CN103178328A - 缩小型车载天线及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种缩小型车载天线及其设计方法，属于铁路通信领域，包括：隔离匹配单元，用于从传输线中获得最大功率的射频能量，并耦合到发送单元；发送单元，用于将射频能量转换成电磁能量，向地面应答器辐射；接收单元，用于接收地面应答器回应的电磁信号；所述发送单元与接收单元在保持性能不变的基础上实现了尺寸缩小一半，从而实现缩小型车载天线的体积缩小，使缩小型车载天线能在既有机车上应用，提高既有机车的行车安全和可靠性。本发明在保持性能、电气效果不变的情况下使缩小型车载天线体积缩小一半，大大地节省了安装空间，能应用于安装空间狭小的既有机车上，为车载设备控车提供可靠的路面信息，进一步提高了既有机车的行车安全。
Description
技术领域
本发明涉及铁路通信领域，特别涉及一种为适用于既有机车而设计的缩小型车载天线及其设计方法。
背景技术
应答器系统是列车运行控制系统的重要组成部分，应答器系统中的地面应答器存储相关路面信息数据，当列车驶过地面应答器时，应答器传输模块BTM（Balise Transmission Module）通过普通车载天线向地面应答器辐射能量，激活地面应答器，同时接收地面应答器上传的应答器信息，然后车载设备利用对应答器信息进行处理后得到的路面信息数据来实现安全控车，由此可知应答器系统是列车安全运行的重要保障。
但是目前除高铁、动车组外，大量的既有机车还不能使用应答器系统这种先进的技术来保证行车安全，因为既有机车底部的有效安装空间狭小，难以安装体积较大的普通车载天线，特别是同时安装两套冗余普通车载天线就更加困难。而且由于既有机车种类繁多，想要通过对既有机车进行机械改造，释放足够的空间来安装普通车载天线的工作量非常大，也很难实现。
发明内容
为了解决现有技术中既有机车底部难以安装普通车载天线的问题，本发明提供了一种缩小型车载天线及其设计方法，能较好满足既有机车底部狭小空间的安装需求，从而使应答器系统能在既有机车上安装应用，提高既有机车的行车安全。
一种缩小型车载天线，包括：
隔离匹配单元，与传输线连接，用于从所述传输线中获得最大功率的射频能量，将上述射频能量耦合到发送单元；
发送单元，用于将所述接收到的射频能量转换成电磁能量，向地面应答器辐射；
接收单元，用于接收所述地面应答器回应的电磁信号；
所述发送单元与接收单元在保持性能不变的基础上实现了尺寸缩小一半，从而实现了所述缩小型车载天线的体积缩小，使所述缩小型车载天线能够在既有机车上应用，提高了既有机车的行车安全性和可靠性。
一种缩小型车载天线的实现方法，包括：
从传输线中获得最大功率的射频能量；
将所述射频能量转换为电磁能量；
将所述电磁能量辐射到所需要的工作方向上。
本发明有益效果如下：本发明提供的缩小型车载天线及其设计方法在保持性能、电气效果不变的情况下使体积缩小了一半，大大地节省了安装空间，能应用于有效安装空间狭小的既有机车上，从而既有机车能够使用应答器系统来实现与地面应答器之间的通信，为车载设备控车提供可靠的路面信息，进一步提高了既有机车的行车安全。
附图说明
图1为缩小型车载天线的结构示意图；
图2为隔离匹配单元的等效电路原理图；
图3为天线谐振单元的等效电路原理图；
图4为现有车载天线的辐射方向图；
图5为现有车载天线在动车组上的安装示意图；
图6为本发明实施例的缩小型车载天线的辐射方向图；
图7为本发明缩小型车载天线在既有机车上的安装示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明确，下面结合本实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案做进一步详细说明，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。在此，本发明的示意性实施方式及其说明主要用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
本发明实施例提供了一种缩小型车载天线，如图1示出了该缩小型车载天线的结构示意图，具体包括：
隔离匹配单元，与传输线连接，用于从传输线中获得最大功率的射频能量，将上述射频能量耦合到发送单元；
发送单元，用于将所述接收到的射频能量转换成电磁能量，向地面应答器辐射；
接收单元，用于接收所述地面应答器回应的电磁信号；
