一种基于磁电天线的甚低频信号传输系统 |
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| 申请号 | CN202311192519.X | 申请日 | 2023-09-15 | 公开(公告)号 | CN117278065A | 公开(公告)日 | 2023-12-22 |
| 申请人 | 南京理工大学; | 发明人 | 汪尧进; 胡标; 高悦; 冯非凡; 房泽; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种基于磁电天线的甚低频 信号 传输系统，涉及无线通信技术领域，该系统包括：信号发生模组、甚低频磁电天线、接 收线 圈和 信号处理 模组，信号发生模组用于产生交变 激励信号 以驱动甚低频磁电天线，甚低频磁电天线基于逆磁电效应向外部空间发送甚低频波段的 电磁波 信号，接收线圈用于接收甚低频波段的电磁波信号并传输给信号处理模组，信号处理模组用于对甚低频波段的电磁波信号进行处理并进行展示。该系统均具有传播距离远和抗电磁脉冲干扰能 力 强等特点，并且整个系统体积小，具有轻量化、低功耗的特点，有很高的应用价值。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于磁电天线的甚低频信号传输系统，其特征在于，包括信号发生模组、甚低频磁电天线、接收线圈和信号处理模组，所述信号发生模组用于产生交变激励信号以驱动所述甚低频磁电天线，所述甚低频磁电天线基于逆磁电效应向外部空间发送甚低频波段的电磁波信号，所述接收线圈用于接收所述甚低频波段的电磁波信号并传输给所述信号处理模组，所述信号处理模组用于对所述甚低频波段的电磁波信号进行处理并进行展示。 |
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| 说明书全文 | 一种基于磁电天线的甚低频信号传输系统技术领域背景技术[0002] 目前随着通信系统以及天线技术的不断发展，各种通讯电子设备，如智能手机、广播电台、射频识别(RFID)系统、雷达，已经成为日常生活中不可分割的一部分。当前人们已经成功地依靠天线技术在大气环境中实现了高质量的无线通信。然而，水下、地下、人体内部等损耗性导电环境对天线传输能力提出了新的要求。当电磁波在这些传导介质中传播时，介质损耗随频率增加而增加，电磁波衰减，导致有效通信距离明显缩短。为了减轻高频损耗机制，由于在这些传导介质中增加了信号穿透深度，因此提出了甚低频操作作为一种潜在的解决方案。甚低频(VLF)是一种频率在3KHz～30KHz的长波长电磁波，拥有较弱的趋肤效应，较深的趋肤距离，在地下、水下和建筑中的透射性更强，传播深度更大，传播距离更深。所以近年来小型化便携式甚低频无线传输系统成为了射频通信领域的一大研究热点。为了实现低频小型化信号传输系统，机械天线逐渐得到了关注。 [0003] 目前的传统天线是由电流或电压直接驱动，以加速金属板内的电子进行辐射。传统的电子天线依靠电磁共振来高效运行，通常设计为大于电磁波波长的十分之一。然而，甚低频电磁波的波长可达10km～100km，当传统偶极子天线被应用于甚低频通讯时，需要超过100米高的天线塔来匹配辐射需求，因此巨大的天线体积限制了甚低频通讯的发展。虽然近年来飞速发展的电小天线(ESA)由于其体积小、成本低，具有一定的优势，但由于其辐射效率不高、带宽低，仍然存在应用于甚低频通信领域的障碍。在这种情况下，人们自然对笨重的甚低频天线系统的小型化和便携性提出了迫切的要求。 发明内容[0004] 本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种基于磁电天线的甚低频信号传输系统，以解决甚低频信号传输系统小型化的问题。本发明的技术方案如下： [0005] 一种基于磁电天线的甚低频信号传输系统，包括信号发生模组、甚低频磁电天线、接收线圈和信号处理模组，信号发生模组用于产生交变激励信号以驱动甚低频磁电天线，甚低频磁电天线基于逆磁电效应向外部空间发送甚低频波段的电磁波信号，接收线圈用于接收甚低频波段的电磁波信号并传输给信号处理模组，信号处理模组用于对甚低频波段的电磁波信号进行处理并进行展示。 [0006] 其进一步的技术方案为，信号发生模组包括单片机、信号发生器、乘法器和第一功率放大器，单片机用于发送携带信息的数字信号，信号发生器用于产生对应甚低频磁电天线谐振频率的正弦波载波信号；乘法器用于将携带信息的数字信号与正弦波载波信号相乘，调制出ASK信号；第一功率放大器用于将ASK信号放大，放大后的ASK信号作为交变激励信号输出。 [0007] 其进一步的技术方案为，信号处理模组包括依次连接的带通滤波器、包络检测器、电压比较器和计算机，带通滤波器用于根据频率响应的特点将接收信号中选定的频率范围信号进行增强或衰弱；包络检测器用于提取过滤后的信号包络，进行ASK信号的解调；电压比较器用于对信号进行进一步的修整，得到解调信号，并通过计算机进行展示。 [0008] 其进一步的技术方案为，信号发生模组包括单片机和第一功率放大器，单片机用于发送携带信息的模拟信号，第一功率放大器用于将携带信息的模拟信号放大，放大后的模拟信号作为交变激励信号输出。 [0009] 其进一步的技术方案为，信号处理模组包括第二功率放大器和计算机，第二功率放大器用于将接收信号进行放大，并通过计算机进行展示。 [0010] 其进一步的技术方案为，甚低频磁电天线包括两个永磁体，以及第一磁致伸缩层、压电层和第二磁致伸缩层形成的三明治结构；两个永磁体分别设置在三明治结构沿长度方向的两端，提供偏置磁场；在压电层厚度方向相对的两个面覆盖有电极片，电极片连接信号发生模组的输出，接收交变激励信号。 [0011] 其进一步的技术方案为，压电层为将PbO、SrCO3、BaCO3、MgNb2O6、TiO2、ZrO2和Sm2O3通过高温烧结、固相反应制备得到的压电陶瓷，或者压电层为PZT陶瓷、PMN‑PT单晶/陶瓷、LiNbO3单晶中的一种。 [0012] 其进一步的技术方案为，第一和第二磁致伸缩层的材料均为Metglas、Terfenol D、GaFe合金或CoFe合金中的一种。 [0013] 其进一步的技术方案为，电极片的材料为Ag、Au、Cu或Pt中的一种。 [0014] 其进一步的技术方案为，压电层的长度为40mm，宽度为20mm，高度0.5mm；第一和第二磁致伸缩层的长度均为140mm，宽度均为20mm。 [0015] 本发明的有益技术效果是： [0016] 本申请提供了一种基于磁电天线的甚低频信号传输系统，天线结构呈第一磁致伸缩层‑压电层‑第二磁致伸缩层的三明治结构，逆磁电效应可以理解为磁致伸缩材料的磁致伸缩效应和压电材料的逆压电效应的结合，即在携带信息的外界交变电场的驱动下，磁电复合材料以应力/应变为媒介，实现压磁材料磁化强度产生变化，进而对外部空间造成电磁辐射，从而将调制信号或放大的模拟信号在甚低频波段发射出去；本申请设计的甚低频磁电天线结构、信号发生模组和信号处理模组电路结构体积小、易实现，且提供的原始信号可以为数字信号或模拟信号，所提供的甚低频信号传输系统具有传输甚低频信号的优势，同时信息传输效率高，稳定性好。附图说明 [0018] 图2是本申请一实施例提供的甚低频磁电天线结构示意图。 [0019] 图3是本申请一实施例提供的原始数字信号调制和解调测试结果图。 [0020] 图4(a)是本申请一实施例提供的甚低频磁电天线在所处空间的三轴示意图。 [0021] 图4(b)是本申请一实施例提供的甚低频磁电天线的XOY平面近场辐射方向图。 [0022] 图4(c)是本申请一实施例提供的甚低频磁电天线的XOZ平面近场辐射方向图。 [0023] 图4(d)是本申请一实施例提供的甚低频磁电天线的YOZ平面近场辐射方向图。 [0024] 图5是本申请另一实施例提供的基于磁电天线的甚低频信号传输系统的示意性框图。 [0025] 图6是本申请另一实施例提供的原始模拟信号和接收信号的波形比较图。 具体实施方式[0026] 下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。 [0027] 实施例一： [0028] 请参考图1所示，本申请实施例提供了一种基于磁电天线的甚低频信号传输系统，包括信号发生模组、甚低频磁电天线、接收线圈和信号处理模组，下面分别详细说明各部件的组成及工作原理。 [0029] 信号发生模组用于产生交变激励信号以驱动甚低频磁电天线，当提供给系统的原始信号为数字信号时，信号发生模组包括单片机、信号发生器、乘法器和第一功率放大器。其中，1)单片机用于通过人机交互检测发送携带信息的数字信号，该信息是外部基于人机交互接口传输给单片机的，将此信息通过相应的管脚输出对应的方波数值信号。2)信号发生器用于产生对应甚低频磁电天线谐振频率的正弦波载波信号。3)乘法器用于将携带信息的数字信号与正弦波载波信号相乘，将数字信号调制到载波信号上，调制生成ASK信号。4)第一功率放大器用于将ASK信号放大，放大后的ASK信号作为交变激励信号输出给甚低频磁电天线。 [0030] 可选的，本实施例采用的单片机基于STM‑32F101型号实现。 [0031] 甚低频磁电天线基于逆磁电效应向外部空间发送甚低频波段的电磁波信号。如图2所示，甚低频磁电天线包括两个永磁体1，以及第一磁致伸缩层2、压电层3和第二磁致伸缩层4形成的三明治结构，即中间为压电层3，上下两层为磁致伸缩层2和4。两个永磁体1分别设置在三明治结构沿长度方向的两端，提供偏置磁场。在压电层厚度方向相对的两个面覆盖有电极片5，电极片5连接信号发生模组的输出，以接收交变激励信号，连接方式可以为在第一磁致伸缩层2和第二磁致伸缩层4表面引出导线连接第一功率放大器。 [0032] 逆磁电效应可以理解为磁致伸缩材料的磁致伸缩效应和压电材料的逆压电效应的结合，即压电层3在电极片5所施加的激励(即携带信息的外界交变电场)下发生逆压电效应，产生与交变激励信号相同频率的振动，带动上下两层磁致伸缩层2和4振动，从而产生磁场辐射，将ASK信号在甚低频波段发射出去，实现电信号到电磁波信号的转换。在振动传递过程中，振动频率不变，因此天线对外辐射磁信号的频率即为压电材料的振动频率。提供偏置磁场是为了提升磁电天线的磁电效应，磁电复合材料的磁电效应受直流偏置磁场的影响，随着偏置磁场的增大，磁电效应增强，在达到最优偏置磁场时趋于稳定。 [0033] 可选的，所使用的甚低频磁电天线中的压电层3，通过在其中掺杂稀土元素或第三组元等方式，可提高其压电效应、品质因数、耦合系数等，从而实现更高的辐射强度，更好的信号传输性能。在本实施例中，压电层3为将PbO、SrCO3、BaCO3、MgNb2O6、TiO2、ZrO2和Sm2O3通过高温烧结、固相反应制备得到的压电陶瓷，也可用PZT陶瓷、PMN‑PT单晶/陶瓷、LiNbO3单晶等压电材料中的一种替代。第一和第二磁致伸缩层2和4的材料主要为Metglas、Terfenol D、GaFe合金或CoFe合金中的一种。电极片5的材料为Ag，也可用Au、Cu、Pt等导电性良好的金属电极中的一种替代。 [0034] 可选的，本实施例提供的三明治结构中每层均为长条矩形薄片结构，其中压电层3的长度为40mm，宽度为20mm，高度0.5mm；第一和第二磁致伸缩层2和4的长度均为140mm，宽度均为20mm。 [0035] 接收线圈用于接收甚低频波段的电磁波信号并传输给信号处理模组。在本实施例中，利用霍尔接收线圈接收在空间中传播的甚低频信号。 [0036] 信号处理模组用于对甚低频波段的电磁波信号进行处理并进行展示，当提供给系统的原始信号为数字信号时，对应的信号处理模组包括依次连接的带通滤波器、包络检测器、电压比较器和计算机。其中，1)带通滤波器用于根据频率响应的特点将接收信号中选定的频率范围信号进行增强或衰弱，以实现对特定频率的选择性处理。2)包络检测器用于提取过滤后的信号包络，进行ASK信号的解调。3)电压比较器用于比较包络检测器输出信号和给定信号/阈值的大小关系从而实现对信号进行进一步的修整，得到解调信号。4)解调后的信号通过串口发送至计算机进行还原展示，如图3所示，从上到下依次为原始数字信号、调制信号、接收信号和解调信号，可见解调信号与原始数字信号的波形大致吻合。结合图4(a)‑(d)所示，可知甚低频磁电天线的信号传输具有方向性。 [0037] 实施例二： [0038] 请参考图5所示，本申请实施例提供了另一种基于磁电天线的甚低频信号传输系统，同样包括信号发生模组、甚低频磁电天线、接收线圈和信号处理模组。与实施例一不同的是，当提供给系统的原始信号为模拟信号时，信号发生模组包括单片机和第一功率放大器。其中，1)单片机用于通过人机交互检测发送携带信息的模拟信号，该信息是外部基于人机交互接口传输给单片机的，将此信息通过相应的管脚输出对应的模拟信号，如图6所示。2)第一功率放大器用于将携带信息的模拟信号放大，放大后的模拟信号作为交变激励信号输出给甚低频磁电天线。对应的信号处理模组包括第二功率放大器和计算机，其中第二功率放大器用于将接收信号进行放大，并通过串口发送至计算机进行展示，如图6所示，可以看出原始模拟信号与放大后的信号波形大致吻合。 [0039] 上述两种基于磁电天线的甚低频信号传输系统均具有传播距离远和抗电磁脉冲干扰能力强等特点。可通过大气层实现超远距离传播，相较于高频波段,低频电磁波在海水中衰减小，对于对潜通信具有重大意义；其优异的穿透性能使其在透地通信和地质勘测等领域也发挥着重要作用。并且整个系统体积小，具有轻量化、低功耗的特点，有很高的应用价值。 [0040] 以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。 |
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