CN111193559B - 一种异型参考环的设计及调试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种异型参考环的设计及调试方法，该方法包括如下步骤：第一步，根据被测异型应答器确定该参考环的尺寸，参考环尺寸确定为与应答器尺寸一致，据此制作出双输出的两个铜环，测量整根铜环的电感值C_A；第二步，为保证磁场均匀分布，铜环进行均匀切割，即每段铜条长度基本一致，单段铜条长度不能超过300mm，不在拐角处进行切割；第三步，进行调谐，每个频点的调谐电路均等效成

其中

仅调节电容C即可，电容值C根据需要的谐振频率调整大小；通过上述方法，能制作出针对各种异型应答器的异型参考环，满足异型应答器的校准需求；且上述参考环的调谐步骤，简化了既有参考环的调谐电路和调试步骤。

Description

一种异型参考环的设计及调试方法

技术领域

本发明涉及铁路通信信号领域，特别涉及一种扩展参考区域的参考环。

背景技术

参考环是围绕有效参考区域的环状导体，是与应答器参考区域一致的校准工具。主要是校准应答器的上行链路和射频场一致性、输入输出特性以及上行链路特性。针对目前铁路上应用的应答器，按照标准TB/T 3544可以分为标准尺寸应答器以及大尺寸应答器，都有其相应的参考环制作标准。但是目前CBTC模式时实现无人驾驶休眠唤醒功能的唤醒区域设置的唤醒应答器，称为扩展型应答器，还没有其适用的扩展型参考环。为进行扩展型应答器这种异型应答器相关测试，需要有相应的测试工具即参考环。

此外，既有参考环的调谐电路调节难度较大，调试步骤繁琐复杂。而异型参考环需要两组电容，需要一种更为简单精准的调谐电路，来保证参考环谐振点的准确性。

发明内容

本发明提供一种扩展参考区域的参考环的设计方法，可满足扩展型应答器校准需求，同时也可满足其他各种异型应答器校准参考环的设计需求。

本发明提供了一种异型参考环的设计及调试方法，该方法包括如下步骤：

第一步，根据被测异型应答器确定该参考环的尺寸，为确保该参考环磁场分布尽可能模拟应答器的磁场分布，参考环尺寸确定为与应答器尺寸一致，据此制作出双输出的两个铜环，测量整根铜环的电感值C_A；

第二步，为保证磁场均匀分布，铜环进行均匀切割，即每段铜条长度基本一致，单段铜条长度不能超过300mm，不在拐角处进行切割；根据公式

其中m代表切割段数，X代表异型参考环边长，B代表切割后每段长度，a是一个可变参数，根据不同异型参考环尺寸确定；根据不同异型应答器的尺寸，使用上述计算公式，即可确定对应异型参考环的铜条节数以及铜条尺寸；

第三步，进行调谐，该异型参考环采用双频点双环输出，每个频点的调谐电路均等效成

其中

仅调节电容C即可，电容值C根据需要的谐振频率调整大小；

通过上述方法，能制作出针对各种异型应答器的异型参考环，满足异型应答器的校准需求；且上述参考环的调谐步骤，简化了既有参考环的调谐电路和调试步骤。

本发明的有益效果：本发明的参考环的设计方法，一方面可满足异型参考环的结构设计需求，另一方面简化了既有参考环的调试步骤，可用于包括扩展型应答器在内的异型应答器的校准工作。对于扩展型应答器，可以通过本发明的参考环校准其上行链路信号一致性及射频能量一致性，以及输入输出特性；此外，本发明提供了一种新型的参考环电路设计，可简化既有参考环的校准步骤。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1a是既有缩小尺寸参考环的铜条结构示意图。

图1b是既有标准尺寸参考环的铜条结构示意图。

图2a是本发明的异型尺寸参考环的铜条结构示意图。

图2b是对本发明的异型尺寸参考环中直角铜条尺寸的说明图。

图2c是对本发明的异型尺寸参考环中直线铜条尺寸的说明图。

图3是本发明针对扩展型应答器设计的参考环的实施案例。

图4是本发明参考环的铜条连接方式说明图。

图5a是既有参考环的调谐等效电路。

图5b是本发明的异型参考环的调谐等效电路。

图6a是对三角异型参考环的结构示意图。

图6b是对三角异型参考环的圆角铜条尺寸说明图。

图6c是对三角异型参考环的直线铜条尺寸说明图。

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，下面结合实施例以及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，以下所描述的实施例并不是全部实施例。在此，本发明的示意性实施方案及其说明主要用于解释本发明，并不作为本发明的限定。

