（电力电子与电力传动专业论文）一种新型无线感应系统理论及其应用.pdf

西南交迸大学博士研究生学位论文第蕊3 蔓要簸溺耀( a m 、d s b 、s s b ) 、窄带调掇( n b p m ) 、窄带调频( n b f m ) 等调制解调中研究了新型觅线感应系统在模拟载波通信中的应用并进行了仿真，研究了上述调戢孵诱相应的解调增益。4 跌二遗稍幅度谲翩( 2 a s k ) 、二遗籁稻移键控( b p s k ) 、二进潮差分稻穆键控( d p s k ) 、二进制频移键控( f s k ) 等方筒研究了新型无线感应系绫在数字竣波逶镶调制瓣调中敬斑鼹，势硬究了穗应的误礴率。5 研究了新型无线感应系统在定位测速中的应用。设计了一套定能电路。实验表明。在实验室条件下，新型无线感应系统的定位比传统光线感应系统熬定位裹密2 个数蘩级：瓣安验结黎遴露了努辑，并与传统无线惑成系统的定位进行了比较，研究了新型光线感j 擞系统在机车粘糟控制中的应用。6 绘密了新型无线感应系统数字载波通信的设计方案，估计了将毅遇到的阀题并采取了相殿措施。关键词：电磁感应，传输线，定能，载波通信，电磁兼容性西南交通大学博士研究生学位论文第1 | l 页a b s t r a c tb e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e so fh i g hs p e e d ，n op o l l u t i o n ，s a f e t y , a n ds oo i l ，t h em a g n e t i cl e v i t a t e dv e h i c l e ( m a g l e v ) h a sb e e nd e v e l o p i n gr a p i d l ya n di ti sb e i n gu s e di np r a c t i c e i nt h ea u t o d r i v eo f m a g l e v t h ec o m m u n i c a t i o n 1 0 c a t i o na n dm e a s u r i n gv e l o c i t ya l ev e r yi m p o r t a n tb e t w e e nt h em a g l e vv e h i c l ea n dt h eg r o u n ds t a t i o n s t h et r a d i t i o n a lt r a i nv e h i c l e sc a nc o m p l e t et h e s et a s k sd e p e n d i n go nt r a c kc i r c u i t sa n db yw i r e l e s sm o d e ，b u tt h em a g l e vv e h i c l eo n l yc a nc o m p l e t et h e s et a s k sb yw i r e l e s sm o d e ，b e c a u s ew h e nm a g l e vv e h i c l ei sr u n n i n g i tu s u a l l yd o e sn o tt o u c hw i mt h et r a c k 1 1 l r e em e t h o d sh a sb e e na d o p t e df o rt h e s ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n si nm a g l e v t h e ya r e3 8 gm i l l i m e t e r 1 e a k a g ec o a x i a li i n ea n dr a d i oi n d u c t i o nt e c h n o l o g y t h em i l l i m e t e rh a st h el a r g e s tf r e q u e n c yb a n da n dt h eh i g h e s tv e l o c i t yo fc o m m u n i c a t i o n ，b u ti th a st h eh i g h e s tc o s ta n dt e c h n i c a ld e f a u l t s ：m u l t i - p a t he f f e c t ，r e f l e c ta n ds c a t t e rc a u s e db yc l o u d ，s m o k e ，w a t e r - d r o p p i n g ，t h eb u i l d i n g s ，t h eg r o u n d sa n di t ss h a p e ，t h ei n t e r f e r e n c ec a u s e db yt h et h u n d e r ，t h ec o m p l e x i t yo fd e v i c e ，d i f f i c u l tm a i n t e n