基于磁遮擋技術(shù)的超低頻機(jī)械天線幅度調(diào)制方法*

2021-05-29 08:13:34宋忠國崔浩歌席曉莉

電子技術(shù)應(yīng)用 2021年5期

宋忠國，崔浩歌，席曉莉

(西安理工大學(xué) 自動化與信息工程學(xué)院，陜西西安 710048)

0 引言

超低頻(30～300 Hz)電磁信號傳播距離可遠(yuǎn)至數(shù)千乃至數(shù)萬公里，海水穿透力可深達(dá)百米，信號傳播穩(wěn)定可靠[1]，在水和巖層等特殊介質(zhì)中的路徑損耗較小，在對潛通信、礦井救援和軍事等領(lǐng)域具有不可替代的作用。但是目前的低頻電天線尺寸巨大，功耗極高，現(xiàn)實(shí)中往往占地?cái)?shù)平方公里，高數(shù)百米，不僅建造使用成本高昂，更是嚴(yán)重限制了超低頻無線通信系統(tǒng)的機(jī)動性和便攜性[2]。

2016年12月，美國國防高級研究計(jì)劃局(Defense Advanced Research Projects Agency)的微系統(tǒng)辦公室首次提出了“機(jī)械天線(A Mechanically Based Antenna，AMEBA)”的理念，并決定在2017年8月正式啟動該項(xiàng)目?！皺C(jī)械天線”項(xiàng)目旨在探索一種全新的無線低頻信號發(fā)射機(jī)理，通過特殊材料，如永磁體或駐極體做機(jī)械運(yùn)動來輻射低頻電磁波[3-4]。在AMEBA項(xiàng)目的牽頭下，多個國家的高校與科研機(jī)構(gòu)開始對機(jī)械天線進(jìn)行初步的探索。Akron大學(xué)的MADANAYAKE A等人首先提出并分析了電機(jī)控制永久極化偶極子做低頻機(jī)械旋轉(zhuǎn)的輻射方案，并將偶極子設(shè)計(jì)為細(xì)長圓柱體以達(dá)到最小的轉(zhuǎn)動慣量[5]。針對永磁體做高速旋轉(zhuǎn)在機(jī)械驅(qū)動上的挑戰(zhàn)，科羅拉多大學(xué)的GOLKOWSKI M等人提出在靜態(tài)永磁體前端增加帶有開口的導(dǎo)磁材料(磁快門)，驅(qū)動其旋轉(zhuǎn)循環(huán)遮蔽靜磁場來產(chǎn)生時變電磁場[6]。在甚低頻(3 kHz～30 kHz)頻段，美國SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室的KEMP M A等人提出了一種基于壓電鈮酸鋰材料進(jìn)行機(jī)械振動的輻射機(jī)理[7]，其逆向利用壓電效應(yīng)，往壓電材料中饋入特定頻率的交流電使其反復(fù)伸縮形變，形成振蕩向外輻射電磁波，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，其輻射效率和帶寬比同尺寸的電小天線提高了300倍和83倍以上。

國內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)也很快對機(jī)械天線展開了研究。西安電子科技大學(xué)的弓樹宏等人基于安培電流模型對旋轉(zhuǎn)永磁體進(jìn)行了理論建模，并仿真驗(yàn)證了其近場分布特點(diǎn)[8]；大連交通大學(xué)的王曉煜等人分析了超低頻旋轉(zhuǎn)永磁體在空間的輻射功率與實(shí)驗(yàn)影響因素的關(guān)系，為超低頻天線尺寸評估和優(yōu)化提供了借鑒[9]；國防科技大學(xué)的周強(qiáng)等人研究了旋轉(zhuǎn)永磁體的輻射機(jī)理，提出了采用銣鐵硼永磁體作為輻射源和旋轉(zhuǎn)伺服驅(qū)動系統(tǒng)的機(jī)械天線技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案[10]。

然而，在信號調(diào)制方面，上述所有輻射方案中提及的調(diào)制方法均為頻率調(diào)制，針對旋轉(zhuǎn)永磁體或駐極體的輻射方式，在調(diào)制過程中需要頻繁改變輻射源的轉(zhuǎn)速[11]。例如在文獻(xiàn)[9]中，對旋轉(zhuǎn)永磁體進(jìn)行頻率調(diào)制時需要將轉(zhuǎn)速在3 600 rad/min(60 Hz)和12 000 rad/min(200 Hz)之間頻繁切換，這對驅(qū)動電機(jī)的性能要求大大增加。由于目前市場上的高速電機(jī)輸出扭矩有限，頻繁地變速會使電機(jī)長期工作于過載狀態(tài)，從而導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱，有損設(shè)備的使用壽命，更是降低了信號持續(xù)發(fā)射的可靠性。而磁(極)性材料的磁化(極化)強(qiáng)度一經(jīng)固定，在工作中不可能實(shí)時改變輻射強(qiáng)度，所以從輻射場源角度出發(fā)的幅度調(diào)制也不適用[12]。

