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超低频天线最优波束成形设计研究

马帅 高梦迪 曹世昱 方啸 张冠杰 王洪梅 李世银

马帅, 高梦迪, 曹世昱, 方啸, 张冠杰, 王洪梅, 李世银. 超低频天线最优波束成形设计研究[J]. 电子与信息学报, 2023, 45(4): 1338-1345. doi: 10.11999/JEIT220119
引用本文: 马帅, 高梦迪, 曹世昱, 方啸, 张冠杰, 王洪梅, 李世银. 超低频天线最优波束成形设计研究[J]. 电子与信息学报, 2023, 45(4): 1338-1345. doi: 10.11999/JEIT220119
MA Shuai, GAO Mengdi, CAO Shiyu, FANG Xiao, ZHANG Guanjie, WANG Hongmei, LI Shiyin. Research on Optimal Beamforming Design of Ultra-low Frequency Antenna[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2023, 45(4): 1338-1345. doi: 10.11999/JEIT220119
Citation: MA Shuai, GAO Mengdi, CAO Shiyu, FANG Xiao, ZHANG Guanjie, WANG Hongmei, LI Shiyin. Research on Optimal Beamforming Design of Ultra-low Frequency Antenna[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2023, 45(4): 1338-1345. doi: 10.11999/JEIT220119

超低频天线最优波束成形设计研究

doi: 10.11999/JEIT220119
基金项目: 东南大学移动通信国家重点实验室开放研究基金(2021D02)
详细信息
    作者简介:

    马帅:男,副教授,研究方向为无线通信、可见光通信、低频透地通信等

    高梦迪:男,硕士生,研究方向为低频透地通信

    曹世昱:男,硕士生,研究方向为无线通信、定位技术

    方啸:男,硕士生,研究方向为无线通信

    张冠杰:男,硕士生,研究方向为低频透地通信

    王洪梅:女,副教授,研究方向为无线通信、软件无线电

    李世银:男,教授,研究方向为煤矿信息化、移动目标定位等

    通讯作者:

    马帅 mashuai001@cumt.edu.cn

  • 中图分类号: TN91

Research on Optimal Beamforming Design of Ultra-low Frequency Antenna

Funds: The Open Research Fund of National Mobile Communications Research Laboratory, Southeast University (2021D02)
  • 摘要: 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。
  • 图  1  等效磁荷辐射机理示意图

    图  2  单天线辐射方向图

    图  3  多天线辐射方向图

    图  4  最优波束对比图

    图  5  信号发送装置

    图  6  信号接收装置

    图  7  超低频机械天线通信系统模拟框图

    图  8  同步与非同步信号对比

    图  9  信号功率随距离变化

    图  10  操场实测图

    图  11  距离与功率的关系图

    图  12  接收信号时间—功率图

    表  1  设备相关规格参数

    设备名称尺寸(cm)额定电压(V)额定电流(A)额定功率(W)额定转速(r/min)材质
    三相感应电机$\varPhi$10×80AC 220/38051 50024 000铝合金
    同步控制装置9×12AC/DC 240.0431/塑料
    变频器10×15单相 22071 500/阻燃ABS塑料
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  • [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] CHU L J. Physical limitations of omni-directional antennas[J]. Journal of Applied Physics, 1948, 19(12): 1163–1175. doi: 10.1063/1.1715038
    [3] HARRINGTON R F. Effect of natenna size on gain, bandwidth, and efficiency[J]. Journal of Research of the National Bureau of Standards, 1960, 64D(1): 1–12. doi: 10.6028/jres.064d.003
    [4] 王洪民, 阚锎. 大功率低频、超低频放大器实现途径及特点[J]. 电子测量技术, 2011, 34(9): 18–22. doi: 10.19651/j.cnki.emt.2011.09.006

    WANG Hongmin and KAN Kai. Realization approach and characteristics of high power low-frequency ultra-low frequency amplifier[J]. Electronic Measurement Technology, 2011, 34(9): 18–22. doi: 10.19651/j.cnki.emt.2011.09.006
    [5] DARPA. A MEchanically based antenna (AMEBA)[P]. US, HR001117S0007, 2016.
    [6] 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.
    [7] 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.
    [8] PRASAD M N S, SELVIN S, TOK R U, et al. Directly modulated spinning magnet arrays for ULF communications[C]. 2018 IEEE Radio and Wireless Symposium, Anaheim, USA, 2018: 171–173.
    [9] BARANI N and SARABANDI K. Mechanical antennas: Emerging solution for Very-Low Frequency (VLF) communication[C]. 2018 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting, Boston, USA, 2018: 95–96.
    [10] 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
    [11] GOŁKOWSKI 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.
    [12] SRINIVAS P M N, TOK R U, and WANG Y E. Magnetic pendulum arrays for ULF transmission[C]. 2018 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting, Boston, USA, 2018: 71–72.
    [13] 曹峻. ELF-ULF机械通信天线的研究[D]. [硕士论文], 西安电子科技大学, 2020.

    CAO Jun. Research on ELF-ULF mechanical communication antenna[D]. [Master dissertation], Xidian University, 2020.
    [14] 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
    [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
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-01-27
  • 修回日期:  2022-06-28
  • 网络出版日期:  2022-07-01
  • 刊出日期:  2023-04-10

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