a n c e a n ds oo n n o wt h eb a n do ft h e1 e a k a g ec o a x i a ll i n ei su dt o3 g h z ，l e a k a g ec o a x i a ll i n eh a ss o m ea d v a n t a g e s ：g o o da d a p t a b i l i t yt oc l o u d ，s m o k e ，w a t e r - d r o p p i n g ，t h eb u i l d i n g s ，t h eg r o u n d sa n di t ss h a p e s ，g o o ds t e a d yf i e l d i th a ss o m et e c h n i c a ld e f a u l t s ：l o w e rr e s o l u t i o nf o rl o c a t i o na n dm e a s u r i n gv e l o c i t y ，t h em o r ec o m p l e xo fi t ss e n d i n g - r e c e i v i n gr e l a yd e v i c e s ，w e a ka n t i i n t e r f e r e n c e ，t h es t r i c td e m a n df o rt h eh o l es i z ei nt h el i n e ，t h ec l e a n e rw o r ke n v i r o n m e n ta n dt h eh i g h e rc o s t r a d i oi n d u c t i o ni sm a i n l ys t u d i e di nt h i sp a p e r t h et r a d i t i o n a lr a d i oi n d u c t i o nt e c h n o l o g yh a ss i m p l es t r u c t u r e 。l o w e rc o s t c o n v e n i e n tm a i n t e n a n c ea n dh i g h e rl o c a t i o nr e s o l u t i o na n dm e a s u r i n gv e l o c i t y b u ti t sa n t i - i n t e r f e r e n c ei sl o w e r n e wr a d i oi n d u c t i o ns y s t e mi sp r o p o s e di nt h i sp a p e r ，i th a se x c e l l e n ta n t i - r a d i a t e di n t e r f e r e n c eo fa n yf r e q u e n c y ( i ts h o u l db ed e c l a r e ds p e c i a l l yt h a ti ti n c l u d e st h ea n t i - i n t e r f e r e n c eo ft h es a m ef r e q u e n c y ) ；b e e a u s eo fi t sh i g hf r e q u e n c y - p a s sf u n c t i o n ，t h en e wr a d i oi n d u c t i o ns y s t e mh a sl e s sa f f e e t i o ne x c i t e db yt h ec o n d u c t i v ei n t e r f e r e n c es oi th o l d sai d e a ia b i l i t yt oa n t i - i n t e r f e r e n c ea n dh a s2s c a l a rl e v e lr e s o l u t i o ni nl o c a t i o na n dm e a s u r i n gv e l o c i t yt h a nt r a d i t i o n a lr a d i oi n d u c t i o nt e c h n o l o g y a n dt h ec h a n n e lc o m p o s e do ft h en e wr a d i oi n d u c t i o ns y s t e mf o rc o m m u n i c a t i o ni sd i f f e r e n tf r o mt h ep a r a m e t e r - c o n s t a n tc h a r m e la n dt h e西南交通大学博士研究生学位论文第1 v 页t r a d i t i o n a lp a r a m e t e r c h a n g i n gc h a n n e l ，i t sp a r a m