参考环是一种围绕特定有效参考区域的环状结构体，为提高测量精度、降低对电场的敏感度、使电流路径为参考区域边沿，需要对参考环进行调谐。参考环需要在两个频带内调谐，为校准应答器工作时所需的射频能量，参考环需要调谐在27.095MHz；当用于产生与应答器输出等效的磁场时，参考环需调谐在4.23MHz。这里，调谐是指参考环的输入电抗减到最小(即接近于零)。

既有参考环有两种，按照标准TB/T 3544中规定，一种是标准尺寸参考环，一种是大尺寸参考环。参考环是为了模拟应答器而制作的一个标准的环状结构，故其尺寸应与模拟的应答器基本一致。其中，标准TB/T3544中规定了两种既有应答器对应的参考环尺寸，标准尺寸参考环是由4节两完全称的实心直角铜条(即图1a中箭头所指)组成，适用于标准尺寸应答器；大尺寸参考环是由8节两两对称的实心铜条(即图1b箭头所指)组成，包括4节完全对称的直角铜条，以及4节完全对称的直线铜条，适用于大尺寸应答器。此外，图中铜条的长度仅做示意，不代表实际的长度比例。

但是，对于异型应答器，例如扩展型应答器，目前没有其适用的参考环，即无法对其进行必备的参考区域校准工作。而扩展型应答器在列车入库、固定位置停车等方面起到重要作用。

此外，既有参考环的调谐方法是在27.095MHz与4.23MHz两个频率下共同调谐，电路复杂，调试难度较大，有很大的不确定性。既有的谐振电路(如图5a所示)是将4M与27M调谐电路整合在一起，通过选择低频时可忽略电阻值的C₂，以及高频时可忽略电阻值的C₁，达到4M与27M谐振。通过这种元器件选择，4M谐振频率等效公式

27M谐振频率等效公式

通过公式可见，调谐电路共用电感L1和L2，调谐过程中需要兼顾两个频率的谐振点调节电感值，对元器件选择以及调谐难度较大。

本发明从参考环结构设计及调谐电路设计两方面进行创新。

本发明的异型参考环的设计步骤，第一步根据被测异型应答器确定参考环的尺寸，为确保参考环磁场分布尽可能模拟应答器的磁场分布，参考环尺寸可以确定为与应答器尺寸一致。据此制作出双输出的两个铜环，测量整根铜环的电感值C_A。第二步根据本发明提出的切割方法，为保证磁场均匀分布，需进行均匀切割，即每段铜条长度基本一致；单段铜条长度不能超过300mm；不在拐角处进行切割。根据公式

其中m代表切割段数，X代表异型参考环边长，B代表切割后每段长度，a是一个可变参数，根据不同异型参考环尺寸确定。第三步进行调谐，本发明的异型参考环采用双频点双环输出，每个频点的调谐电路均等效成

其中

仅调节电容C即可。根据以上三个设计步骤，即可做出针对各种异型应答器的异型参考环，满足异型应答器的校准需求；并且简化了参考环调节电路和调节步骤，降低调试难度，优化调试方案。

在参考环结构的设计过程中，首先考虑了参考环产生磁场的对称性以及均匀性，为了保证磁场按照参考环形状均匀分布，需要对铜条进行均匀切分，即每段的长度尽量一致。其次，要考虑谐振点调试的可行性，单段铜条长度不可以太长也不能太短，单段铜条太长会导致铜条本身电抗值太大，无法保证谐振点的值；过短则导致连接铜条的印制电路板增加，单个电路板电容值过小精度低，使调试过程繁琐。

