基于旋轉(zhuǎn)永磁體的低頻通信技術研究

張 鋒 孫發(fā)曉 渠曉東 宮兆前 紀奕才 方廣有

①(中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院 北京 100094)

②(電磁輻射與探測技術重點實驗室 北京 100190)

③(中國科學院大學電子電氣與通信工程學院 北京 100049)

1 引言

甚低頻以下波段(＜30 kHz)的電磁波在一般導電介質(zhì)中具有趨膚深度大、衰減慢、傳輸距離比較長的特點[1]，在水下、地下通信等領域中具有巨大的應用前景。但該頻段電磁波波長非常大，導致傳統(tǒng)天線尺寸很大。即便如此，與其波長相比傳統(tǒng)天線仍屬于電小天線范疇，輻射效率較低。除此之外，該頻段天線需要引入匹配網(wǎng)絡對其進行阻抗匹配，匹配單元引入的損耗，使得天線的效率變得更低。

為了解決傳統(tǒng)低頻天線效率低、功耗高以及體積大的問題，美國國防高級研究計劃局[2,3](Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)提出了“機械天線”這一研究方向。不同于傳統(tǒng)天線依靠導體中的振蕩電流輻射電磁波，機械天線通過機械運動的電荷或者磁矩直接激勵電磁波，是一個將機械能轉(zhuǎn)換為電磁能的過程，其中不需要阻抗匹配網(wǎng)絡，有望實現(xiàn)小型化、高效率的低頻發(fā)射天線。受限于電機扭矩，該類型天線所產(chǎn)生的信號頻率較低，使得天線工作于近場區(qū)，主要應用于近場磁通信等場景。

Burch等人[4]利用實驗驗證了旋轉(zhuǎn)永磁天線產(chǎn)生磁場信號的可行性，并且通過改變永磁體相對地面的放置方式證明在垂直于磁體旋轉(zhuǎn)軸方向輻射強度最大，平行旋轉(zhuǎn)軸的方向場強最小。Fawole等人[5]在永磁體的徑向放置偏置磁極以增強永磁體的輻射，在軸向放置磁極規(guī)律地控制永磁體磁矩的變化以實現(xiàn)調(diào)制的目的。Selvin等人[6]從系統(tǒng)消耗電能和產(chǎn)生電磁能角度論述了天線效率的問題，并且提出搭建天線陣列提高天線效率的方法。除此之外，Golkowski等人[7]提出一種永磁體固定，旋轉(zhuǎn)由軟磁材料制成的葉片得到時變磁場的機械天線。為獲得頻率為ω的磁場信號，開口數(shù)量為N的葉片轉(zhuǎn)速降低到ω/N。Prasad等人[8]提出磁擺陣列天線，相比線圈天線，磁擺陣列天線的效率提高約6.55 dB。Strachen等人[9]提出一種通過控制永磁體周圍屏蔽材料磁導率而改變輻射場強的調(diào)制方式。該方式將通電線圈纏繞于屏蔽材料之上，通過改變線圈電流的大小控制材料的磁導率，以控制屏蔽效果，進而完成幅度調(diào)制。國防科大周強團隊[10-12]分析了各類機械天線的輻射機理，且利用線圈天線完成2FSK信號的發(fā)射與接收，但并未對接收信號作進一步解調(diào)處理。Bickford團隊[13]通過仿真對包絡尺寸為1 m3的旋轉(zhuǎn)永磁體天線和線圈進行了比較，結(jié)果表明前者的效率比后者高5個量級左右。

本文比較了旋轉(zhuǎn)永磁體天線和傳統(tǒng)低頻線圈在獲得相同大小磁矩的情況下，所占用空間的情況。通過仿真給出天線近場歸一化磁感應強度隨方位角度的變化，并且分析了在其近場范圍內(nèi)，地面對天線近區(qū)磁場分布的影響。并且探究了永磁體尺寸規(guī)格對系統(tǒng)功耗的影響。除此之外，利用直接天線調(diào)制的方式對磁場信號進行頻率調(diào)制得到2FSK信號，并且利用非相干解調(diào)的方法成功解調(diào)出信息碼元，在復雜電磁環(huán)境下實現(xiàn)了20 m范圍內(nèi)，碼元速率為3.5 bps的超低頻通信。