e t e ri sd e c i d e db yt h em u t u a li n d u c t i o nb e t w e e ni t sa n t e n n aa n di n d u c t i o n - c a b l e ，b yt h el o c a t i o no fi t sa n t e n n a ，b yt h es i g n a lf r e q u e n c yp a s s i n gt h r o u g h ，i t sp a r a m e t e rh a sn o t h i n gt od ow i mt h et i m ep a r a m e t e r t h ec h a n n e lc o m p o s e do ft h en e wr a d i oi n d u e t i o ns y s t e mi san e wp a r a m e t e r - c h a n g i n gc h a n n e li n d e p e n d e n t l yo ft i m ef o rc o m m u n i c a t i o n t h i sp a p e rs t u d i e st h et r a d i t i o n a lm o d e mi nc a r r i e r - c o m m u n i c a t i o nf o rt h en e wr a d i oi n d u c t i o ns y s t e mi nd e t a i l s 。t h e o r ya n a l y s i sa n ds i m u l a t i o ns h o wt h a tt h en e wr a d i oi n d u c t i o ns y s t e mc a nb eu s e di nt h ec a r r i e r - c o m m u n i c a t i o n t h em a i nw o r k i n gc o n t e n t so f t h i sp a r i e ri sf 0 1 1 0 w i n g ：1a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fe l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o nl a w an e wr a d i oi n d u c t i o ns y s t e mi sp r o p o s e db a s e do nt h et r a d i t i o n a lr a d i oi n d u c t i o nt e c h n o l o g y ，a n a l y z e do ni t ss i g n a lt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e ra n di t sf r e q u e n c ys p e c t r u mc h a r a c t e r t h ec h a r m e lc o m p o s e do ft h en e wr a d i oi n d u c t i o ns y s t e mi sc o m p a r e dw i t ht h ep a r a m e t e r - c o n s t a n tc h a n n e la n dt h ep a r a m e t e r c h a n g i n gc h a n n e l 1 1 1 ea p p l i c a t i o no ft h en e wr a d i oi n d u c t i o ns y s t e mi ss t u d i e di nc o n v e n e rs u p p l y 2n l ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yr e m c ) o ft h en e wr a d i oi n d u c t i o ns y s t e mi sa n a l y z e d ，t h i sp a p e rs t u d i e st h ea f f e c t i o n sf o rt h en e wr a d i oi n d u c t i o ns y s t e me x c i t e db yt h ec o n d u c t i v ei n t e r f e r e n c ea n dr a d i a t e di n t e r f e r e n c e ，t h i sp a p e ra l s os t u d i e st h ea f f e c t i o nt ot h eo u t s p a c ee n v i r o n m e n te x c i t e db yt h en e wr a d i oi n d u c t i o ns y s t