，成本投入较小。国际间绝大多数国家所采用的铁路点式应答器，都采取了频移键调制方式。

1.3.3 应答器几何尺寸与系统的响应时间

一旦应答器的几何尺寸、信息查询天线、通信频次、垂直距离、信息的报文长度、信息接收灵敏度等一系列的系统有延迟，之后列车可以通过1次运行速度与车上所接收的报文次数判断响应时间，公式为

2 射频识别系统的组成与特点

2.1 射频识别系统的组成

通常情况下，射频识别系统组成主要包括阅读器、应答器以及数据管理系统。通过阅读器可以实现对射频模块的控制，从而对应答器发射所需要读取的信号。阅读器通常包括控制单元、射频模块以及应答器的相应耦合性组件。应答器则是阅读器所需要读取的直接对象，实现了信息及数据的传输及接收，主要组件包括芯片与天线。数据管理系统主要是为了实现信息的存储及管理，由诸多小型的数据库构成，借助网络连接阅读器，获取其所捕捉的应答器有关数据信息。

2.2 射频识别系统的特点

RFID系统在运用中，针对不同的工作方式，可以将系统划分为3种，包括全双工系统、半双工系统以及时序系统。在实现全双工系统的运行中，可以借助分谐波或者相对独立存在的非谐波频率。半双工系统运行中，阅读器所能够接收到的数据及信息都是交替实现的。对于全双工及半双工系统而言，阅读器至应答器之间所实现的能量传输都是无关于数据的传输方向的。根据RFID的系统频率、作用距离情况，也可以将该系统划分为密耦合系统、遥耦合系统以及远距离系统。

3 应答器天线的设计与仿真分析

3.1 BTM天线的设计

在设计BTM天线中，应先确定天线参数，从而保证天线的性能确保通信系统质量。在设计BTM天线时，应当密切考虑天线的大小及形状、电气性能。车载BTM天线在具体的工作过程中，应考虑线圈回路附近沿轴向距离的磁场强度、天线铜片的宽度及电感之间关系，并且确定天线的Q值。经过有关实践发现，当天线的线圈距离较小的情况下，磁场强度无明显变化；在距离为0的情况下，两张较小天线的磁场强度明显高于较大天线；而处于较远距离的情况下，较大天线磁场强度明显高于较小天线。通过考虑天线的电感量合适度发现，铜片的合适宽度应为2 cm，因此，借助公式可计算得出天线的电感数值L=489.6 nH。对于天线Q值的确定，如果实际运用中Q值大小不符合有关应用要求，可以通过借助对并联电阻加以改变，实现对电路Q值的改变。

3.2 应答器天线的设计与仿真

无线模型的设计参数具体为30 cm×20 cm，铜片宽度在2 cm，厚度在0.2 mm，环形天线的长边部位，存在一个长度为1 cm的缺口，其主要作用是实现对谐振频率的电容加以调整，还能够完成对天线Q值的调整。除此之外，通过采用50 Ω的同轴电缆实现天线馈电，应答器天线的设计仿真模型。在对电磁场的仿真中，确保结果的准确性，通常需要在每一个波长选择超出10个的网格点。在设计网格时，需要注意波长的划分点数、结构限度之上的最小网格点数、网格最大及最小之比限制、加密PEC边缘。

4 结束语

本次研究通过针对高速铁路应答器系统的电磁特性展开分析，借助车载BTM天线及地面应答器天线之间完成信号频率的传递，借助电容匹配法，实现了天线的输入阻抗能够匹配轴电缆的输出阻抗数值。设计仿真模型时发现在高速运行的情况下，车载BTM天线及地面应答器天线之间会产生多普勒效应，研究了天线所接收型号的影响，为我国高速铁路的应答器系统有关研究进一步明确了具体的研究思路，起到了一定的辅助作用。

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