2 低頻天線小型化以及地面對其輻射特性的影響

2.1 低頻天線小型化

由式(2)-式(4)可知，輻射場強與天線所提供的磁矩成正比，因此旋轉(zhuǎn)永磁天線輻射源采用目前磁性最強的釹鐵硼材料，其剩余磁感應強度可以達到1.4 T以上。

如圖1所示的旋轉(zhuǎn)永磁體天線，采用剩余磁感應強度Br=1.4 T、半徑13 mm、高度40 mm的圓柱型N52釹鐵硼永磁體，由式(1)計算可得其發(fā)射磁矩為24 Am2。傳統(tǒng)線圈天線的磁矩與線圈電流和面積有關，與線圈形狀無關[14]，一個線徑1.38 mm的29匝線圈，其高度為40 mm，當饋電電流為10 A時，若要產(chǎn)生24 Am2大小的磁矩，線圈天線的直徑將達到0.32 m，體積是旋轉(zhuǎn)永磁體的151倍。雖然線圈可以增加匝數(shù)來降低線圈半徑，但是匝數(shù)的增加會引入損耗電阻，影響天線的效率，同時會增加線圈的電感，為保持發(fā)射電流，必須增加發(fā)射機的輸出功率。這充分證明了旋轉(zhuǎn)永磁體天線在低頻天線小型化方面的優(yōu)勢。

圖1 旋轉(zhuǎn)永磁體天線結(jié)構示意圖

2.2 天線輻射特性及地面影響

低頻通信技術在透地通信中應用廣泛，考慮實際應用場景，低頻天線被放置于地面上。地面作為一種導電媒質(zhì)對天線輻射的磁場信號可能會有一定的影響。

為探究地面對天線輻射的影響，利用FEKO建立放置于距水平地面0.5 m高的正交磁流元模型，比較有無地面兩種情況下磁場徑向分量Br的大小，得到如圖3的結(jié)果。可知：在其近場范圍內(nèi)，徑向充磁、軸向旋轉(zhuǎn)的永磁體天線，其磁場分布受地面的影響較小。但隨著距離的變大，磁感應強度變小，地面對其強度的影響越來越明顯。

圖2 近場磁感應強度變化曲線

圖3 地面對磁場徑向分量的影響

3 輻射源優(yōu)化

旋轉(zhuǎn)永磁體天線是通過伺服系統(tǒng)控制電機驅(qū)動永磁體旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)“電能-機械能-電磁能”的能量轉(zhuǎn)換。在工作過程中，磁體所受摩擦力的影響可忽略不計，電機需要克服慣性做功所消耗的能量直接影響天線效率。為了進一步提高旋轉(zhuǎn)永磁體天線的效率，對輻射源的尺寸進行優(yōu)化十分必要。

永磁體旋轉(zhuǎn)所需要的電機扭矩與旋轉(zhuǎn)角加速度及轉(zhuǎn)動慣量相關。在運動狀態(tài)確定的情況下，其角加速度確定，轉(zhuǎn)動慣量I的大小直接影響永磁體天線旋轉(zhuǎn)所需的電機扭矩。為減小旋轉(zhuǎn)過程中空氣摩擦對天線的影響，一般選用圓柱形永磁體。對于密度為ρ、 高度為h、半徑為R的圓柱形永磁體，轉(zhuǎn)動慣量可以表示為

從圖4的結(jié)果來看，當旋轉(zhuǎn)永磁體天線所需磁矩大小確定，適當?shù)販p小磁體半徑、增加高度可以減小永磁體旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動慣量，即在圖中從B點到A點的過程。降低天線對扭矩的需要，可進一步提高天線效率。但若半徑過小，高度過大，會導致永磁體在旋轉(zhuǎn)過程中發(fā)生抖動的現(xiàn)象。