e m 3t h i sp a l ：i e rs t u d i e st h ea p p l i c a t i o n si na n a l o gc a r r i e rc o m m u n i c a t i o nf o rt h en e wr a d i oi n d u c t i o ns y s t e mf r o mt h em o d d e m o d u l a t i o n si n c l u d i n gm a i n l ya m p l i t u d em o d u l a t i o n ( a m ，d s b ，s s b ) ，n a r r o w - b a n dp h a s em o d u l a t i o na n dn a r r o w - b a n df r e q u e n c ym o d u l a t i o n a n dt h er e l a t i v es i m u l a t i o n sa n dd e m o d u l a t i o n s g a i na r es t u d i e d 4t h i sp a d e rs t u d i e st h ea p p l i c a t i o n si nd i g i t a lc a r r i e rc o m m u n i c a t i o nf o rt h en e wr a d i oi n d u c t i o ns y s t e mf r o mt h em o d d e m o d u l a t i o n si n c l u d i n g2 a s k ，b p s k ，d p s k ，f s k t h er e l a t i v eb i t e r r o rr a t ea n d2 a s ks i m u l a t i o na r es t u d i e d 5t h ea p p l i c a t i o ni n1 0 c a t i o na n dm e a s u r i n gv e l o c i t yf o rt h en e wr a d i oi n d u c t i o ns y s t e mi sa n a l y z e d a n dac i r c u i ti sd e s i g n e d t h et e s tr e s u l ts h o w st h a tt h en e wr a d i oi n d u c t i o ns y s t e mh a s1 0 0t i m e sh i g h e rt h a nt h et r a d i t i o n a lr a d i oi n d u c t i o ns y s t e mi n1 0 c a t i o na n dm e a s u r i n gv e l o c i t yi n1 a bc o n d i t i o n t h et e s tr e s u l ti ss t u d i e da n dc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lr a d i o西南交通大学博士研究生学位论文第v 页i n d u c t i o nt e c h n o l o g y t h i sp a p e rs t u d i e sa l la p p l i c a t i o ni nv e h i c l e sc o h e r e n tc o n t r o lf o rt h en e wr a d i oi n d u c t i o ns y s t e m 6 t h i sp a p e rg i v e sad e s i g np l a no fd i g i t a lc a r d e rc o m m u n i c a t i o nf o rt h en e wr a d i oi n d u c t i o ns y s t e ma n de s t i m a t e st h ep o s s i b l ep r o b l e m ，i tg i v e sc o r r e s p o n d i n gm e t h o d sf o rt h ep r o b l e m k e y w o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o n ，t r a n s m i s s i o nl i n e ，c a r r i e rc o m m u n i c a t i o n ，l o c a t i o n ，e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1 保密口，在年解密后适用本授权书；2 不保密口，适用本授权书。学位敝赭芋名癣乳嗍猢年6 月垆指导教师签煮堋。