高级搜索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于旋转永磁体的低频通信技术研究

张锋 孙发晓 渠晓东 宫兆前 纪奕才 方广有

张锋, 孙发晓, 渠晓东, 宫兆前, 纪奕才, 方广有. 基于旋转永磁体的低频通信技术研究[J]. 电子与信息学报, 2022, 44(6): 2151-2157. doi: 10.11999/JEIT210274
引用本文: 张锋, 孙发晓, 渠晓东, 宫兆前, 纪奕才, 方广有. 基于旋转永磁体的低频通信技术研究[J]. 电子与信息学报, 2022, 44(6): 2151-2157. doi: 10.11999/JEIT210274
ZHANG Feng, SUN Faxiao, QU Xiaodong, GONG Zhaoqian, JI Yicai, FANG Guangyou. Research on Low Frequency Communication Technology Based on Rotating Permanent Magnet[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2022, 44(6): 2151-2157. doi: 10.11999/JEIT210274
Citation: ZHANG Feng, SUN Faxiao, QU Xiaodong, GONG Zhaoqian, JI Yicai, FANG Guangyou. Research on Low Frequency Communication Technology Based on Rotating Permanent Magnet[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2022, 44(6): 2151-2157. doi: 10.11999/JEIT210274

基于旋转永磁体的低频通信技术研究

doi: 10.11999/JEIT210274
基金项目: 国家自然科学基金(61901441, 61827803)
详细信息
    作者简介:

    张锋:男,1981年生,副研究员,主要研究方向为新型电小天线技术、磁感应通信与定位技术等

    孙发晓:男,1997年生,硕士生,研究方向为基于运动永磁体的低频通信技术

    渠晓东:男,1989年生,副研究员,主要研究方向为电波传播理论及其应用技术

    宫兆前:男,1986年生,助理研究员,主要研究方向为数字信号处理、通信等

    纪奕才:男,1974年生,研究员,主要研究方向为超宽带天线、电波传播理论等

    方广有:男,1963年生,研究员,主要研究方向为超宽带雷达成像理论技术、探地雷达方法与技术、太赫兹成像等

    通讯作者:

    张锋 zhangfeng002723@aircas.ac.cn

  • 中图分类号: TN82; TN91

Research on Low Frequency Communication Technology Based on Rotating Permanent Magnet

Funds: The National Natural Science Foundation of China (61901441, 61827803)
  • 摘要: 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。
  • 图  1  旋转永磁体天线结构示意图

    图  2  近场磁感应强度变化曲线

    图  3  地面对磁场径向分量的影响

    图  4  转动惯量、磁矩随永磁体尺寸的变化

    图  5  机械天线频率调制原理

    图  6  非相干解调流程框图

    图  7  实验所用旋转永磁体天线

    图  8  磁场信号接收采集设备

    图  9  永磁体#1接收信号

    图  10  4 m位置接收信号

    图  11  20 m位置接收信号

    表  1  两个永磁体的相关规格

    永磁体编号直径(mm)高度(mm)发射磁矩(Am2)质量(g)
    永磁体#1264023.66210
    永磁体#2362019.44180
    下载: 导出CSV
  • [1] 罗卓颖, 刘翠海, 黄玉成, 等. 超低频传播特性分析[J]. 舰船电子工程, 2009, 29(2): 148–150. doi: 10.3969/j.issn.1627-9730.2009.02.044

    LUO Zhuoying, LIU Cuihai, HUANG Yucheng, et al. Analysis of the characteristic of super low frequency propagation[J]. Ship Electronic Engineering, 2009, 29(2): 148–150. doi: 10.3969/j.issn.1627-9730.2009.02.044
    [2] DARPA. A MEchanically based antenna (AMEBA)[P]. US, HR001117S0007, 2016.
    [3] 丁宏. DARPA机械天线项目或掀起军事通信革命[J]. 现代军事, 2017(4): 71–73.