受啟發(fā)于文獻(xiàn)[5]與文獻(xiàn)[13]中利用旋轉(zhuǎn)磁快門循環(huán)遮蔽靜磁場的輻射機(jī)理，本文借鑒其思路，將其用于幅度調(diào)制，設(shè)計(jì)了一種基于磁遮擋技術(shù)的超低頻機(jī)械天線幅度調(diào)制方法，將輻射和調(diào)制分離并獨(dú)立進(jìn)行，調(diào)制過程中永磁體不需要改變轉(zhuǎn)速，并且采用三軸正交線圈進(jìn)行信號的任意空間位置的接收。對調(diào)制方法進(jìn)行了數(shù)值仿真，搭建了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行了通信實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提方法的可行性，彌補(bǔ)了現(xiàn)有機(jī)械天線調(diào)制方面的不足。

1 機(jī)械天線的電磁理論

機(jī)械天線是基于旋轉(zhuǎn)的磁偶極子。磁偶極子靜止時，其磁矩Pm為：

式中，M和V分別是永磁體的剩磁和體積。當(dāng)磁偶極子以坐標(biāo)原點(diǎn)為中心，在xOz平面以角速度沿順時針方向勻速旋轉(zhuǎn)，其磁矩等效于兩個正交且相位差90°的磁偶極子磁矩的疊加：

將式(2)轉(zhuǎn)換到球坐標(biāo)系為：

綜上所述可以得出旋轉(zhuǎn)磁偶極子的電磁場衰減特性：在近場范圍(kr遠(yuǎn)小于1)內(nèi)，磁場強(qiáng)度與距離的3次方成反比，電場強(qiáng)度與距離的2次方成反比；在遠(yuǎn)場范圍(kr遠(yuǎn)大于1)內(nèi)，磁場強(qiáng)度和電場強(qiáng)度與距離的1次方成反比。在實(shí)際應(yīng)用中，增大永磁體體積和剩磁可以產(chǎn)生更強(qiáng)的輻射場。根據(jù)文獻(xiàn)[15]中給出的分析結(jié)果，不同距離下由圓柱形永磁體和駐極體產(chǎn)生的磁通密度與頻率的關(guān)系可以得出，在最大磁(極)化的條件下(磁化強(qiáng)度Br=1.5 T(銣鐵硼)，極化強(qiáng)度P=30 μC/cm2)永磁體比駐極體更適合作為輻射源。

2 幅度調(diào)制方法

磁場穿過導(dǎo)磁材料時會在其介質(zhì)中產(chǎn)生一部分磁回路，如同部分磁場被磁介質(zhì)“匯聚”一般，所以導(dǎo)磁材料對穿過后的磁場具有一定的“衰減”能力，衰減程度與導(dǎo)磁材料的相對磁導(dǎo)率有關(guān)。利用COMSOL仿真永磁體周圍無磁性介質(zhì)和其磁場穿過磁性介質(zhì)的磁場分布如圖1所示。

圖1 磁性介質(zhì)對磁回路的影響

在文獻(xiàn)[5]中，研究人員將永磁體固定，在其前端放置由電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)的磁快門輪盤。這種快門輪盤被設(shè)計(jì)成具有若干個等間隔開口，繞其軸心旋轉(zhuǎn)時對永磁體前方的磁場進(jìn)行交替變化的“遮擋”和“開放”效果，進(jìn)而形成時變電磁場。其工作原理類似于光源前的光學(xué)半透明快門。

這一方法是用于輻射方面，借鑒其思路，本文設(shè)計(jì)了一種同樣由機(jī)械驅(qū)動的磁快門式的調(diào)幅裝置。發(fā)射系統(tǒng)的示意圖如圖2所示。作為輻射源的永磁體固定在一個空心轉(zhuǎn)軸上并與驅(qū)動電機(jī)軸相連。調(diào)制器部分由兩個相對磁導(dǎo)率約為400的軟磁材料制成的帶有等間隔空隙的管殼組成，其外層部分固定在永磁體周圍，內(nèi)層部分通過連接軸承由另一個電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。調(diào)制器兩部分的實(shí)際結(jié)構(gòu)如圖3所示，兩個管壁之間的距離應(yīng)當(dāng)盡量小，當(dāng)內(nèi)層部分以特定姿態(tài)旋轉(zhuǎn)時，會與外層部分形成“打開”和“閉合”兩種狀態(tài)，輻射場會受到兩種不同程度的遮擋效果，從而影響發(fā)射信號的幅度。因此，輻射場的幅度調(diào)制可以通過電機(jī)驅(qū)動調(diào)制器以特定的方式旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)。