：，日期协弓年占月影日西南交通大学学位论文创新性声明本人郑重声明，所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本学位论文的主要创新点如下：1 第2 章提出了新型无线感应系统，由新型无线感应系统组成的信道是一种不随时间变化，而只与信号的频率、天线的位置和天线感应电缆的互感有关的新型变参信道。2 第3 章新型无线感应系统对传导干扰和辐射干扰具有理想的抗干扰能力，首次实现了对外界同频干扰实现了较理想的衰减。3 第4 章首次提出的对窄带调频调相的解调采用发射端插入反相载波法。4 第5 章第1 节首次对新型无线感应系统的2 a s k 提出了绝对值积分非相干解调，给出了误码率，第2 节首次给出了新型无线感应系统的d p s k 的误码率，第3 节首次对f s k 非相干解调采用2 个门槛电压进行判决，大大降低了误码率5 第6 章首次分析研究了新型无线感应系统的定位测速，设计了一套定位电路，在实验室条件下，比传统无线感应系统具有高1 0 0 倍的定位精度。6 第7 章首次设计了新型无线感应系统的数字载波通信方案，讨论了可能遇到的问题并采取了相应的措施。 、，学位论文作者签名谆院永日魄年移月妒1 西南交通大学博士研究生学位论文第1 页第1 章绪论电磁感应现象最早是由法拉第发现的，他通过大量实验归纳并提出了著名的电磁感应定律，从此人类社会进入了电气时代。电子电气设备只要通过无线方式来工作，则几乎都是建立在电磁感应理论基础上，如发电机、变压器、感应电动机、无线电广播通信等等。自从电磁感应定律提出以来，它在许多领域得到广泛的应用，取得了巨大的社会效益和经济效益。随着现代科学技术的发展，电子电气设备数量及种类的不断增加，使电磁环境日益恶化，在这种复杂的电磁环境中，如何减少电子电气设备相互间的电磁干扰，使各种设备正常运转，是一个亟待解决的问题。本文研究磁悬浮列车【1 壕统中列车与地面站间的通信定位，磁浮列车是1 9 2 9 年德国人h e r m a n nk e m p e r 首先提出来的，借助于磁力相吸或相斥使列车悬浮起来，依靠直线电机驱动使列车行驶。很显然磁悬浮列车系统的电磁环境是极其恶劣，要想完成列车与地面站间的通信定位，必须研究相应稳定可靠的技术设备。不同于传统的轮轨列车，磁浮列车运行时车体与轨道不接触，磁浮列车不能依靠轨道电路构成通信定位回路1 “，而必须通过无线方式与地面进行通信定位。目前采用的无线方式主要有三种，即毫米波p 4 j 、泄漏同轴电缆【l “”j 和无线感应技术【l 啪3 1 。毫米波具有很大的带宽和很高的通信速率，还可以进行定位测速等，但定位精度不高且有很高的成本要求和较难克服的技术缺陷，即传播的多径效应，降水、地形、地貌、建筑物的反射散射，恶劣气候如打雷、雨、雪、雾等均能降低毫米波通信和毫米波雷达的性能，设备复杂，维护困难等等：漏泄同轴电缆存在的多径效应不严重，对降水、地形、地貌、建筑物和恶劣气候如雨、雪、雾等适应性强。带宽目前已做到3 g h z ，场强稳定，但它的定位精度差，它的收发中继设备较复杂，打雷时抗干扰能力低，电缆上的开槽有着严格的尺寸要求，工作环境要求清洁，成本较高；无线感应技术是本论文研究的主要内容，无线感应技术具有结构简单，成本低廉，维护方便，定位精度较高等优点，但是，它的抗干扰能力也低，传输损耗大等等。1 1 毫米波通信与毫米波雷达1 1 1 毫米波通信毫米波的波长在l m m - l c m 之间，毫米波通信优点有：频带非常宽，系统尺寸小，重量轻，天线波束窄，特别是它有很高的通信容量和很高的数据传输率等。毫米波通信有地面通信和卫星通信，毫米波地面通信主要是利西南交通大学博士研究生学位论文第2 页用低损耗圆波导设计的远距离通信系统和短程保密通信系统；卫星通信目前运用的工作频段主要为微波频段，但随着频谱拥挤，军事应用，成本考虑等，毫米波卫星通信也得到了极大的发展。象其它的无线电波一样，毫米波传输时有大气衰减，具有极化结构的水分子和氧分子对入射的毫米波产生强烈的吸收作用，引起的传输衰减主要集中在0 1 1 0 d b k m 。雨对毫米波的吸收和散射也会引起毫米波的严重衰减，雨衰减是一个随机过程，其统计规律依赖于载波频率、地理位置、气候、本地地形、季节、降雨密度等因素。降雨的理论衰减系数随频率的变化如图1 1 所示。图1 2 给出了7 0 g h z 电磁波在雨中的单程衰减，图中还给出了g r a n e 用m e i 散射理论计算的结果。与h o g g 所给的测量结果吻合得很好。雪、雹、冰、云对毫米波也有吸收，另外大气成分气体( 0 2 、h 2 0 等) 、雨、雪、雹、冰、云等对毫米波还有散射和去极化作用，还有各种晴空效应，如大气波导、超折射、折射率变化、雨和云的反射、大气热噪声等。对于毫米波雷达和毫米波通信，还必须考虑电磁波传播途径中地面和障碍物造成的多径效应。在雷达系统中多径效应会造成后向散射起伏和前向散射干扰，在通信系统中多径效应一般要产生干扰。图i l 降雨的理论衰减系数与频翠的变化圈1 - 27 0 g h z 电磁波在雨中的单程衰减上述特性使毫米波传输的保真度、可靠性和价格都成为问题，为了克服这些困难，地面通信采用毫米波通信时，可每隔几公里设置中继站，采用抗失真和抗干扰的脉码调制( p c m ) 等措施。对于磁浮列车等移动体与地面设备之间的毫米波通信与雷达可配置如图1 3 u 9 l 。