關鍵詞：旋轉永磁體天線、最佳化設計、直接天線調製、非相干解調

張鋒， 孫發曉， 渠曉東， 宮兆前， 紀奕才， 方廣有。 基於旋轉永磁體的低頻通訊技術研究［J］。 電子與資訊學報。

doi： 10。11999/JEIT210274

摘 要

旋轉永磁體天線作為一種新型低頻磁天線，克服了傳統低頻線圈體積大、功耗高、效率低的缺點，主要應用於近場低頻磁通訊中。

來自中科院空天資訊創新研究院的方廣有研究員的研究團隊利用FEKO分析了天線近區磁場隨方向的變化規律，探究了近場範圍內無限大地面對天線近區磁場分佈的影響，結果表明：天線在其徑向輻射強度最大，在其軸向輻射強度最小。並且在較近的通訊距離範圍內，地面對磁場訊號的影響較小。分析轉動慣量和磁矩之間的關係，對永磁體結構引數進行最佳化，研究人員研製了兩款樣機，並對最佳化前後的旋轉永磁體天線功耗進行測試。

實驗結果表明：在質量多出30 g的情況下， 最佳化後的永磁體天線比最佳化前的天線平均功耗低5。5 W左右。利用直接天線調製方式磁場的2FSK調製，透過非相 幹解調恢復碼元資訊，測試結果表明：複雜電磁環境下，最佳化後的永磁體天線可以在20 m範圍內實現碼元速率為 3。5 bps的超低頻通訊。

1 低頻天線小型化以及地面對其輻射特性的影響

旋轉永磁體天線結構示意圖（1） 低頻天線小型化

如上圖所示的旋轉永磁體天線，採用剩餘磁感應強度=1。4 T、半徑13 mm、高度40 mm的圓柱型N52釹鐵硼永磁體，透過計算可得其發射磁矩為24 Am2。

傳統線圈天線的磁矩與線圈電流和麵積有關，與線圈形狀無關，一個線徑1。38 mm的29匝線圈，其高度為40 mm，當饋電電流為10 A時，若要產生24 Am2大小的磁矩，線圈天線的直徑將達到0。32 m，體積是旋轉永磁體的151倍。雖然線圈可以增加匝數來降低線圈半徑，但是匝數的增加會引入損耗電阻，影響天線的效率， 同時會增加線圈的電感，為保持發射電流，必須增加發射機的輸出功率。這充分證明了旋轉永磁體天線在低頻天線小型化方面的優勢。

（2） 天線輻射特性及地面影響

基於旋轉永磁體的超低頻通訊距離遠小於天線工作波長，根據旋轉永磁體與相位相差且相互正交的磁流元之間的等效關係，利用FEKO觀察沿Z軸旋轉的永磁體天線近場區域磁場強度的分佈，得到YOZ面的磁感應曲線變化如下圖所示，可知：旋轉永磁體天線的最大輻射方向為其徑向，最小輻射方向為旋轉軸方向。

近場磁感應強度變化曲線低頻通訊技術在透地通訊中應用廣泛，考慮實際應用場景，低頻天線被放置於地面上。地面作為一種導電媒質對天線輻射的磁場訊號可能會有一定的影響。

為探究地面對天線輻射的影響，利用FEKO建立放置於距水平地面0。5 m高的正交磁流元模型，比較有無地面兩種情況下磁場徑向分量的大小，得到如下圖的結果。可知：在其近場範圍內，徑向充磁、軸向旋轉的永磁體天線，其磁場分佈受地面的影響較小。但隨著距離的變大，磁感應強度變小，地面對其強度的影響愈發明顯。

地面對磁場徑向分量的影響

2 輻射源最佳化

旋轉永磁體天線是透過伺服系統控制電機驅動永磁體旋轉，從而實現“電能-機械能-電磁能”的能量轉換。在工作過程中，磁體所受摩擦力的影響可忽略不計，電機需要克服慣性做功所消耗的能量直接影響天線效率。為了進一步提高旋轉永磁體天線的效率，對輻射源的尺寸進行最佳化十分必要。

轉動慣量、磁矩隨永磁體尺寸的變化從上圖的結果來看，當旋轉永磁體天線所需磁矩大小確定，適當的減小磁體半徑、增加高度可以減小永磁體旋轉的轉動慣量，即在圖中從B點到A點的過程。降低天線對扭矩的需要，可進一步提高天線效率。但若半徑過小，高度過大，會導致永磁體在旋轉過程中發生抖動的現象。

3 調製解調原理

傳統無線通訊的調製是將基帶訊號調製到載波上，再經過天線將已調訊號輻射出去。而直接天線調製（Direct Antenna Modulation， DAM）方式是將資訊載入到天線輻射場上完成資訊的調製與發射。旋轉永磁體天線便可利用該調製方式實現資訊碼元對電機轉速的控制，從而得到不同頻率的磁場訊號，完成頻率調製，其原理如下圖所示。

機械天線頻率調製原理對於接收到的2FSK訊號，可以採用非相干解調的方式解調出原始資訊碼元，其原理框圖如下圖所示。在接收端，將接收到的訊號透過陷波濾波器濾除工頻訊號，經過以兩個載波頻率為中心頻率的帶通濾波器後利用包絡檢波的方式提取出其包絡資訊進行歸一化，選取合適判決值便可解調得到資訊碼元。

