CN112615805B - 基于双永磁体的机械天线通信***及方法 - Google Patents

基于双永磁体的机械天线通信***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双永磁体的机械天线通信***及方法，所述***包括：机械机构单元、电源及控制单元和状态监测单元，所述机械机构单元从左至右依次包括：驱动模块、第一永磁体、调相模块和第二永磁体，所述驱动模块、所述第一永磁体、所述调相模块和所述第二永磁体通过传动机构连接，所述驱动模块可驱动所述第一永磁体、所述第二永磁体恒速转动；所述电源及控制单元可控制所述驱动模块和所述调相模块的运作；所述状态监测单元可监控所述机械机构单元的运行状态、反馈至所述电源及控制单元。根据本发明的基于双永磁体的机械天线通信***，天线的电磁辐射由永磁体的机械转动直接产生，无需传统天线的阻抗匹配电路，天线效率更高、能耗更低。

Description

基于双永磁体的机械天线通信***及方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其是涉及一种基于双永磁体的机械天线通信***及方法。
背景技术
极低频(Extremely Low Frequency，ELF)与超低频(Super Low Frequency，SLF)无线电技术的应用领域十分广阔，其对地壳、海水等介质具有较强的穿透力，有传播距离远、可靠性高、抗干扰性强、电磁脉冲不易破坏等优点。然而现有超低频天线的辐射效率直接受限于天线的尺寸，使得低频电磁发信***存在天线体积庞大、设备复杂、辐射效率低、能耗大等问题，严重制约了其应用的机动性和灵活性。如美国的威斯康辛发射台、俄罗斯的科拉半岛发射台等，其天线体积与占地面积都很大。
此外，对于现有的机械天线调制方案，其调制思路多为调整驱动电机的转速来实现信号的频率调制。频率调制对电机以及相关控制电路的性能提出了较高要求，并且当信号的码率提升时，频繁的调速过程将显著增加***的能耗。因此，上述技术存在改进空间。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种基于双永磁体的机械天线通信***，所述基于双永磁体的机械天线通信***，天线的电磁辐射由永磁体的机械转动直接产生，机械能直接转换为电磁能，无需接地，无需传统天线的阻抗匹配电路，天线效率高；另外，驱动电机恒速旋转，驱动电路简单，能耗低，通过改变第一永磁体，第二永磁体的磁化方向夹角即可实现信号的幅度和相位调制。
本发明还提出了一种应用于上述基于双永磁体的机械天线通信***的方法。
根据本发明实施例的基于双永磁体的机械天线通信***，包括：
机械机构单元，所述机械机构单元从左至右依次包括：驱动模块、第一永磁体、调相模块和第二永磁体，所述驱动模块、所述第一永磁体、所述调相模块和所述第二永磁体通过传动机构连接，所述驱动模块可驱动所述第一永磁体、所述第二永磁体恒速转动，所述调相模块可调整所述第一永磁体、所述第二永磁体的磁化方向夹角并且保持所述第一永磁体、所述第二永磁体的同步旋转；
电源及控制单元，所述电源及控制单元可控制所述驱动模块和所述调相模块的运作；
状态监测单元，所述状态监测单元可监控所述机械机构单元的运行状态、反馈至所述电源及控制单元。
根据本发明的基于双永磁体的机械天线通信***，天线的电磁辐射由永磁体的机械转动直接产生，机械能直接转换为电磁能；无需接地，无需传统天线的阻抗匹配电路，天线效率高；另外，驱动电机恒速旋转，驱动电路简单，能耗低，通过改变第一永磁体，第二永磁体的磁化方向夹角即可实现信号的幅度和相位调制。
根据本发明一个实施例的基于双永磁体的机械天线通信***，所述机械机构单元、所述电源及控制单元和所述状态监测单元构成闭环控制***。
根据本发明一个实施例的基于双永磁体的机械天线通信***，所述电源及控制单元包括：直流电源模块、Arduino模块和电机驱动板，所述直流电源模块为所述Arduino模块和所述电机驱动板提供工作电源。
根据本发明一个实施例的基于双永磁体的机械天线通信***，所述Arduino模块可接收上位机的报文信号，并对所述报文信号进行编码后向所述机械机构单元发出指令。
根据本发明一个实施例的基于双永磁体的机械天线通信***，所述机械机构单元还包括：传感器、光栅、电刷和滑环，所述状态监测单元可收集所述传感器的信号并反馈至所述电源及控制单元，所述光栅设置在所述传动机构上，所述电刷和所述滑环为所述调相模块提供控制信号。
根据本发明一个实施例的基于双永磁体的机械天线通信***，所述第一永磁体和所述第二永磁体为径向磁化的永磁体，磁化方向为所述永磁体的S极指向N极。