本发明的切分标准一是不在拐角处切分，如在拐角切分会导致印制电路板连接困难。二是单段铜条长度不能超过300mm，通过测量各种不同形状、不同长度铜条的电感值，考虑参考环整体调谐过程中谐振点参数的准确性，在设计参考环无法过程中需要保证单段长度不大于300mm。由于各个异型参考环的周长不确定，故对于单个参考环的最小长度不做要求，可根据不同异型环灵活调整。

在参考环调谐电路的设计过程中，将既有的双频点单环输出设计成双频点双环输出。即两个结构相同的铜环叠加在一起(侧视图如图4所示)，通过不同电路板元器件值的调整，使两个铜环分别达到27MHz和4MHz谐振要求。两个铜环之间距离d根据实际封装结构可以自由调整。该方案可简化既有的双频点调谐电路(如图5a所示)，优化后的单频点调谐电路只需要在每个环调整对应的单个电容值即可(如图5b所示)。优化后的等效电路中，切割后的每段同轴的电感值等效成L(如图5b中电感L所示)，电容值(图5b中电容C所示)根据需要的谐振频率调整大小。该方案优化了既有调谐电路的连接方式，改善了既有调谐过程中需要在两个频点调谐的复杂工序。

本发明的扩展参考区域参考环的设计方法，在尺寸设计上能够满足异型应答器的参考区域要求。根据不同异型应答器的尺寸，使用本发明的计算公式，即可确定对应异型参考环的铜条节数以及铜条尺寸。

针对扩展型应答器的参考环制作的一个实施案例如下：

实施例一：

一种四边形参考环结构如图2a所示。X和Y分别代表参考环长和宽的尺寸，该异型参考环由若干节实心铜环组成，包括4节完全对称的直角铜条(即图2a中箭头所指)，以及若干节直线铜条(即图2a中m1、m2所示)。其中，参考环宽边(即图2a中Y所示)直线铜条个数为m1，长边(即图2a中X所示)直线铜条个数为m2。本发明定义直线铜条的个数m1、m2如下公式：

所述4节完全对称的直角铜条如图2b所示，由于是4节完全对称的结构，尺寸一致，本图只绘制其中一个进行说明。直角铜条的长和宽的尺寸分别用A和B代表。

所述若干节直线铜条如图2c所示，由于是尺寸完全一致的结构，本图只绘制其中一个进行说明。直线铜条的长度用C代表。

应用本发明m1和m2的值，则可计算出A、B、C的值。有如下计算公式：

例如，目前铁路上正在应用的一种扩展型应答器的尺寸为宽245mm，长950mm，针对这种异型应答器设计的参考环的尺寸应该与应答器基本一致，即异型参考环尺寸也是宽245mm，长950mm。结合本发明的计算公式(1)和公式(2)，得出m1＝1，m2＝2，A＝125mm，B＝173mm，C＝298mm。计算方程组如下，对应该扩展型应答器的异型参考环结构如图3所示。

实施例一中制作的扩展型参考环可用于扩展型应答器的校准工作。

实施例二：

一种三角形参考环结构如图6a所示。本发明考虑一种等边三角形结构做示意，X代表三角形边长尺寸，该异型参考环又若干节实心铜环组成，包括3节完全对称的圆角铜条(即图6a中箭头所指)，以及若干节直线铜条(即图6a中m1所示)。其中，参考环直线铜条个数为m1，定义如下公式：

所述3节完全对称圆角铜条如图6b所示，由于是3节完全对称结构，尺寸一致，本图只绘制其中一个进行说明。圆角铜条的边长用A代表。

所述若干节直线铜条(如图6c所示)，由于是尺寸完全一致结构，本图只绘制其中一个进行说明。直线铜条长度用B代表。

应用本发明m1的值，则可计算出A、B的值。有如下计算公式：

利用本发明提到的切割原则，以及实施案例一和实施例二中所列举的切割案例，本发明的参考环适用与所有对称形状的异型参考环，包括四边形、三角形，以及六边形等等形状。此处，本发明不再对其它形状进行逐个列举分析。

而本发明对调谐电路的优化，解决了目前双频点调试的复杂性，将既有的调试电路简化成单一LC谐振电路，调试步骤简单，电路稳定，适用于所有参考环调谐电路的设计。

实施例三：

本实施例中的异型参考环，两个结构相同的铜环，分别在27MHz和4MHz谐振。每个铜环中的切割铜条通过印制电路板连接(如图4中PCB板所示)。每块电路板的谐振电路均是LC谐振电路(如图5b所示)，等效谐振公式均为