圖4 轉(zhuǎn)動慣量、磁矩隨永磁體尺寸的變化

4 調(diào)制解調(diào)原理

傳統(tǒng)無線通信的調(diào)制是將基帶信號調(diào)制到載波上，再經(jīng)過天線將已調(diào)信號輻射出去。而直接天線調(diào)制(Direct Antenna Modulation, DAM)方式是將信息加載到天線輻射場上完成信息的調(diào)制與發(fā)射[16]。旋轉(zhuǎn)永磁體天線便可利用該調(diào)制方式實現(xiàn)信息碼元對電機轉(zhuǎn)速的控制，從而得到不同頻率的磁場信號，完成頻率調(diào)制，其原理如圖5所示。

圖5 機械天線頻率調(diào)制原理

對于接收到的2FSK信號，可以采用非相干解調(diào)的方式解調(diào)出原始信息碼元，其原理框圖如圖6所示。在接收端，將接收到的信號通過陷波濾波器濾除工頻信號，經(jīng)過以兩個載波頻率為中心頻率的帶通濾波器后利用包絡檢波的方式提取出其包絡信息進行歸一化，選取合適判決值便可解調(diào)得到信息碼元。

圖6 非相干解調(diào)流程框圖

5 實驗驗證

為了驗證以上關于輻射源優(yōu)化以及調(diào)制解調(diào)的理論分析，研制了兩套天線樣機，樣機天線分別以不同規(guī)格的永磁體作為天線輻射源，相關規(guī)格如表1所示。

表1 兩個永磁體的相關規(guī)格

旋轉(zhuǎn)永磁體發(fā)射天線樣機如圖7所示，其所用電機型號為安川伺服交流電機SGM7J-01AFC6S，其額定功率為100 W，所能提供的額定扭矩為318 mN·m，驅(qū)動器為其提供電源和控制信號，上位機通過安川運動控制器編程軟件MPE720設定運動參數(shù)，下發(fā)給驅(qū)動器，實時控制電機運動。實驗于實驗樓中的廊道展開，且發(fā)射天線和接收傳感器之間有墻體的遮蔽。

通過控制電機驅(qū)動永磁體旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速設定為4200 r/min和4800 r/min分別代表碼元“0”和“1”，電機加減速時間均為50 ms，勻速時間設定為300 ms。先后發(fā)送碼元序列：“1111 1111 1111 1111···”和“1010 1010 1010 1010···”。在不同距離位置利用轉(zhuǎn)換系數(shù)為8 mV/nT 的感應式磁場傳感器接收徑向磁場信號。使用NI采集器PXI-1031DC作為接收機，采樣率為3 kHz，如圖8所示。

在發(fā)送碼元為全‘1’序列時，接收信號如圖9所示。圖9(a)為8 m位置信號的頻譜，由于實驗環(huán)境的影響，噪聲較大。圖9(b)在不同距離處接收到永磁體#1的磁場徑向分量Br隨距離變化的曲線，與理論計算和仿真結(jié)果吻合較好。

在旋轉(zhuǎn)永磁體天線工作的過程中，分別測量不同規(guī)格永磁體天線所消耗的平均功率。永磁體#1消耗的平均功率為60.36 W，永磁體#2消耗的平均功率為65.81 W。由表1可知永磁體#1相比永磁體#2的半徑減小了5 mm，質(zhì)量比其大30 g。但從其測量結(jié)果來看，永磁體#1消耗的平均功率要比永磁體#2小5.5 W左右。這說明，即便是在質(zhì)量相差30 g的情況下，減小半徑依然能夠降低對電機扭矩的要求。這證明了永磁體結(jié)構優(yōu)化方法的有效性。

由式(8)可知，永磁體#1旋轉(zhuǎn)得到80 Hz磁場信號所消耗的平均能量密度為80 kJ/m3，而NdFeB永磁體典型的能量密度為470 kJ/m3[17]，為所消耗能量密度的6倍左右，說明旋轉(zhuǎn)永磁體天線高效能的優(yōu)勢。

