旋轉永磁式機械低頻天線的系統設計與驗證*

郝振洋，汪禹萱，周 強，李 雪，張綺瑤，施 偉

(1. 南京航空航天大學 自動化學院， 江蘇 南京 211106； 2. 國防科技大學 第六十三研究所， 江蘇 南京 210007)

超低頻(super low frequency, SLF)和甚低頻(very low frequency, VLF)電磁波具有傳播距離遠、海水穿透性好和抗電磁脈沖干擾能力強等特點, 因而SLF、VLF等低頻電磁通信在水下通信等領域的應用潛力巨大[1-2]。由于其發射天線為電小天線(electrically small antenna, ESA)，存在輻射效率低、體積及發射功率龐大等問題[3-4]，限制了低頻電磁通信在相關領域的廣泛應用。小尺寸、低功耗的低頻電磁通信方案成為近年來國內外研究的熱點。

機械天線(mechanical antenna, MA)是利用機械運動的電荷或磁矩直接激勵電磁波的一種新型低頻電磁發信技術。2016年12月，美國國防部高級研究計劃局(defense advanced research projects agency, DARPA)提出了MA的概念和項目指南[5], 并于2017年8月正式啟動了AMEBA (a mechanically based antenna)項目。根據不同的輻射材料和機械運動方式，MA可分為振動駐極式、振動永磁式、旋轉駐極式和旋轉永磁式等技術體制[6]。得益于稀土永磁材料和旋轉伺服控制技術在軍事和民用領域的成熟應用，旋轉永磁式MA(rotating-magnet based MA， RMBMA)已成為國內外該領域研究的重點方向。如圖1所示，RMBMA主要由控制器、驅動電機和旋轉磁源構成，通過對旋轉磁源的運動狀態進行控制，直接激勵低頻電磁波信號并實現信息加載。

圖1 RMBMA基本原理及實現形式Fig.1 Basic principle and realization form of RMBMA

近年來，國內外相關高校和研究機構分別對RMBMA的輻射機理、電磁場傳播特性和實現方案等進行了研究[6-14]。其中，文獻[7-9]研究了RMBMA的遠場輻射特性，提出基于永磁體陣列的技術方案，論證了該系統可突破Chu-Harrington限制。……