其中电感L(如图5b中电感L所示)等效值为单段铜环的电感值，可先测量切割前整个铜环的电感值，根据切割段数算出单段电感值，等效成电感L。

其中电容值C(如图5b中电容C所示)根据所需谐振点调试不同的电感值。分别在27M环和4M环进行调节。

本实施例三的参考环调谐优化方案，优化了参考环等效电路，简化调谐环节，在既有基础上，将调试过程简化成单频调谐，即单独调试4M及27M的谐振点，即降低了调试难度，又简化了调试步骤，同时也可保证参考环的性能参数。

本发明的异型参考环的结构设计方法，适用于所有形状参考环的制作。本发明异型参考环铜条的切割需要满足以下三点：1、为了保证磁场形状均匀分布，每段铜条长度要尽量一致；2、考虑到谐振点调试的准确性，单段铜条电抗值不能太大，单段铜条长度不能超300mm；3、保证电路板安装的可行性，不在拐角处对铜条进行切割。本发明的参考环采用双频点双环输出，单独对4M和27M进行调谐，每个调谐公式均为

其中

C根据谐振点单独调整。通过本发明的参考环设计方案，可以制作出针对各种异型应答器的异型参考环，满足异型应答器的校准需求；参考环调谐方案的优化，简化了既有参考环的调谐电路和调试步骤，大大降低了调试难度。

以上所述仅为本新方案的较佳实施案例而已，并非用于限定本新方案的保护范围。凡在本新方案的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本新方案的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种异型参考环的设计及调试方法，该方法包括如下步骤：

第一步，根据被测异型应答器确定该异型参考环的尺寸，为确保该异型参考环磁场分布尽可能模拟应答器的磁场分布，参考环尺寸确定为与应答器尺寸一致，据此制作出双输出的两个铜环，测量整根铜环的电感值C_A；该双输出的两个铜环为两个结构相同的铜环，分别在27MHz和4MHz谐振；

第二步，为保证磁场均匀分布，对上述铜环进行均匀切割；即每段铜条长度基本一致，单段铜条长度不能超过300mm，不在拐角处进行切割；根据公式

其中m代表切割段数，X代表异型参考环边长，B代表切割后每段长度，a是一个可变参数，根据不同异型参考环尺寸确定；根据不同异型应答器的尺寸，使用上述公式，即可确定对应异型参考环的铜条节数以及铜条尺寸；

第三步，进行调谐；该异型参考环采用双频点双环输出，每个所述铜环中的切割铜条通过印制电路板连接，每块电路板的谐振电路均是LC谐振电路，等效谐振公式均为

其中，电感L等效值为单段铜环的电感值，可先测量切割前整个铜环的电感值C_A，根据切割段数算出单段电感值，等效成电感L，其中

仅调节电容C即可，电容值C根据所需谐振频点调试不同的电感值，分别在27M环和4M环进行调节；

通过上述方法，能制作出针对各种异型应答器的异型参考环，满足异型应答器的校准需求；且上述参考环的调谐步骤，简化了既有参考环的调谐电路和调试步骤。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，两个铜环之间距离d根据实际封装结构可自由调整。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于扩展型四边形参考环，X和Y分别代表参考环长和宽的尺寸，该异型参考环由若干节实心铜环组成，包括4节完全对称的直角铜条，以及若干节直线铜条，其中，参考环宽边直线铜条个数为m1，长边直线铜条个数为m2；

直线铜条的个数m1、m2如下公式：

直角铜条的长和宽的尺寸分别用A和B代表，直线铜条的长度用C代表，应用公式(1)得到的m1和m2的值，按如下计算公式：

可计算出A、B、C的值；

该扩展型四边形参考环可用于扩展型应答器的校准工作。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，上述方法在既有基础上，将调试过程简化成单频调谐，即单独调试4M及27M的谐振点。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设计及调试方法适用于所有对称形状的异型参考环，包括四边形、三角形、六边形。

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