    DING Hong. DARPA’s mechanical antenna program could revolutionize military communication[J]. Conmilit, 2017(4): 71–73.
    [4] BURCH H C, GARRAUD A, MITCHELL M F, et al. Experimental generation of ELF radio signals using a rotating magnet[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2018, 66(11): 6265–6272. doi: 10.1109/TAP.2018.2869205
    [5] FAWOLE O C and TABIB-AZAR M. An electromechanically modulated permanent magnet antenna for wireless communication in harsh electromagnetic environments[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2017, 65(12): 6927–6936. doi: 10.1109/TAP.2017.2761555
    [6] SELVIN S, PRASAD M N S, HUANG Yikun, et al. Spinning magnet antenna for VLF transmitting[C]. 2017 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting, San Diego, USA, 2017: 1477–1478.
    [7] GOLKOWSKI M, PARK J, BITTLE J, et al. Novel mechanical magnetic shutter antenna for ELF/VLF radiation[C]. 2018 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting, Boston, USA, 2018: 65–66.
    [8] PRASAD M N S, TOK R U, FEREIDOONY F, et al. Magnetic pendulum arrays for efficient ULF transmission[J]. Scientific Reports, 2019, 9(1): 13220. doi: 10.1038/s41598-019-49341-4
    [9] STRACHEN N, BOOSKE J, BEHDAD N, et al. A mechanically based magneto-inductive transmitter with electrically modulated reluctance[J]. PLoS One, 2018, 13(6): e0199934. doi: 10.1371/journal.pone.0199934
    [10] 周强, 姚富强, 施伟, 等. 机械式低频天线机理及其关键技术研究[J]. 中国科学:技术科学, 2020, 50(1): 69–84. doi: 10.1360/SST-2019-0118

    ZHOU Qiang, YAO Fuqiang, SHI Wei, et al. Research on mechanism and key technology of mechanical antenna for a low-frequency transmission[J]. SCIENTIA SINICA Technologica, 2020, 50(1): 69–84. doi: 10.1360/SST-2019-0118
    [11] 周强, 施伟, 刘斌, 等. 旋转永磁式机械天线的研究与实现[J]. 国防科技大学学报, 2020, 42(3): 128–136. doi: 10.11887/j.cn.202003017

    ZHOU Qiang, SHI Wei, LIU Bin, et al. Research and practice of the mechanical antennas based on rotating permanent magnet[J]. Journal of National University of Defense Technology, 2020, 42(3): 128–136. doi: 10.11887/j.cn.202003017
    [12] 崔勇, 吴明, 宋晓, 等. 小型低频发射天线的研究进展[J]. 物理学报, 2020, 69(20): 208401. doi: 10.7498/aps.69.20200792

    CUI Yong, WU Ming, SONG Xiao, et al. Research progress of small low-frequency transmitting antenna[J]. Acta Physica Sinica, 2020, 69(20): 208401. doi: 10.7498/aps.69.20200792
    [13] BICKFORD J A, DUWEL A E, WEINBERG M S, et al. Performance of electrically small conventional and mechanical antennas[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2019, 67(4): 2209–2223. doi: 10.1109/TAP.2019.2893329
    [14] 钟顺时. 天线理论与技术[M]. 2版. 北京: 电子工业出版社, 2015: 19–25.

    ZHONG Shunshi. Antenna Theory and Techniques[M]. 2nd ed. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2015: 19–25.
    [15] 施伟, 周强, 刘斌. 基于旋转永磁体的超低频机械天线电磁特性分析[J]. 物理学报, 2019, 68(18): 188401. doi: 10.7498/aps.68.20190339

    SHI Wei, ZHOU Qiang, and LIU Bin. Performance analysis of spinning magnet as mechanical antenna[J]. Acta Physica Sinica, 2019, 68(18): 188401. doi: 10.7498/aps.68.20190339
    [16] YAO Weijun and WANG Yuanxun. Direct antenna modulation-a promise for ultra-wideband (UWB) transmitting[C]. 2004 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest (IEEE Cat. No. 04CH37535), Fort Worth, USA, 2004: 1273–1276. doi: 10.1109/MWSYM.2004.1339221.
    [17] WEICKHMANN M. Nd-Fe-B Magnets, Properties and Applications[Z]. Hanau: Vacuumschmelze GmbH and Co, 2009.
  • 加载中
图(11) / 表(1)
计量
  • 文章访问数:  1431
  • HTML全文浏览量:  1120
  • PDF下载量:  161
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-04-06
  • 修回日期:  2021-08-26
  • 网络出版日期:  2021-09-14
  • 刊出日期:  2022-06-21

目录

    /

    返回文章
    返回