用于高频等电位连接的布置和轨道车辆的制作方法

1.本实用新型涉及一种用于布置在轨道车辆的转向架中或上的天线与轨道车辆的车身之间的高频等电位连接的布置以及一种具有这种布置的轨道车辆。


背景技术：

2.从文献wo 2011/039002 a1中已知一种轨道车辆，其具有列车保护系统的指向轨道的至少一个车辆天线。
3.欧洲列车保护系统etcs(european train control system)另外使用安装在车辆的地板下的天线进行轨道车辆与轨道或基础设施等之间信息交换。在此，车辆天线以高频(27mhz)将电磁能量发射到轨道路基中，从而将安装在轨道路基中的天线(也称为应答器balise或欧洲应答器eurobalise)通电，由此将其激活。通电的应答器将其信息调制(fsk调制)到高频载波(4.2 mhz)上，并且将信息发送到车辆天线。由此，对于高达500km/h的轨道车辆速度，信息可以以565kbit/s的数据传输速率进行传输。
4.出于屏蔽的原因，车辆天线本身在面向车辆底部的一侧具有金属板，该金属板要为天线阻挡由车辆(从上方)产生的干扰。为了避免该屏蔽板用作存在于天线的环境中的干扰场的接收天线，必须将该屏蔽板低阻抗地与车身连接(低阻抗等电位连接)。在理想情况下，这通过将该板直接平坦导电地接触到车身进行，例如借助金属裸露的螺旋连接表面。
5.此外，天线和所连接的电子系统之间的通常同轴的连接导线的外导体通常在两侧与车身电连接，或者在天线安装在转向架的情况下与转向架框架电连接。为此同样需要低阻抗等电位连接以避免干扰。
6.但是，出于不同的原因，对于高频、尤其是在etcs的载波频率范围内通常不能实现这种低阻抗等电位连接。因此，例如由于火花形成(其例如通过主开关通断过程、集电弓跳变(b
ü
gelspringer)、驶过分离点等产生)而生成的电磁瞬时电流，由于对于高频来说不足够的低阻抗等电位连接在etcs 系统中引起不利的干扰。


