基于旋转永磁体的低频通信技术研究
关键词：旋转永磁体天线、优化设计、直接天线调制、非相干解调张锋, 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.
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。
来自中科院空天信息创新研究院的方广有研究员的研究团队利用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。分析转动惯量和磁矩之间的关系，对永磁体结构参数进行优化，研究人员研制了两款样机，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：在质量多出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。
1 低频天线小型化以及地面对其辐射特性的影响
旋转永磁体天线结构示意图
(1) 低频天线小型化
如上图所示的旋转永磁体天线，采用剩余磁感应强度=1.4 T、半径13 mm、高度40 mm的圆柱型N52钕铁硼永磁体，通过计算可得其发射磁矩为24 Am2。
传统线圈天线的磁矩与线圈电流和面积有关，与线圈形状无关，一个线径1.38 mm的29匝线圈，其高度为40 mm，当馈电电流为10 A时，若要产生24 Am2大小的磁矩，线圈天线的直径将达到0.32 m，体积是旋转永磁体的151倍。虽然线圈可以增加匝数来降低线圈半径，但是匝数的增加会引入损耗电阻，影响天线的效率, 同时会增加线圈的电感，为保持发射电流，必须增加发射机的输出功率。这充分证明了旋转永磁体天线在低频天线小型化方面的优势。
(2) 天线辐射特性及地面影响
基于旋转永磁体的超低频通信距离远小于天线工作波长，根据旋转永磁体与相位相差且相互正交的磁流元之间的等效关系，利用FEKO观察沿Z轴旋转的永磁体天线近场区域磁场强度的分布，得到YOZ面的磁感应曲线变化如下图所示，可知：旋转永磁体天线的最大辐射方向为其径向，最小辐射方向为旋转轴方向。
近场磁感应强度变化曲线
低频通信技术在透地通信中应用广泛，考虑实际应用场景，低频天线被放置于地面上。地面作为一种导电媒质对天线辐射的磁场信号可能会有一定的影响。
为探究地面对天线辐射的影响，利用FEKO建立放置于距水平地面0.5 m高的正交磁流元模型，比较有无地面两种情况下磁场径向分量的大小，得到如下图的结果。可知：在其近场范围内，径向充磁、轴向旋转的永磁体天线，其磁场分布受地面的影响较小。但随着距离的变大，磁感应强度变小，地面对其强度的影响愈发明显。
地面对磁场径向分量的影响
2 辐射源优化
旋转永磁体天线是通过伺服系统控制电机驱动永磁体旋转，从而实现“电能-机械能-电磁能”的能量转换。在工作过程中，磁体所受摩擦力的影响可忽略不计，电机需要克服惯性做功所消耗的能量直接影响天线效率。为了进一步提高旋转永磁体天线的效率，对辐射源的尺寸进行优化十分必要。
转动惯量、磁矩随永磁体尺寸的变化
从上图的结果来看，当旋转永磁体天线所需磁矩大小确定，适当的减小磁体半径、增加高度可以减小永磁体旋转的转动惯量，即在图中从B点到A点的过程。降低天线对扭矩的需要，可进一步提高天线效率。但若半径过小，高度过大，会导致永磁体在旋转过程中发生抖动的现象。
3 调制解调原理
传统无线通信的调制是将基带信号调制到载波上，再经过天线将已调信号辐射出去。而直接天线调制(Direct Antenna Modulation, DAM)方式是将信息加载到天线辐射场上完成信息的调制与发射。旋转永磁体天线便可利用该调制方式实现信息码元对电机转速的控制，从而得到不同频率的磁场信号，完成频率调制，其原理如下图所示。
机械天线频率调制原理
对于接收到的2FSK信号，可以采用非相干解调的方式解调出原始信息码元，其原理框图如下图所示。在接收端，将接收到的信号通过陷波滤波器滤除工频信号，经过以两个载波频率为中心频率的带通滤波器后利用包络检波的方式提取出其包络信息进行归一化，选取合适判决值便可解调得到信息码元。
非相干解调流程框图
4 实验验证
为了验证以上关于辐射源优化以及调制解调的理论分析，研制了两套天线样机，样机天线分别以不同规格的永磁体作为天线辐射源。
实验所用旋转永磁体天线
磁场信号接收采集设备
在发送码元为全‘1’序列时，接收信号如下图所示。图(a)为8 m位置信号的频谱，由于实验环境的影响，噪声较大。图(b)在不同距离处接收到永磁体#1的磁场径向分量Br随距离变化的曲线，与理论计算和仿真结果吻合较好。