日本的磁浮列车毫米波0 l通信使用的频段在4 5 g h z ，调制方式是频移键控f s k ，传输方式是时分多路t d m ，覆盖长度1 到2 公里，带宽小于1 8 m h z ，传输码率6 3 1 2 m b p s ，西南交通大学博士研究生学位论文第3 页图卜3 移动体与地面的毫米波通信与雷达示意图1 1 2 毫米波雷达毫米波的特点是波长短、频带宽、天线增益高、源的功率电平低等，它可用在毫米波雷达上确定目标是否存在，并给出有关目标的各种信息，包括位置坐标、运动速度和目标特征等。根据目标反射波的时间延迟。可确定目标到雷达的距离：d = c 刎2( 1 1 )式中，c 是光速，4 f 是目标反射信号的时间延迟。运用多普勒d o p p l e r 效应可确定目标的运动速度：厶= 2 v ，正c( 1 - 2 )式中，：，是d o p p l e r 频率( h z ) ，v ，是目标相对速度，工是载频，测出厶，就可以通过计算得到v ，。如果接收天线和发射天线是相同的，则雷达威力可根据最小可检测信号岛m 确定：p g2 2 z r d m “2 ( 4 z t ) 3 s m l n r ( i - 3 )式中，p 【是雷达发射功率，g 是天线增益，o - 是目标雷达截面，a 是工作波长，实际上，由于系统损耗和大气传播损耗等因素，i m a x 要小于式( 1 - 3 )所给的值。由于雷达系统中多径效应造成的后向散射起伏和前向散射干扰，目前，毫米波雷达定位精度在l m 左右。西南交通大学博士研究生学位论文第4 页1 2 泄漏同轴电缆泄漏同轴电缆是一种在同轴电缆外导体上周期性开槽的电缆( 也可以沿轴向在外导体开一条小缝) ，它既传输电磁波又能辐射和接收部分电磁波，是一种兼具传输线和天线作用的电缆，泄漏同轴电缆常见的应用频段在3 0 - 9 0 0 m h z ，目前已做到3 g h z 。泄漏同轴电缆开槽的设置可以有很多种，i e )图卜4 泄漏同轴电缆的5 种开槽方法图1 - 4 给出典型的5 种，( a ) 是单方向开槽，( b ) 是八字开槽，( c ) 是宽带2 联开槽，( d ) 是宽带3 联开槽，( e ) 是低耦合损耗3 联开槽。图中尸是开槽节距，西南交通大学博士研究生学位论文第5 页中空铝管，外绕螺旋聚乙烯带，再套聚乙烯管，外加外导体，外导体起信号回路作用，也对内导体的信号起屏蔽作用。为了减小因弯曲在电缆和槽上产生的应力而造成的电缆变形，外导体作成如图那样细的皱纹。支承线一般放在槽的背面。关于电磁波从开槽处的漏泄，可以从图1 - 6 中定性的理解，设在电缆中输入一信号，则在内外导体上有电流流过，在外导体的电流如图1 - 6 所示，把图中的电流分解成两个电流矢量，一个与槽平行，一个与槽垂直。由于开槽较窄，对电流可能无影响，也可能会打乱电流的流动。总之，会产生与槽长度方向垂直的电场，故在电缆外形成电磁场，该槽就是电磁波的源，周期设置的槽看成大长度的阵列天线。同空间电磁波相比，泄漏同轴电缆的漏泄场强分布稳定，不受外界如地形、地貌、建筑物等的影响，且漏泄场强很弱，局限于电缆附近，所以可以在长的区段上使用少数几个频点而不会相互干扰；泄漏同轴电缆在1 5 0 m h z 时传输衰减很大，为1 0 - - - 6 0 d b k m ，内导体直径越小，衰减越大。漏泄同轴电缆用于定位，跟雷达的原理类似，但精度不是很高，如果天线靠缆很近，最高精度也在一米以上。在日本山梨磁浮实验线上采用了泄漏同轴电鲥1 2 】作为磁浮列车与地面通信的传输线与天线，调制方式为四相相移键控q p s k ，工作频率为4 0 0 m h z ，传输码率为2 9 6 k b p s ，误码率不大于1 0 4 。图卜5 世卸轴电蟪构造( 八字槽)昱e 。一m g e - , i e a e f m 牛b 图1 - 6 电磁波从开槽处的漏泄泄漏同轴电缆具有对地形、地貌和建筑物气候等的适应性强，场强稳定，但它的定位精度不高，它的收发中继设备较复杂，抗干扰能力低，传输衰减1 3 无线感应技术1 9 2 2 年法国人首先提出了无接触高频电机车运输的想法【2 ”。他们当时建议干线铁路采用由两条导线通过无线感应来无接触地传送电能的电气化牵引系统。当时建议用两万赫兹的频率，电源为静止闸流管变频器。1 9 3 8 年苏联曾提出，将无线感应高频电机车用于城市运输。1 9 4 8 年苏联在瓦斯矿使用高频电机车运输。二十多年来苏联在其最重要的煤碳基地之一顿巴斯的两个矿中的五条巷道内，先后建立了五条试验线，对七种高频机车进行了运行试验，期间用了2 5 0 0 、3 0 0 0 和5 0 0 0 h z 三种频率。试运行时间累计达十年之久，完成了5 0 0 万吨煤碳的运输任务。上世纪八十年代初，针对工业生产上的大型移动机车的自动化而采用无线感应技术来完成通信定位测速【”】。近年来，该技术与计算机技术相结合，使机车自动化的水平朝着系统化、网络化和无人化的方向发展。1 9 9 8 年末，在参与宝钢一期焦炉电气化改造的国际招标中，日本安川公司，三菱公司和美国a b 公司对于焦车的自动化技术的介绍均是采用无线感应技术。上世纪九十年代，我国开始研制磁浮列车，磁浮列车与地面站的通信定位测速是磁浮列车自动驾驶的关键。