技术实现要素：

7.在此，已经识别出两个问题，其中第一个问题涉及天线屏蔽板的低阻抗等电位连接。
8.在将天线安装在转向架中的情况下，天线与车身之间不可能有大面积的导电连接，因为转向架与车身之间的必须可移动的等电位连接通常借助导电的圆股线或扁平带来实现。
9.但是，这些等电位连接导体的缺点在于，由于随着频率增加的、复数的、主要是感性的电阻，等电位连接导体在mhz频率范围内具有不可忽略的阻抗。例如，0.5m长的等电位连接导体的感性电阻，在4.2mhz的etcs接收频率下(在假定等电位连接导体的单位长度电感约为1μh/m的情况下) 具有例如大约13ohm的值。
10.此外，由于通常不将天线直接安装在转向架框架上，而是安装在天线载体或安装
件上，因此将从天线经由安装件到转向架框架直到车身的阻抗相加。图1示出了从天线到轨道车辆的车身的等电位连接的相关示例。
11.第二个问题涉及同轴天线电缆的外导体的接地，通常将该同轴天线电缆用作车辆天线与列车保护系统的电子器件之间的传输电缆。对于同轴电缆，去向电流在内导体中流动，返回电流在同轴的、管状的外导体中流动。
12.现在，在车辆天线的侧面，该外导体通常与背面的天线屏蔽板导电连接，从而又与转向架框架导电连接。在通常布置在车身内或车身上的电子器件柜或电子器件容器的侧面，外导体通常与车身连接。因此，外导体形成转向架与车身之间的电连接。从电气角度来看，该连接是转向架与车身之间的等电位连接导体的并联电路，请参见图2。
13.由于火花形成和由此形成的火花切断，主开关
‑
开关操作尤其是代表了高频干扰发生器。在此，所形成的高频干扰电流i
emv
可以经由车身
‑
转向架
‑ꢀ
轨道
‑
电网阻抗流回到主开关。图2中示出了流过车辆的干扰电流的示例性路径。
14.根据本实用新型，提供了一种用于布置在轨道车辆的转向架中或上的天线与轨道车辆的车身之间的高频等电位连接的布置，等电位连接借助串联谐振电路实现，串联谐振电路关于对于借助天线进行信号传输所使用的载波频率进行调谐。
15.根据一种实施方式，在布置在转向架中的轮对与车身之间还布置有另外的串联谐振电路。
16.根据另外的实施方式，在天线电缆的外导体与天线和/或电子组件或其外壳之间布置有另外的串联谐振电路，电子组件在信号技术上与天线连接。
17.根据另外的实施方式，串联谐振电路具有至少一个串联电路，串联电路由电导体的电感和电容组成。
18.根据另外的实施方式，串联谐振电路还具有与电感和电容串联连接的电阻。
19.此外，本实用新型还提出了一种轨道车辆，其具有如前面所述的布置。
20.根据一种实施方式，至少一个车辆天线是欧洲列车保护系统etcs的车辆天线。
21.根据另外的实施方式，轨道车辆被设计为电动列车或机车。
附图说明
22.图1示出了从天线到轨道车辆的车身的等电位连接的相关示例；
23.图2中示出了流过车辆的干扰电流的示例性路径；
24.图3示出了车辆天线在车身上的示例性布置；
25.图4示例性示出了等电位连接的原理图；
26.图5示例性地说明陷波电路的应用。
具体实施方式
27.图1示出了从天线到轨道车辆的车身的等电位连接的相关示例。在此，构件a和b是机械结构，例如是由导电材料制成的控制台或天线载体。为了建立等电位连接，需要金属裸露的接触表面，或者使用将各个构件彼此电连接的等电位连接导体。在后一种情况下，等电位连接经由一系列等电位连接导体实现，这些等电位连接导体具有总电感l1 l2 l3 l4，还要加上机械构件本身的相对较小的电感。即使将所有的接触表面都实施为导电的，电感l1
的阻抗仍然会影响天线与车身之间的高频等电位连接。
28.图2中示出了流过车辆的干扰电流的示例性路径。图2示出了天线与电子器件柜之间的连接导线中的瞬时干扰电流i
emv
(红色箭头)与信号系统的有用电流(蓝色箭头)的示例性叠加。由于车身与转向架之间通过同轴外导体实现的附加的连接，不是高频干扰电流的全部部分都流经车身与转向架之间的保护连接，而是有一部分流经同轴外导体。这种高频瞬时干扰电流直接与在其上流过的天线电流叠加，并且因此电流耦合到有用信号。通过这种电流耦合，列车保护系统就能够被较小的瞬变干扰。
29.即使天线电缆仅在一侧接地并且例如在天线侧没有与转向架导电连接，天线或连接插头与天线屏蔽板之间的寄生电容通常已经足够可以在4.2mhz 下让相关电流流过。
30.如果转向架相对于轨道电气绝缘并且没有接地触点，则同样适用。在此，转向架框架与轮对或轮对摆臂之间的寄生电容已经足以使高频干扰电流从转向架框架流到轨道。这在图2中示例性地指示为阻抗z1。
31.此外，由于如前面已经解释的，在mhz频率范围内不再可以忽略转向架与车身之间的等电位连接导体的阻抗z2，情况变得严峻。
32.如果同轴电缆在至车身的出发点(absprungstelle)处例如通过中间插头引导至转向架(图2中未显示)，并且同轴外导体在那里相对低阻抗地与车身连接，则天线与中间插头之间的相对较短的同轴外导体的阻抗再次减小，因此导致仍然较高的高频干扰电流的分量流经同轴外导体。
33.优选地，车辆天线直接安装在车身上。通过安装在天线背面的屏蔽板与车身之间的螺纹连接可以在屏蔽板与车身之间建立非常好的、低电感并且由此低阻抗的连接，特别是当螺纹连接的机械接触表面是金属裸露的时。