非相干解調流程框圖

4 實驗驗證

為了驗證以上關於輻射源最佳化以及調製解調的理論分析，研製了兩套天線樣機，樣機天線分別以不同規格的永磁體作為天線輻射源。

實驗所用旋轉永磁體天線

磁場訊號接收採集裝置在傳送碼元為全‘1’序列時，接收訊號如下圖所示。圖（a）為8 m位置訊號的頻譜，由於實驗環境的影響，噪聲較大。圖（b）在不同距離處接收到永磁體#1的磁場徑向分量Br隨距離變化的曲線，與理論計算和模擬結果吻合較好。

永磁體#1接收訊號可以看到：即便是在質量相差30 g的情況下，減小半徑依然能夠降低對電機扭矩的要求。這證明了永磁體結構最佳化方法的有效性。

永磁體#1旋轉得到80 Hz磁場訊號所消耗的平均能量密度為80 kJ/m3，而Nd-FeB永磁體典型的能量密度為470 kJ/m3，為所消耗能量密度的6倍左右，說明旋轉永磁體天線高效能的優勢。

（詳細分析見原文）

在傳送‘1’、‘0’交替的碼元過程中，將磁場式感測器放置於距離發射天線4 m的位置進行訊號的接收得到如下圖所示訊號。

4 m位置接收訊號可以清晰地從上圖（b）中看出訊號頻率隨時間變化規律，結合圖（a）的訊號頻譜圖，接收到的訊號符合2FSK的訊號特徵，但其兩根主譜線頻率分別為66 Hz和76 Hz，低於理論值，表明電機運動未達到預設轉速。

解調採用非相干解調方式，將接收訊號依次透過陷波濾波器、帶通濾波器後，提取其包絡進行歸一化，選取合適的判決值便可得到原始資訊碼元。在收發間距為20 m時，得到接收訊號的時頻圖和解調後的碼元資訊分別如下圖（a）、（b）所示。

可見在信噪比較低的情況下，可以成功恢復資訊碼元。但從碼元隨時間變化的情況來看，碼元速率達到了3。5 bps，比理論計算值2。86 bps要高。分析其原因是：在電機進行頻率切換過程中的加減速時間並不需要設定的50 ms。

20 m位置接收訊號根據以上實驗結果，該永磁體天線樣機在複雜電磁環境下，實現了20 m範圍內碼元速率為3。5bps的超低頻通訊，本實驗過程中收發之間有部分遮擋，後續將開展完全遮擋的穿透通訊實驗，驗證新型低頻天線的穿透通訊能力。

若要進一步提高通訊速率可減小電機勻速旋轉的時間或電機加減速時間。但是由於頻率調製過程中電機在兩個不同的頻率範圍之間的進行變化，會引入其他的頻率分量，若繼續減小勻速時間會使單位元碼元訊號的能量減小，導致通訊距離下降。減小電機加減速時間對電機效能要求較高，因此對輻射源尺寸進行最佳化，降低永磁體的轉動慣量十分重要。

5 總結

研究團隊從天線輻射場角度比較了傳統線圈和旋轉永磁體天線，若要獲得相同大小的磁矩，後者在尺寸上有明顯優勢，可實現低頻天線的小型化。

利用模擬分析旋轉永磁體天線的近場輻射特性，結果表明其最大輻射方向為磁體徑向方向，最小輻射方向為旋轉軸方向。並且探究無限大地面對旋轉永磁體天線近區磁場分佈的影響，結果表明在其近場範圍內，地面對其影響不大，但隨距離變大，場強幅度的降低，地面對場強的影響愈發明顯。

研究人員研究了永磁體的轉動慣量和磁矩之間的關係，減小永磁體半徑，增大其高度，在保持永磁體磁矩不變的情況下可以降低其轉動慣量。

利用最佳化前後引數研製了兩款旋轉永磁體樣機，比較二者在工作過程中消耗的功率，證明了透過永磁體結構最佳化可以降低運動過程中對電機扭矩的需求，實現高效率的天線設計。

透過直接天線調製技術產生2FSK訊號，並利用非相干解調的方式解調出碼元資訊，在複雜電磁環境下實現了20 m範圍內，碼元速率為3。5 bps的超低頻通訊。

作者團隊

中科院空天資訊創新研究院

研究團隊

張鋒*①② 孫發曉①②③ 渠曉東①②

宮兆前①② 紀奕才①② 方廣有①②

①（中國科學院空天資訊創新研究院 北京 100094）

②（電磁輻射與探測技術重點實驗室 北京 100190）

③（中國科學院大學電子電氣與通訊工程學院 北京 100049）

方廣有

1963年生， 博士，中科院空天院（原電子所）研究員，博士生導師，中科院電磁輻射與探測技術重點實驗室主任。1990－1999年，在中國電波傳播研究所從事科研工作，先後任工程師、高階工程師、研究員、研究室主任、所副總工程師等職務。

研究方向：主要從事超寬頻雷達成像理論與技術、探地雷達技術、地球物理電磁勘探技術、月球/火星探測雷達技術、超寬頻天線理論與技術、THz成像技術等方面的研究工作。

中國科學院電磁輻射與探測技術重點實驗室

中國科學院電磁輻射與探測技術重點實驗室面向國家需求，以嫦娥計劃、深空探測計劃等空間科學探測任務為牽引，開展測月雷達、火星／金星次表層結構探測雷達等先進載荷技術研究；以滿足我國地下資源勘探的迫切需要為目標，開展地球物理電磁勘探新方法、新技術及應用系統整合研究；以反恐維穩和我軍現代化建設裝備需求為牽引，開展超寬頻雷達、太赫茲成像新方法、新技術及新裝備整合技術研究；以微波遙感理論為基礎，開展電磁散射與逆散射、天線技術、成像方法與技術研究。

美 編：馬秀強

校 對：餘 蓉、劉豔玲

審 核：陳 倩

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