基于旋转永磁体的低频通信技术研究

旋转永磁体天线作为一种新型低频磁天线,克服了传统低频线圈体积大、功耗高、效率低的缺点,主要应用于近场低频磁通信中。该文利用FEKO分析了天线近区磁场随方向的变化规律,探究了近场范围内无限大地面对天线近区磁场分布的影响,结果表明:天线在其径向辐射强度最大,在其轴向辐射强度最小。并且在较近的通信距离范围内,地面对磁场信号的影响较小。分析了转动惯量和磁矩之间的关系,对永磁体结构参数进行了优化,研制了两款样机,并对优化前后的旋转永磁体天线功耗进行测试,实验结果表明:在质量大30 g的情况下,优化后的永磁体天线比优化前的天线平均功耗低5.5 W左右。利用直接天线调制方式磁场的2FSK调制,通过非相干解调恢复码元信息,测试结果表明:复杂电磁环境下,优化后的永磁体天线可以在20 m范围内实现码元速率为3.5 bps的超低频通信。

旋转永磁体机械天线的辐射效率与近区磁场

为了研究旋转永磁体机械天线用于低频发信的可行性,基于磁偶极矩建立了旋转永磁体与正交电流环的场等效关系,给出了自由空间条件下旋转永磁体机械天线场分布的解析函数.在此基础上推导了旋转永磁体机械天线的辐射效率,与传统电流激励的电流环辐射效率进行对比,在100 Hz以下,旋转永磁体辐射效率高于正交电流环5个数量级以上.研究了剩磁为1.4 T的旋转永磁体在海空跨域介质的近区磁场,在空气-海水半无限大均匀介质模型中,受海空分界面产生的侧面波影响,旋转永磁体在海水中的衰减速度远低于无限大海水的情况,这种侧面波效应可拓展旋转永磁体机械天线的水下通信距离.

旋转磁偶极子式超低频发射天线辐射特性

超低频电磁波(30~300 Hz)在水和土壤中的路径损耗较小,因此在海底、矿井应急、地震预报及军事等领域具有不可替代的作用。为实现小型化和低功耗的超低频机械天线,对运动磁偶极子辐射特性进行了研究。通过控制永磁体旋转产生交变磁场,辐射超低频电磁波;将旋转永磁体等效为其表面安培电流,依据法拉第电磁感应定律,结合安培电流模型,引入永磁体参数及被测距离建立辐射功率解析模型;分析实验研究影响因素与旋转永磁体辐射功率的关系,并利用二进制数字频率信号调制进行通信实验。结果表明:旋转永磁体在空间辐射功率与永磁体剩磁的平方、永磁体体积的3次方呈正比,与测试距离的4次方呈反比;通过对转速的实时控制,以及对信号进行时频域变换,实现了超低频通信。

超低频天线最优波束成形设计研究

针对现有超低频天线发射端单一化缺陷和通信距离受限瓶颈,为实现超低频电磁发信系统的小型化和远距离传输,该文对旋转式永磁体机械天线的超低频电磁发信技术进行了理论创新和工程实践。探究多输入单输出(MISO)场景下超低频多机械天线电磁辐射理论,建立了基于三相感应电机的多机械天线阵列的空间磁场分布模型。仿真结果表明:利用三相感应电机组成的2元机械天线阵列可使磁感应强度在近场提高3 dB。该文还提出了多天线超低频近场最优波束成型技术。仿真结果表明:当天线之间的初始相位相等时径向接收磁场分量场强最大。设计高精度同步技术并搭建原理样机进行测试,实验结果表明:发送端采用2元天线组阵,信号功率提高6 dBm,传输距离可达50 m。

半固态铸造的磁场与搅拌力分析

通过磁路半集总参数分析，提出了用旋转永磁体法制备非枝晶组织半固态浆料的磁路设计原则。并根据磁荷模型对工作区内的磁场及搅拌力进行了计算和讨论，其结果与实测吻合较好。

基于磁遮挡技术的超低频机械天线幅度调制方法

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。