永磁体#1接收信号
可以看到：即便是在质量相差30 g的情况下，减小半径依然能够降低对电机扭矩的要求。这证明了永磁体结构优化方法的有效性。
永磁体#1旋转得到80 Hz磁场信号所消耗的平均能量密度为80 kJ/m3,而Nd-FeB永磁体典型的能量密度为470 kJ/m3，为所消耗能量密度的6倍左右，说明旋转永磁体天线高效能的优势。
（详细分析见原文）
在发送‘1’、‘0’交替的码元过程中，将磁场式传感器放置于距离发射天线4 m的位置进行信号的接收得到如下图所示信号。
4 m位置接收信号
可以清晰地从上图(b)中看出信号频率随时间变化规律，结合图(a)的信号频谱图，接收到的信号符合2FSK的信号特征，但其两根主谱线频率分别为66 Hz和76 Hz，低于理论值，表明电机运动未达到预设转速。
解调采用非相干解调方式，将接收信号依次通过陷波滤波器、带通滤波器后，提取其包络进行归一化，选取合适的判决值便可得到原始信息码元。在收发间距为20 m时，得到接收信号的时频图和解调后的码元信息分别如下图(a)、(b)所示。
可见在信噪比较低的情况下，可以成功恢复信息码元。但从码元随时间变化的情况来看，码元速率达到了3.5 bps，比理论计算值2.86 bps要高。分析其原因是：在电机进行频率切换过程中的加减速时间并不需要设定的50 ms。
20 m位置接收信号
根据以上实验结果，该永磁体天线样机在复杂电磁环境下，实现了20 m范围内码元速率为3.5bps的超低频通信，本实验过程中收发之间有部分遮挡，后续将开展完全遮挡的穿透通信实验，验证新型低频天线的穿透通信能力。
若要进一步提高通信速率可减小电机匀速旋转的时间或电机加减速时间。但是由于频率调制过程中电机在两个不同的频率范围之间的进行变化，会引入其他的频率分量，若继续减小匀速时间会使单比特码元信号的能量减小，导致通信距离下降。减小电机加减速时间对电机性能要求较高，因此对辐射源尺寸进行优化，降低永磁体的转动惯量十分重要。
5 总结
研究团队从天线辐射场角度比较了传统线圈和旋转永磁体天线，若要获得相同大小的磁矩，后者在尺寸上有明显优势，可实现低频天线的小型化。
利用仿真分析旋转永磁体天线的近场辐射特性，结果表明其最大辐射方向为磁体径向方向，最小辐射方向为旋转轴方向。并且探究无限大地面对旋转永磁体天线近区磁场分布的影响，结果表明在其近场范围内，地面对其影响不大，但随距离变大，场强幅度的降低，地面对场强的影响愈发明显。
研究人员研究了永磁体的转动惯量和磁矩之间的关系，减小永磁体半径，增大其高度，在保持永磁体磁矩不变的情况下可以降低其转动惯量。
利用优化前后参数研制了两款旋转永磁体样机，比较二者在工作过程中消耗的功率，证明了通过永磁体结构优化可以降低运动过程中对电机扭矩的需求，实现高效率的天线设计。
通过直接天线调制技术产生2FSK信号，并利用非相干解调的方式解调出码元信息，在复杂电磁环境下实现了20 m范围内，码元速率为3.5 bps的超低频通信。
作者团队
中科院空天信息创新研究院
研究团队
张锋*①② 孙发晓①②③ 渠晓东①②
宫兆前①② 纪奕才①② 方广有①②
①(中国科学院空天信息创新研究院 北京 100094)
②(电磁辐射与探测技术重点实验室 北京 100190)
③(中国科学院大学电子电气与通信工程学院 北京 100049)
方广有
1963年生， 博士，中科院空天院（原电子所）研究员，博士生导师，中科院电磁辐射与探测技术重点实验室主任。1990－1999年，在中国电波传播研究所从事科研工作，先后任工程师、高级工程师、研究员、研究室主任、所副总工程师等职务。
研究方向：主要从事超宽带雷达成像理论与技术、探地雷达技术、地球物理电磁勘探技术、月球/火星探测雷达技术、超宽带天线理论与技术、THz成像技术等方面的研究工作。
中国科学院电磁辐射与探测技术重点实验室
中国科学院电磁辐射与探测技术重点实验室面向国家需求，以嫦娥计划、深空探测计划等空间科学探测任务为牵引，开展测月雷达、火星／金星次表层结构探测雷达等先进载荷技术研究；以满足我国地下资源勘探的迫切需要为目标，开展地球物理电磁勘探新方法、新技术及应用系统集成研究；以反恐维稳和我军现代化建设装备需求为牵引，开展超宽带雷达、太赫兹成像新方法、新技术及新装备集成技术研究；以微波遥感理论为基础，开展电磁散射与逆散射、天线技术、成像方法与技术研究。
美 编：马秀强
校 对：余 蓉、刘艳玲
审 核：陈 倩
声 明
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