西南交通大学杨建勇在博士论文1 2 0 i 中首次对磁悬浮列车采用无线感应技术实现通信定位功能进行了系统的研究。1 3 1 无线感应技术在高频电机车取流与通信的应用二十世纪初，为了解决瓦斯矿井蓄电池机车或是架线电机车运输的防爆问题，人们迫切希望找到一种新的电机车运输系统，是法国人首先提出了无接触高频电机车运输的想法，这种高频电机车运输系统的基本特点是利用高频电流的电磁感应原理，在电源装置与受电装置之间不需导体的直接接触就能传输电能【2 “。一般而言，无接触传输电能的方法有三种：高频波导【2 4 j ，静电感应和电磁感应。在现代的无线电技术水平下，不可能以波导的方法获得足以使列车运行的功率。列车在以静电感应的方法获得电能时，机车上的受电器和牵引电网一起形成一个电容器。但是这样的电容器的容量是不够大的。因为受电器的尺寸直接受机车外形尺寸的限制，加之极板之间的距离又必需取得很大，以保证列车通过。这样高频机车靠静电感应的方法获得电能实际上给否定了。以电磁感应原理为基础的高频电机车运输，其最简单的输电装置是单相牵引电网。它是由两条沿整个铁路延伸的绝缘导线( 电缆) 组成。该两条电缆在线路的末端短接，始端则与牵引变电所的输出母线相接，这两条电缆就西南交通大学博士研究生学位论文第7 页制的线圈组成，形成变压器的二次绕组。由牵引电缆中的高频电流产生的交变磁通在受电器的线圈里感应出一个电势。和普通的变压器一样，如图1 77受电器泵军磊i 图卜7 高频机车的空气变压器所示。这里所谓的变压器。其特点在于它的二次绕组与一次绕组相对移动，绕组间为弱磁耦合，为了在受电器中感应出必要的电势，那就必需保证牵引电网的电流与频率之积应有相当的定值，一般频率不超过1 0 0 0 0 h z 。很显然，这里无线感应除了可实现无接触受流外，通常的电力载波通信还可以通过图1 7 所示的无线感应实现，只是这种信道没有抗干扰能力。1 3 2 无线感应技术在机车自动化上的应用1 3 2 1 无线感应的定位技术针对工业生产上的大型移动机车的自动化而采用的感应电缆是一种结构独特的非屏蔽电缆，在无线感应技术的通信中可作为接受和发射天线，同时又是作为地址检测的最重要的部件i j 9 。轨间电缆可采用很多种布线方式，如使感应电缆每隔一定距离相交叉旺“，形成交叉感应回线，如图1 8 所示。感应电缆产生的空间磁场分布如天线电缆图i - 8 交叉感应电缆的定位测试西南交通大学博士研究生学位论文第8 页图l 一9 通电流的方形交叉线圈正上方平面磁场分布图1 - 9 ，图中的上l 和2 分别是线圈的长和宽。图1 1 0 是2 对三线，5 对g 线，l 对r 线的实用电缆平铺图，感应电缆的外侧是二根起保护作用的钢缆，钢缆内侧有多根导线绞合在一起，每根导线均为交叉形式，g o 、g i 、g 2 、g 3 、g 4 对线交叉间隔为l o o 、2 0 0 、4 0 0 、8 0 0 、1 6 0 0 m m ，而宽度相同均为1 0 0 m m ，根据功能区分可分为通信线( l ) ，地址线( g ) ，地址基准线( r ) 三种，如果将这些对线平铺，可以得到图1 1 0 所示的电缆结构平铺图。如图1 11 所示，机车上的天线由多匝导线绕制而成，长为1 0 0 m m ，宽为1 0 0 m m 。感应电缆沿机车轨道平铺，安放在机车上的天线尽可能在感应电缆的水平正上方。当天线正对着感应电缆g o 对线第0 号时，由天线发射信号，感应电缆g o 、g 】、g 2 、g 3 、g 4 对线提取的信号情况分别为有、无、有、有、有，对应二进制编码分别为1 0 1 1 l ；当天线正对着感应电缆g o 对线第l 号时，由天线发射信号，感应电缆g 0 、g l 、g 2 、g 3 、g 。对线提取的信号情况分别为有、有、无、有、有，对应二进制编码分别为1 l o l l ；当天线正对着感应电缆g 0 对线第x 号时，由天线发射信号，在图卜l o 感应电缆对线平铺图西南交通大学博士研究生学位论文第9 页并发射信号，从感应电缆上得到的二进制编码，我们可以知道天线在感应电缆g o 对线上的位置。在实际使用上，为了避免在同一位置上同时存在着多个交叉点，所以在电缆的编制上均是采用格霄码的编码方式。详情请参阅文献【l 。上述是天线发射信号，地面感应电缆相应地址对线分别响应，获得图1 一1 1 无线感应地址测试原理圈天线位置的测试方法；还有地面感应电缆相应地址对线发射信号，车上天线获取信号从而确定天线位置，原理与上述类似，详情请参阅文献【1 9 】。不管是地面位置测试方法，还是车上位置测试方法，其定位精度为天线纵向长度，也即g o 对线交叉点的距离。为了提高机车位置测量精度而进一步缩小交叉点间的距离，势必会使天线与电缆之间收到的信号的幅度减小而难以检测，所以必须另外采取方法来进行精密地址检测。图1 1 2 是精密定位检测的示意图。随着天线的移动，天线或电缆收到 二三互二至二二 一水平移动“埔： x ：x 义i 图卜1 2 电压模拟量变化与精密地址的关系西南交通大学博士研究生学位论文第1o 页的信号的电压幅度砺呈三角波形状，这电压幅度相对反映了天线的精密位置。但是，由于天线离电缆的距离和天线发射信号的幅度，本身是不稳定的，所以以上的方法并不能准确测试精密地址。