所述发送单元与接收单元在保持性能不变的基础上实现了尺寸缩小一半，从而实现了所述缩小型车载天线的体积缩小，使所述缩小型车载天线能够在既有机车上应用，提高了既有机车的行车安全性和可靠性。
其中，隔离匹配单元从传输线中获得最大功率的射频能量是为了补偿缩小型车载天线的体积缩小后引起的效率损失，具体通过π型阻抗匹配网络来实现，电路图如图2所示，借助于π型匹配网络可使传输线与缩小型车载天线实现阻抗匹配，从而获取最大功率的射频能量；
相应地，本发明实施例中的发送单元由谐振电路与发送线圈组成，由于发送线圈的尺寸缩小了一半，而为了将射频能量尽可能多的转换成电磁能量，所以具体通过设计发送单元的谐振电路从而减小发送线圈阻抗的方法来实现，谐振电路与发送线圈组成的电路图如图3所示；
进一步地，本发明实施例中的接收单元由谐振电路与接收线圈组成，其中接收线圈的尺寸也缩小了一半，且谐振电路的原理和发送单元中的谐振电路相似，根据电磁感应原理和天线的“互易性”原理，接收线圈与发射线圈的工作原理是互逆的通用的，在此不再叙述；
并且本发明实施例中的接收单元还利用隔离匹配单元通过传输线将接收到的电磁信号传输给BTM；
由于本发明实施例中的发送线圈与接收线圈的尺寸比现有的车载天线中的线圈缩小了一半，因此本实施例中的缩小型车载天线的体积比现有的车载天线的体积缩小了一半，缩小型车载天线的宽度也缩小了一半，宽度具体为0.2米至0.26米之间，从而缩小型车载天线能适用于既有机车上，提高了既有机车的行车安全。
进一步地，本实施例中的缩小型车载天线还包括天线自检单元，用于实时检测天线的工作状态，采用电磁感应原理，利用独立的自检线圈发送测试码，实时监测天线的工作状态，BTM一旦发现接收自检信号异常会立即发出报警信号；
同时，为了使电磁能量集中地向地面应答器辐射，本发明实施例提供的缩小型车载天线还包括金属定向反射器，使电磁能量集中的向地面应答器辐射，限制了无效方向上的辐射干扰范围，因此当两套缩小型车载天线冗余安装应用时就可以有效地降低相互之间的干扰,保证两套缩小型车载天线的可靠工作。
在本实施例中，既有机车可以只安装一台缩小型车载天线，单套使用，而为了进一步提高行车的可靠性，既有机车上也可以安装两台缩小型车载天线冗余使用，一台主用，一台备用。
参见图4，示出了现有车载天线的辐射方向图，从图4可以看出，现有车载天线辐射的电磁能量中仅指向地面的垂直分量(90°)的电磁能量为有效辐射，其余的三个辐射方向 (0°、180°、270°)均为无效的干扰辐射，而无效的干扰辐射过强时就会干扰相邻天线的正常工作，因此针对现有车载天线的安装文件规定两台车载天线相邻安装距离必须≥4米，才能保证两台天线的正常工作，如图5所示，在现有的动车组上安装两台车载天线时，两台天线之间的防护距离至少需要大于4米；
进一步地，图6示出了本发明缩小型车载天线的辐射方向图，由于本发明实施例中的缩小型车载天线中增加了金属定向反射器，使电磁能量集中的向地面垂直分量有效辐射，即集中向地面应答器辐射，限制了无效方向上的辐射干扰范围，因此使得在既有机车上能够安装两台本发明实施例中所保护的缩小型车载天线，且两台缩小型车载天线之间的相邻安装距离只要≥0.2米则不会相互造成干扰,能够保证两台缩小型车载天线的可靠工作，具体由于既有机车底部有效空间有限，因此两台缩小型车载天线之间的相邻安装距离为0.2米至2.5米，既极大地节省了安装空间，又能保证干扰最小，并且两套缩小型天线安装在一个整体结构上，构成一体化天线单元，便于安装固定、便于电缆规范走线、便于列车的精确定位，优选的，如图7所示，缩小型车载天线的宽度为0.2米，且两台缩小型车载天线之间的相邻安装距离为0.2米。
本发明提供的缩小型车载天线能安装于既有机车，从而既有机车能够使用应答器系统来实现与地面应答器之间的通信，特别是天线体积缩小后可以冗余安装双套天线，为车载设备控车提供可靠的路面信息，进一步提高了既有机车的行车安全。
进一步地，本发明实施例缩小型车载天线的体积缩小，绝不仅仅是单纯物理意义上的缩小，而是各种技术指标和参数重新设计、优化的过程，并且也只有通过技术创新才能使体积变小后的缩小型车载天线仍然能达到原有天线的电气效果。
一种缩小型车载天线的实现方法，包括：
S1：从传输线中获得最大功率的射频能量；
S2：将所述射频能量转换为电磁能量；
S3：将所述电磁能量集中辐射到所需要的工作方向上。
其中，步骤S1从传输线中获得最大功率的射频能量是用来补偿缩小型车载天线缩小后引起的效率损失，具体获得最大功率的射频能量的方法为：增加隔离匹配单元，通过隔离匹配单元从传输线中获得，隔离匹配单元具体为π型阻抗匹配网络；
