《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于磁遮挡技术的超低频机械天线幅度调制方法
2021年电子技术应用第5期
宋忠国,崔浩歌,席晓莉
西安理工大学 自动化与信息工程学院,陕西 西安710048
摘要: 机械天线是利用磁(极)性材料做机械运动来辐射低频信号的新型辐射机理,有望解决现有低频电天线体积大、功耗高、效率低等问题。近年来机械旋转式发射天线的研究中普遍采用的频率调制在机械驱动方面存在局限性,提出一种基于磁遮挡技术的超低频(30~300 Hz)机械天线幅度调制方法,将辐射和调制分离并独立进行。调制器通过“打开”和“闭合”两种状态控制向外传播的总场的衰减来实现调幅;采用三轴正交线圈接收不同极化方向的信号。分析了旋转永磁体产生的电磁场特性,对调制进行了仿真,搭建了实验样机验证了所提方法的可行性。实验结果表明,信息调制无需永磁体频繁改变转速,从而克服了旋转式发射天线频率调制面临的机械挑战。
中圖分類號(hào): TN95
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.201102
中文引用格式: 宋忠國,崔浩歌,席曉莉. 基于磁遮擋技術(shù)的超低頻機(jī)械天線幅度調(diào)制方法[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2021,47(5):126-130,134.
英文引用格式: Song Zhongguo,Cui Haoge,Xi Xiaoli. Amplitude modulation method of super-low frequency mechanical antenna based on magnetic shielding technology[J]. Application of Electronic Technique,2021,47(5):126-130,134.
Amplitude modulation method of super-low frequency mechanical antenna based on magnetic shielding technology
Song Zhongguo,Cui Haoge,Xi Xiaoli
School of Automation and Information Engineering,Xi′an University of Technology,Xi′an 710048,China
Abstract: Mechanical antenna is a new radiation mechanism that uses magnetic(polar) materials to radiate low-frequency signals, which is expected to solve the problems of large volume, high power consumption and low efficiency of existing low-frequency electrical antennas. In recent years, frequency modulation, which is widely used in the research of mechanical rotary transmitting antenna, has limitations in mechanical drive. This paper proposes a super-low frequency(30~300 Hz) mechanical antenna amplitude modulation method based on magnetic shielding technology, which separates radiation and modulation and performs them independently. The modulator controls the attenuation of the total field propagating outward through the states "open" and "closed" to realize amplitude modulation. Three-axis orthogonal coils are used to receive signals with different polarization directions. The characteristics of electromagnetic field generated by rotating permanent magnet are analyzed, the modulation is simulated, and an experimental prototype is built to verify the feasibility of the proposed method. The experimental results show that the information modulation does not need the permanent magnet to change the rotating speed frequently, thus overcoming the mechanical challenge faced by the frequency modulation of the rotary transmitting antenna.
Key words : super-low frequency;mechanical antenna;rotating permanent magnet;amplitude modulation

0 引言

    超低頻(30~300 Hz)電磁信號(hào)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(hào)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(duì)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(dòng)性和便攜性[2]

    2016年12月,美國國防高級(jí)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(dòng)該項(xiàng)目。“機(jī)械天線”項(xiàng)目旨在探索一種全新的無線低頻信號(hào)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(dòng)來輻射低頻電磁波[3-4]。在AMEBA項(xiàng)目的牽頭下,多個(gè)國家的高校與科研機(jī)構(gòu)開始對(duì)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(zhǎng)圓柱體以達(dá)到最小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量[5]。針對(duì)永磁體做高速旋轉(zhuǎn)在機(jī)械驅(qū)動(dòng)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(dòng)其旋轉(zhuǎn)循環(huán)遮蔽靜磁場(chǎng)來產(chǎn)生時(shí)變電磁場(chǎng)[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(dòng)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(cè)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。




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作者信息:

宋忠國,崔浩歌,席曉莉

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

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