为此，引进了另_ 二对与g o 错开交叉的对线9 0 ，此对线中产生的电压幅度的三角波曲线也正好与g o 对线产生的电压幅度的锯齿波曲线错开，这二根曲线随着天线离电缆的远近和发射信号的大小同时涨落，所以它们之间的比值u o u o 是稳定的，那么我们可以用这个值来计算出精密地址的值来，理论上可以获锝任意高的定位精度。由于天线没有抗干扰能力，它发射信号时伴随噪声的发射，感应电缆地址对线获得有用信号时也不能抑制噪声，比值u d u o 与相应的位置关系也就不准，这样就不可能获得很高的定位精度，必须对比值w 蜘与相应的位置关系采用数字化以提高定位的抗干扰能力。目前可以用这种方法稳定地将最小的交叉地址间隔( 一般为l o o m m ) 分为2 0 份，即可达到5 m m 的定位精度。1 3 2 2 无线感应的通信技术在机车的通信技术中，可用图1 1 0 中的二根交叉相间的对线三o 、厶来实现机车与地面站的通信。这个情况也与精密地址的测试相似。如用一根对线三o ，那末当天线经过交叉点时收到的信号幅度最小或可能消失，通信就会中断。所以，补充了一根交叉相间的对线三l 后，在经过交叉点时，总有一对对线有信号。但是在不是交叉点时，二对信号同相则相加，反相时却要相减。为了避免这种现象，在对线l l 中送进的是移相了9 0 0 的信号，使这二对信号正交，这样二个信号相加后，幅度能均匀地变化，使通信稳定，图1 1 3 是天线收到的信号幅度和相位变化图。在一般工业应用中，可达到1 0 击臣二丑，0 。a8cd9 0 。iiiile 乞八、一原b - 、。7c图卜1 3 天线收到的信号幅度和相位变化西南交通大学博士研究生学位论文第11 页用过。1 3 3 无线感应技术在磁浮列车上的应用相对于传统轮轨列车，磁浮列车地面轨道与车体上的电磁铁是非接触式的，所以磁浮列车的通信定位有自己的特点，也就是磁浮列车与地面的通信定位必须通过无线方式。无线感应技术就是其中之。1 3 3 1 无线感应技术在磁浮列车定位上的应用很显然，上述无线感应的定位技术同样可用在磁浮列车定位上，西南交通大学杨建勇采用下述无线感应技术来实现磁浮列车与地面的通信定位。在磁浮列车轨道上平铺轨间电缆，列车上安装天线，如图1 1 4 所示f 2 0 l 。由车轨间电缆感应电压位置脉冲圈卜1 4 磁浮列车位置测试载线圈发送单高频信号，轨间电缆获得感应电压，经过脉冲整形电路处理得到位置脉冲，位置脉冲的数目反映了列车的位置变化，而位置脉冲的宽度和列车的速度成反比，通过累计位置脉冲和测定位置脉冲的宽度后，就可以知道列车的位置和速度。很显然，这种方式的定位精度为个线圈长度，不能检测到二个线圈之间的位置变化，在需要高的位置检测精度时，可以在路轨上铺设多条轨间电缆，这些电缆相互错开以提高位置分辩率，与1 3 2 1 类似。如果从轨间电缆发送单一频率信号，由天线接受，也可以实现列车的位置测试，详见文献1 2 。目前一般把定位精度设在l c m 。1 3 3 2 无线感应技术在磁浮列车通信上的应用传统列车与地面通信是依靠轨道电路【2 】，而磁浮列车运行时车体脱离轨道，所以必须采用无线方式来与地面进行通信，除了前述的毫米波、泄漏同轴电缆和1 3 1 及1 3 2 2 所述无线感应的通信技术外，还可采用沿线路中心线连续铺设轨间电缆，车上安装天线，由轨间电缆和车载天线的电磁耦合西南交通大学博士研究生学位论文第12 页回线方式实际上是1 9 2 2 年法国人提出来的方案，以传输线代替轨道形成电流回路，在传输线的终端端接电阻，其阻值等于传输线的特性阻抗，如图1 - 1 5 所示，传输线上只有行波电压与电流】，传输线与天线均没有抗干扰能力，只能作为一种实验室方式。实验结果：传输线长度为2 8 m ，宽度lj0 信号源传输线终端电阻lr 1车载天线图卜1 5 轨问电缆为传输线与车载天线构成通信通道1 2 c m ，终端电阻2 0 0 q ，车载天线为1 0 0 匝圆形线圈( 半径6 c m ，线径l m m ) ，天线与传输线距离2 0 m m ，调制方式f s k ，传输率1 2 0 0 b p s ，传输线至天线载频5 0 0 1 0 k h z ，天线至传输线载频3 0 0 1 0 k h z ，发射功率6 0 0 m w ，误码率小于1 0 4 。单导线方式是轨道上铺设直导线作为地面天线，车载天线可使用环型或棒型天线，也可以使用直导线。详见文献【2 0 1 。这种方式直导线与天线均没有抗干扰能力，也只能作为一种实验室方式。实验结果：地面天线长度为2 8 m ，车载天线为2 m ，地面天线与车载天线距离1 0 c m ，线径l m m ，调制方式f s k ，传输率1 0 0 0 b p s ，地面天线至车载天线载频5 0 0 1 0 k h z ，车载天线至地面天线载频3 0 0 1 0 k h z ，激励源电压2 4 v ，误码率小于1 0 4 。综上所述，无线感应技术可以用在列车与地面站的通信定位上，但当前的无线感应技术均没有抗干扰能力，由于磁浮列车电磁环境极其恶劣，要在磁浮列车的实际运行中运用传统无线感应技术还得再进行深入研究，目前没有文献报道上述的无线感应技术已成功用于磁浮列车的实际运行中。能不能提出一种无线感应技术，理论上能屏蔽一切外界干扰( 包括同频干扰) 而只提取自己有用信号来完成磁浮列车与地面站间的通信定位任务，并能在实际中