圖2 發(fā)射系統(tǒng)示意圖

圖3 調(diào)制器外層和內(nèi)層部分的實(shí)際結(jié)構(gòu)

調(diào)制的仿真結(jié)果如圖4所示。可以觀察到，當(dāng)調(diào)制器處于“打開”狀態(tài)時，外泄出調(diào)制器的磁通密度要多于“閉合”狀態(tài)時外泄的磁通密度。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)可知，穿過調(diào)制器的磁場在不同極化方向的分量都受到了衰減，這就說明可以采用三維磁接收天線接收信號，接收端處于空間任意位置且處于任意自旋姿態(tài)時，只需測量各個極化方向的磁場分量并求出總的模值即可實(shí)現(xiàn)信號的解調(diào)。

圖4 調(diào)制的仿真結(jié)果

3 調(diào)制與解調(diào)效果實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

機(jī)械天線發(fā)射系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖5所示。圓柱形永磁體(直徑2 cm、長4 cm、磁化強(qiáng)度約為1.2 T的銣鐵硼)嵌入一個空心軸與電機(jī)相連。永磁體和調(diào)制器內(nèi)層部分都由TC-E 60 2B型伺服電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，最大轉(zhuǎn)速6 000 rpm，驅(qū)動器旋轉(zhuǎn)A6型，最大輸出功率為400 W；用鋁合金框架固定(鋁材料的相對磁導(dǎo)率幾乎為零，對永磁體周圍磁場的影響可以忽略不計(jì))。采用履帶的目的是使電機(jī)2偏離主輻射方向，即永磁體轉(zhuǎn)軸方向，減少電機(jī)2對輻射信號的影響；加入履帶還可以輔助減速，使調(diào)制器的調(diào)節(jié)過程更加穩(wěn)定。

圖5 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

輻射的磁場信號由三維正交線圈感應(yīng)檢測，并饋入高性能數(shù)據(jù)采集模塊轉(zhuǎn)換成電壓信號。解調(diào)信號由三個極化方向的測量值Va、Vb、Vc計(jì)算出的兩種不同的總電壓值Vtotal決定，然后根據(jù)定義的邏輯提取信號，例如高電壓值代表邏輯“1”，低電壓值代表邏輯“0”?？傠妷褐涤?jì)算方法為：

主要的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。在通信實(shí)驗(yàn)中，電機(jī)1驅(qū)動永磁體始終以恒定的速度旋轉(zhuǎn)，同時上位機(jī)將設(shè)定的待發(fā)射信號(如“10101101”)傳輸至FPGA并控制電機(jī)2驅(qū)動調(diào)制器的內(nèi)層部分轉(zhuǎn)動，與調(diào)制器外層部分形成對應(yīng)的狀態(tài)。采樣頻率為303 Hz，接收信號的三個極化分量時域波形如圖6所示。

表1 主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)

根據(jù)式(7)計(jì)算出總電壓值，其時域波形波形如圖7所示。根據(jù)圖6、圖7可知，同一時刻不同極化方向接收到的信號存在相位差，使得在接收位置處的總電壓幅值振蕩，但由高低兩種電壓峰值仍然可以提取出兩種邏輯電平“1”和“0”，從而解調(diào)出發(fā)射信號。最終解調(diào)時域波形如圖8所示。由于調(diào)制器由機(jī)械驅(qū)動，受機(jī)械方面的限制，存在一定的調(diào)制轉(zhuǎn)換時間（長短與電機(jī)制動性能有關(guān)）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提出的調(diào)制方法可以在不改變永磁體轉(zhuǎn)速的條件下進(jìn)行調(diào)制，并且接收信號的解調(diào)效果也不受接收端位置和姿態(tài)的影響，因此解決了頻率調(diào)制不適用于機(jī)械式天線發(fā)射系統(tǒng)的問題，克服了機(jī)械方面的挑戰(zhàn)。

圖6 接收信號的三個極化分量時域波形

圖7 總電壓值時域波形

圖8 解調(diào)結(jié)果時域波形

4 結(jié)論

本文介紹了一種基于磁遮擋技術(shù)的機(jī)械天線幅度調(diào)制方法，解決了頻率調(diào)制在機(jī)械驅(qū)動方面的限制性問題，并通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺驗(yàn)證了該方法的可行性，通信實(shí)驗(yàn)結(jié)果完整可靠，為以后的機(jī)械天線研究和工程實(shí)驗(yàn)提供了可行的信息調(diào)制方法。