在發(fā)送‘1’、‘0’交替的碼元過程中，將磁場式傳感器放置于距離發(fā)射天線4 m的位置進行信號的接收得到如圖10所示信號。

圖10 4 m位置接收信號

接收到信號經(jīng)過陷波濾波器濾除掉工頻信號，再經(jīng)過以f1=66 Hz 和f2=76 Hz為中心頻率的帶通濾波器濾波后信號頻譜如圖10(a)所示，信號頻率隨時間變化的曲線如圖10(b)所示。從其結(jié)果中看，由于收發(fā)間距只有4 m，其接收信號的信噪比較高，可以清晰地從圖10(b)看出信號頻率隨時間變化規(guī)律，結(jié)合圖10(a)的信號頻譜圖，接收到的信號符合2FSK的信號特征，但其兩根主譜線頻率分別為66 Hz和76 Hz，低于理論值，表明電機運動未達到預設轉(zhuǎn)速。

解調(diào)采用非相干解調(diào)方式，將接收信號依次通過陷波濾波器、帶通濾波器后，提取其包絡進行歸一化，選取合適的判決值便可得到原始信息碼元。在收發(fā)間距為20 m時，得到接收信號的時頻圖和解調(diào)后的碼元信息分別如圖11(a)、圖11(b)所示，可見在信噪比較低的情況下，可以成功恢復信息碼元。但從碼元隨時間變化的情況來看，碼元速率達到了3.5 bps，比理論計算值2.86 bps要高。分析其原因是：在電機進行頻率切換過程中的加減速時間并不需要設定的50 ms。

圖11 20 m位置接收信號

實驗過程中所用樣機，在收發(fā)間距20 m范圍內(nèi)可以成功地解調(diào)出原始信息。由于實驗在實驗室展開，受其他電子設備的影響，背景噪聲較大。若再增加收發(fā)間距，在接收到的信號中不能成功地提取出包絡信息進行非相干解調(diào)。

根據(jù)以上實驗結(jié)果，該永磁體天線樣機在復雜電磁環(huán)境下，實現(xiàn)了20 m范圍內(nèi)碼元速率為3.5 bps的超低頻通信，本實驗過程中收發(fā)之間有部分遮擋，后續(xù)將開展完全遮擋的穿透通信實驗，驗證新型低頻天線的穿透通信能力。若要進一步提高通信速率可減小電機勻速旋轉(zhuǎn)的時間或電機加減速時間。但是由于頻率調(diào)制過程中電機在兩個不同的頻率范圍之間進行變化，會引入其他的頻率分量，若繼續(xù)減小勻速時間會使單比特碼元信號的能量減小，導致通信距離下降。減小電機加減速時間對電機性能要求較高，因此對輻射源尺寸進行優(yōu)化，降低永磁體的轉(zhuǎn)動慣量十分重要。

6 結(jié)束語

本文從天線輻射場角度比較了傳統(tǒng)線圈和旋轉(zhuǎn)永磁體天線，若要獲得相同大小的磁矩，后者在尺寸上有明顯優(yōu)勢，可實現(xiàn)低頻天線的小型化。利用仿真分析旋轉(zhuǎn)永磁體天線的近場輻射特性，結(jié)果表明其最大輻射方向為磁體徑向方向，最小輻射方向為旋轉(zhuǎn)軸方向。并且探究無限大地面對旋轉(zhuǎn)永磁體天線近區(qū)磁場分布的影響，結(jié)果表明在其近場范圍內(nèi)，地面對其影響不大，但隨距離變大，場強幅度的降低，地面對場強的影響越來越明顯。研究了永磁體的轉(zhuǎn)動慣量和磁矩之間的關系，減小永磁體半徑，增大其高度，在保持永磁體磁矩不變的情況下可以降低其轉(zhuǎn)動慣量。利用優(yōu)化前后參數(shù)研制了兩款旋轉(zhuǎn)永磁體樣機，比較了二者在工作過程中消耗的功率，證明了通過永磁體結(jié)構優(yōu)化可以降低運動過程中對電機扭矩的需求，實現(xiàn)高效率的天線設計。通過直接天線調(diào)制技術產(chǎn)生2FSK信號，并利用非相干解調(diào)的方式解調(diào)出碼元信息，在復雜電磁環(huán)境下實現(xiàn)了20 m范圍內(nèi)，碼元速率為3.5 bps的超低頻通信。