34.如果不是这种情况，则可以通过尽可能短的接地导线实现接地，例如在图3中示例性示出的。然而，由于接地导线在较高频率下形成的寄生电感，该接地类型不如平坦的接地有利。
35.图3示出了车辆天线在车身上的示例性布置。如果天线载体在其螺纹连接表面上以及车身上和天线上相关联的安装表面上是金属裸露的，则提供了非常好且低电感的天线接地。如果不是这种情况，则相应于图示，通过具有相关联的寄生电感l1和l2的接地导线将天线接地。
36.由于安装在车身上，相对于将车辆天线安装在转向架上的情况，前面讨论的两个问题以明显较小的程度出现。通常，可以通过与安装表面的导电连接来实现足够低阻抗的等电位连接，从而使系统具有足够的抗干扰性(emc)。
37.本实用新型假定，天线布置在轨道车辆的转向架上。由于不同的原因、特别是由于轨道车辆的转向架外部的地板下区域中缺少可用空间，这可能是必要的。
38.根据本实用新型，代替常规的电导体，将陷波电路、特别是以串联谐振电路的形式用于高频等电位连接。这种陷波电路例如可以通过以下方式实现：将电容器以及必要时的衰减电阻与电导体、例如电线、圆股线或扁平带串联连接，并将陷波电路调谐为车辆天线的接收频率。
39.为此，图4示例性示出了仅等电位连接导体的原理图(左)；借助与等电位连接导体串联连接的电容器的高频等电位连接的原理图(中间)，其中电容器的电容cs与导体的寄生
电感ls一起作为lc陷波电路或串联谐振电路起作用。相应于第三图示，可以补充地设置附加电阻，该电阻与电容器串联连接(右)。
40.导线的电感与电容器的电容一起作为lc陷波电路起作用。也被称为串联谐振电路的该陷波电路在谐振频率的范围内起到如短路的作用，即在此是非常低阻抗的。选择电容值，使得所形成的由导线电感和电容组成的串联谐振电路具有谐振频率，该谐振频率例如与etcs接收信号的中心频率f＝4.2 mhz一致。必要时，除了电容器外，还可以连接电阻作为衰减元件，以实现陷波电路特性的足够的带宽，并且完全满足fsk信号频谱中的两个最大值 (etcs
‑
fs
‑
天线信号的565kbit/s数据传输速率下的3.9505mhz和 4.5165mhz)。然而，附加的电阻具有如下缺点：其不利地增加了陷波电路的最小阻抗。必要时，在陷波电路谐振频率下的导线和电容的欧姆电阻作为电阻值就已经足够。
41.通过这种布置有利地实现了，用于高频、特别是4.2mhz的etcs接收频率范围内的任意构件都可以低阻抗地相互连接。
42.参照图5示例性地说明陷波电路的应用。在此，基于图2的实施例已经实施以下措施。
43.为瞬时高频电流提供了从车身直接到轨道的尽可能低阻抗的路径。为此，在转向架(如果还不存在车辆天线，则在转向架上布置车辆天线)的轮对上设置轮对触点或接地触点。具有等效电感ls1的引线连接到该轮对触点，并且电容器cs1与该引线串联连接。将由此形成的串联谐振电路调谐至etcs 系统的4.2mhz接收中心频率。由此，在接收中心频率的范围内，高频干扰电流i
emv
从车身直接流向轨道。
44.在此要注意的是，由ls1和cs1组成的串联谐振电路不能引导低频平衡电流或运行电流、例如牵引电流网络的单相交流电流的16.7hz或50hz的返回电流。因此，低频的等电位连接或运行电流返回不受本实用新型的影响。但是，必要时可以共用已经存在的接地触点。因此，接地触点例如通常提供了连接两条导线的可能性。
45.此外，天线屏蔽板应当找到尽可能低阻抗的、到车身的等电位连接。这通过具有等效电感ls2和串联连接的电容cs2的导线直接将天线上方的天线板与车身连接来实现。在此，通过调谐至etcs系统的接收中心频率4.2mhz，在此还实现了天线与车身之间的低阻抗连接。
46.最后，天线电缆的同轴外导体应当具有两侧低阻抗的、到车身的等电位连接。这通过将外导体在一侧、即在天线侧与天线板连接来实现。如果外导体已经在天线中与天线板导电连接，则关于屏蔽板的前面的措施已经足够。然而，如果外导体与天线板绝缘，则同轴外导体例如在到天线的入口处直接通过另外的第三陷波电路与车身连接(在图5中未具体示出)。
47.只要同轴外导体在另外一侧通过电子器件柜在高频下低阻抗地与车身连接，这就足够了。但是，对于在电子器件柜一侧所述连接在高频范围内同样不是足够低阻抗的情况，在此也可以设置陷波电路。
48.为了在列车保护系统的工作频率范围内对高频瞬时干扰电流进行等电位连接，根据本实用新型地使用陷波电路示出了作为已知的平坦的高频等电位连接的替换方案或补充方案，从而避免具有相应不能忽略的电抗的导线电感的缺点。
49.与基于欧洲列车保护系统etcs的上面的实施无关，本实用新型适用于在其中需要
在高频范围内起作用的等电位连接的所有系统。这尤其包括法国的列车保护系统kvb( vitesse par balises)和瑞典的列车保护系统 atc，该系统同样基于被动应答器。
50.本实用新型涉及高频的等电位连接，并且主要用于确保足够的电磁兼容性(emc，electromagnetic compatibility)、特别是在轨道车辆中应用的etcs 系统的抗干扰性。在此，这种高频等电位连接借助串联谐振电路具有与通常的用于电气安全性的等电位连接不同的目的。相应地，为了电气安全性可能需要附加的等电位连接。