以同轴电缆的传输线为例，传输线的阻抗R1=50Ω，缩小型车载天线中的线圈的尺寸缩小了一半，辐射阻抗降低到约R2=30Ω，而根据π型阻抗匹配网络的元件计算公式可以得到，当隔离匹配单元中的元件参数C1、C2、L1分别为110pF、140pF、0.29uH时，π型阻抗匹配网络使传输线与天线实现阻抗匹配，可以获得最大功率的射频能量；
具体的，π型阻抗匹配网络的元件计算公式如下：
相应地，步骤S2中需要尽可能多地将所述射频能量转换为电磁能量，主要方法就是要设法通过设计天线的谐振电路来减小天线线圈的阻抗，进而实现线圈的感抗+容抗=0(Z=X L +X C =0)，已知缩小型天线线圈的电感量L=0.67uH，由天线谐振公式可以得到，当计算出等效谐振电容C=51pF，天线在f0=27.095MHz上谐振，具有高效的将输入功率转化为电磁波的能力。
具体的，天线谐振公式如下：
相应地，在步骤S3中，将电磁能量辐射到所需要的工作方向上是指将电磁能量集中辐射到地面应答器所在的方向上，具体通过在缩小型车载天线上增加金属定向反射器来实现，是增强主工作面的辐射强度，抑制非工作面的辐射干扰，同时为近距离冗余安装2台缩小型天线创造条件。
本发明提供的缩小型车载天线及其设计方法能安装于既有机车，从而既有机车能够使用应答器系统来实现既有机车与地面之间的通信，为车载设备控车提供路面信息，进而提高了既有机车的行车安全。并且本发明实现了两套缩小型车载天线的无干扰靠近安装，极大的缩小了两套缩小型车载天线之间的安装距离，进一步对既有机车上安装两套缩小型车载天线提供了可能，从而提高了在既有机车上应用的应答器系统的可靠性。
总之，以上所述仅为本发明技术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。
Claims (10)
1.一种缩小型车载天线，其特征在于，包括：
隔离匹配单元，与传输线连接，用于从所述传输线中获得最大功率的射频能量，将上述射频能量耦合到发送单元；
发送单元，用于将所述接收到的射频能量转换成电磁能量，向地面应答器辐射；
接收单元，用于接收所述地面应答器回应的电磁信号；
所述发送单元与接收单元在保持性能不变的基础上实现了尺寸缩小一半，从而实现了所述缩小型车载天线的体积缩小，使所述缩小型车载天线能够在既有机车上应用，提高了既有机车的行车安全性和可靠性。
2.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述发送单元由谐振电路与发送线圈组成，所述接收单元由谐振电路与接收线圈组成，所述发送线圈与接收线圈的尺寸均比现有的车载天线中的线圈缩小一半。
3.如权利要求2所述的天线，其特征在于，所述缩小型车载天线的宽度大于0.2米，小于0.26米。
4.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述缩小型车载天线还包括：
金属定向反射器，用于使所述电磁能量集中的向所述地面应答器辐射，限制无效方向上的辐射干扰。
5.如权利要求4所述的天线，其特征在于，所述应用于既有机车上的缩小型车载天线为一台或两台。
6.如权利要求5所述的天线，其特征在于，当所述应用于既有机车上的缩小型车载天线为两台时，所述两台缩小型车载天线之间的安装距离小于2.5米，大于0.2米。
7.一种缩小型车载天线的设计方法，其特征在于，所述方法包括：
从传输线中获得最大功率的射频能量；
将所述射频能量转换为电磁能量；
将所述电磁能量辐射到所需要的工作方向上。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述获得最大功率的射频能量的操作具体为：通过隔离匹配单元使传输线与所述缩小型车载天线实现阻抗匹配，从而获得最大功率的射频能量。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述将电磁能量辐射到所需要的工作方向上的操作具体为：
增加了金属定向反射器，使所述电磁能量集中地向所需要的工作方向上辐射，限制无效方向上的辐射干扰。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述所需要的工作方向具体为地面应答器所在的方向。
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