基于磁遮擋技術的超低頻機械天線幅度調制方法*

宋忠國，崔浩歌，席曉莉

(西安理工大學 自動化與信息工程學院，陜西 西安 710048)

0 引言

超低頻(30～300 Hz)電磁信號傳播距離可遠至數千乃至數萬公里，海水穿透力可深達百米，信號傳播穩定可靠[1]，在水和巖層等特殊介質中的路徑損耗較小，在對潛通信、礦井救援和軍事等領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，現實中往往占地數平方公里，高數百米，不僅建造使用成本高昂，更是嚴重限制了超低頻無線通信系統的機動性和便攜性[2]。

2016年12月，美國國防高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency)的微系統辦公室首次提出了“機械天線(A Mechanically Based Antenna，AMEBA)”的理念，并決定在2017年8月正式啟動該項目。“機械天線”項目旨在探索一種全新的無線低頻信號發射機理，通過特殊材料，如永磁體或駐極體做機械運動來輻射低頻電磁波[3-4]。在AMEBA項目的牽頭下，多個國家的高校與科研機構開始對機械天線進行初步的探索。Akron大學的MADANAYAKE A等人首先提出并分析了電機控制永久極化偶極子做低頻機械旋轉的輻射方案，并將偶極子設計為細長圓柱體以達到最小的轉動慣量[5]。針對永磁體做高速旋轉在機械驅動上的挑戰，科羅拉多大學的GOLKOWSKI M等人提出在靜態永磁體前端增加帶有開口的導磁材料(磁快門)，驅動其旋轉循環遮蔽靜磁場來產生時變電磁場[6]。在甚低頻(3 kHz～30 kHz)頻段，美國SLAC國家加速器實驗室的KEMP M A等人提出了一種基于壓電鈮酸鋰材料進行機械振動的輻射機理[7]，其逆向利用壓電效應，往壓電材料中饋入特定頻率的交流電使其反復伸縮形變，形成振蕩向外輻射電磁波，經實驗測試，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。

國內相關機構也很快對機械天線展開了研究。西安電子科技大學的弓樹宏等人基于安培電流模型對旋轉永磁體進行了理論建模，并仿真驗證了其近場分布特點[8]；大連交通大學的王曉煜等人分析了超低頻旋轉永磁體在空間的輻射功率與實驗影響因素的關系，為超低頻天線尺寸評估和優化提供了借鑒[9]；國防科技大學的周強等人研究了旋轉永磁體的輻射機理，提出了采用銣鐵硼永磁體作為輻射源和旋轉伺服驅動系統的機械天線技術實現方案[10]。

然而，在信號調制方面，上述所有輻射方案中提及的調制方法均為頻率調制，針對旋轉永磁體或駐極體的輻射方式，在調制過程中需要頻繁改變輻射源的轉速[11]。例如在文獻[9]中，對旋轉永磁體進行頻率調制時需要將轉速在3 600 rad/min(60 Hz)和12 000 rad/min(200 Hz)之間頻繁切換，這對驅動電機的性能要求大大增加。由于目前市場上的高速電機輸出扭矩有限，頻繁地變速會使電機長期工作于過載狀態，從而導致電機發熱，有損設備的使用壽命，更是降低了信號持續發射的可靠性。而磁(極)性材料的磁化(極化)強度一經固定，在工作中不可能實時改變輻射強度，所以從輻射場源角度出發的幅度調制也不適用[12]。

受啟發于文獻[5]與文獻[13]中利用旋轉磁快門循環遮蔽靜磁場的輻射機理，本文借鑒其思路，將其用于幅度調制，設計了一種基于磁遮擋技術的超低頻機械天線幅度調制方法，將輻射和調制分離并獨立進行，調制過程中永磁體不需要改變轉速，并且采用三軸正交線圈進行信號的任意空間位置的接收。對調制方法進行了數值仿真，搭建了實驗樣機進行了通信實驗，驗證了所提方法的可行性，彌補了現有機械天線調制方面的不足。

1 機械天線的電磁理論

機械天線是基于旋轉的磁偶極子。磁偶極子靜止時，其磁矩Pm為：

式中，M和V分別是永磁體的剩磁和體積。當磁偶極子以坐標原點為中心，在xOz平面以角速度沿順時針方向勻速旋轉，其磁矩等效于兩個正交且相位差90°的磁偶極子磁矩的疊加：

將式(2)轉換到球坐標系為：

綜上所述可以得出旋轉磁偶極子的電磁場衰減特性：在近場范圍(kr遠小于1)內，磁場強度與距離的3次方成反比，電場強度與距離的2次方成反比；在遠場范圍(kr遠大于1)內，磁場強度和電場強度與距離的1次方成反比。在實際應用中，增大永磁體體積和剩磁可以產生更強的輻射場。根據文獻[15]中給出的分析結果，不同距離下由圓柱形永磁體和駐極體產生的磁通密度與頻率的關系可以得出，在最大磁(極)化的條件下(磁化強度Br=1.5 T(銣鐵硼)，極化強度P=30 μC/cm2)永磁體比駐極體更適合作為輻射源。

2 幅度調制方法

磁場穿過導磁材料時會在其介質中產生一部分磁回路，如同部分磁場被磁介質“匯聚”一般，所以導磁材料對穿過后的磁場具有一定的“衰減”能力，衰減程度與導磁材料的相對磁導率有關。利用COMSOL仿真永磁體周圍無磁性介質和其磁場穿過磁性介質的磁場分布如圖1所示。

圖1 磁性介質對磁回路的影響

在文獻[5]中，研究人員將永磁體固定，在其前端放置由電機驅動旋轉的磁快門輪盤。這種快門輪盤被設計成具有若干個等間隔開口，繞其軸心旋轉時對永磁體前方的磁場進行交替變化的“遮擋”和“開放”效果，進而形成時變電磁場。其工作原理類似于光源前的光學半透明快門。

這一方法是用于輻射方面，借鑒其思路，本文設計了一種同樣由機械驅動的磁快門式的調幅裝置。發射系統的示意圖如圖2所示。作為輻射源的永磁體固定在一個空心轉軸上并與驅動電機軸相連。調制器部分由兩個相對磁導率約為400的軟磁材料制成的帶有等間隔空隙的管殼組成，其外層部分固定在永磁體周圍，內層部分通過連接軸承由另一個電機驅動旋轉。調制器兩部分的實際結構如圖3所示，兩個管壁之間的距離應當盡量小，當內層部分以特定姿態旋轉時，會與外層部分形成“打開”和“閉合”兩種狀態，輻射場會受到兩種不同程度的遮擋效果，從而影響發射信號的幅度。因此，輻射場的幅度調制可以通過電機驅動調制器以特定的方式旋轉來實現。

圖2 發射系統示意圖

圖3 調制器外層和內層部分的實際結構

調制的仿真結果如圖4所示。可以觀察到，當調制器處于“打開”狀態時，外泄出調制器的磁通密度要多于“閉合”狀態時外泄的磁通密度。根據仿真數據可知，穿過調制器的磁場在不同極化方向的分量都受到了衰減，這就說明可以采用三維磁接收天線接收信號，接收端處于空間任意位置且處于任意自旋姿態時，只需測量各個極化方向的磁場分量并求出總的模值即可實現信號的解調。

圖4 調制的仿真結果

3 調制與解調效果實驗驗證

機械天線發射系統的實驗樣機如圖5所示。圓柱形永磁體(直徑2 cm、長4 cm、磁化強度約為1.2 T的銣鐵硼)嵌入一個空心軸與電機相連。永磁體和調制器內層部分都由TC-E 60 2B型伺服電機驅動旋轉，最大轉速6 000 rpm，驅動器旋轉A6型，最大輸出功率為400 W；用鋁合金框架固定(鋁材料的相對磁導率幾乎為零，對永磁體周圍磁場的影響可以忽略不計)。采用履帶的目的是使電機2偏離主輻射方向，即永磁體轉軸方向，減少電機2對輻射信號的影響；加入履帶還可以輔助減速，使調制器的調節過程更加穩定。

圖5 實驗樣機

輻射的磁場信號由三維正交線圈感應檢測，并饋入高性能數據采集模塊轉換成電壓信號。解調信號由三個極化方向的測量值Va、Vb、Vc計算出的兩種不同的總電壓值Vtotal決定，然后根據定義的邏輯提取信號，例如高電壓值代表邏輯“1”，低電壓值代表邏輯“0”?？傠妷褐涤嬎惴椒椋?/p>

主要的實驗參數如表1所示。在通信實驗中，電機1驅動永磁體始終以恒定的速度旋轉，同時上位機將設定的待發射信號(如“10101101”)傳輸至FPGA并控制電機2驅動調制器的內層部分轉動，與調制器外層部分形成對應的狀態。采樣頻率為303 Hz，接收信號的三個極化分量時域波形如圖6所示。

表1 主要實驗參數

根據式(7)計算出總電壓值，其時域波形波形如圖7所示。根據圖6、圖7可知，同一時刻不同極化方向接收到的信號存在相位差，使得在接收位置處的總電壓幅值振蕩，但由高低兩種電壓峰值仍然可以提取出兩種邏輯電平“1”和“0”，從而解調出發射信號。最終解調時域波形如圖8所示。由于調制器由機械驅動，受機械方面的限制，存在一定的調制轉換時間（長短與電機制動性能有關）。實驗結果表明，本文所提出的調制方法可以在不改變永磁體轉速的條件下進行調制，并且接收信號的解調效果也不受接收端位置和姿態的影響，因此解決了頻率調制不適用于機械式天線發射系統的問題，克服了機械方面的挑戰。

圖6 接收信號的三個極化分量時域波形

圖7 總電壓值時域波形

圖8 解調結果時域波形

4 結論

本文介紹了一種基于磁遮擋技術的機械天線幅度調制方法，解決了頻率調制在機械驅動方面的限制性問題，并通過搭建實驗平臺驗證了該方法的可行性，通信實驗結果完整可靠，為以后的機械天線研究和工程實驗提供了可行的信息調制方法。

根據仿真結果可知，可以通過增加永磁體的剩磁和體積來增大輻射強度，而一味增加體積，磁體的質量和轉動慣量也會增大，可能對驅動有較高的要求。所以，在以后的機械天線研究中，尋求密度小、永久磁（極）化強度高的新型材料作為輻射源會是改進機械天線發射系統的有效途徑。