根据本发明的第二方面的基于双永磁体的机械天线通信方法，所述方法可以应用在所述的基于双永磁体的机械天线通信***上，包括以下步骤：
S1，信号调制，即当旋转中的第一永磁体、第二永磁体的磁化方向夹角α发生改变时，对时谐电磁波的幅度A和相位B进行调制，调制后的信号表示为：
A(α)cos(ωt+B(α))；
S2，信号解调，包括：
S201，幅度A解调，对信号进行直流整流后取包络，提取出加载的报文信号；
S202，相位B解调，使用与载波频率一致的相干载波信号与接收到的信号进行相乘，设相干载波的表达式为cos(ωt+θ)。相乘后的结果为：
Figure BDA0002758782400000031
滤除交流分量，得到与信号相位有关的结果
Figure BDA0002758782400000032
综上，根据本发明第二方面的基于双永磁体的机械天线通信方法，一方面无需接地，无需传统天线的阻抗匹配电路，天线效率高；另一方面对辐射信号进行幅度和相位联合解调的方式，以最大化提取原信号中的信息，降低信号传输中的误码率。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明实施例的基于双永磁体的机械天线通信***的结构示意图；
图2是根据本发明实施例的电源及控制单元的结构示意图；
图3是根据本发明实施例的调相模块调试第一永磁体和第二永磁体的一图；
图4是根据本发明实施例的调相模块调试第一永磁体和第二永磁体的二图；
图5是根据本发明实施例的机械机构单元的局部结构示意图；
图6是根据本发明实施例的基于双永磁体的机械天线通信方法的过程示意图；
图7是根据本发明实施例的基于双永磁体的机械天线通信方法的调试结果的示意图。
附图标记：
100-基于双永磁体的机械天线通信***，1-机械机构单元，11-驱动模块，12-第一永磁体，13-调相模块，14-第二永磁体，15-传动机构，2-电源及控制单元，21-直流电源模块，22-Arduino模块，23-电机驱动板，3-状态监测单元，4-传感器，5-光栅，6-电刷、7-滑环，8-限位盘，81-限位槽，9-联轴器，91-减速箱。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
下面参考图1-图7描述根据本发明实施例的基于双永磁体的机械天线通信***100。如图1所示，根据本发明实施例的基于双永磁体的机械天线通信***100，可以包括：机械机构单元1、电源及控制单元2和状态监测单元3，进一步地，机械机构单元1从左至右依次包括：驱动模块11、第一永磁体12、调相模块13和第二永磁体14，具体地，驱动模块11、第一永磁体12、调相模块13和第二永磁体14通过传动机构15连接。进一步地，驱动模块11可驱动第一永磁体12、第二永磁体14恒速转动，这样可以使得基于双永磁体的机械天线通信***100稳定地向外辐射恒定频率的载波信号；另外，通过改变第一永磁体12，第二永磁体14的磁化方向夹角即可实现信号的幅度和相位调制，驱动电路简单，能耗低。进一步地，调相模块13可调整第一永磁体12、第二永磁体14的磁化方向夹角并且保持第一永磁体12、第二永磁体14的同步旋转；例如，在一个具体的实施例中，如图3和图4所示，第一永磁体12、第二永磁体14的磁化方向夹角由0°变为α°，这样同时使得编码后的信息加载到载波上。进一步地，电源及控制单元2可控制驱动模块11和调相模块13的运作；进一步地，状态监测单元3可用于监控机械机构单元1的运行状态、反馈至电源及控制单元2。
在现有的机械天线调制方案中，其调制思路多为调整驱动电机的转速来实现信号的频率调制，但是频率调制对电机以及相关控制电路的性能提出了较高要求，并且当信号的码率提升时，频繁的调速过程将显著增加***的能耗。本发明的基于双永磁体的机械天线通信***100，天线的电磁辐射由永磁体的机械转动直接产生，机械能直接转换为电磁能；另外，通过改变第一永磁体12，第二永磁体14的磁化方向夹角即可实现信号的幅度和相位调制，驱动电路简单，能耗低。
根据本发明的基于双永磁体的机械天线通信***100，天线的电磁辐射由永磁体的机械转动直接产生，机械能直接转换为电磁能；无需接地，无需传统天线的阻抗匹配电路，天线效率高；另外，通过改变第一永磁体12，第二永磁体14的磁化方向夹角即可实现信号的幅度和相位调制，驱动电路简单，能耗低。
根据本发明一个实施例的基于双永磁体的机械天线通信***100，如图1所示，机械机构单元1、电源及控制单元2和状态监测单元3构成闭环控制***。
根据本发明一个实施例的基于双永磁体的机械天线通信***100，如图2所示，电源及控制单元2可以包括：直流电源模块21、Arduino模块22和电机驱动板23，进一步地，直流电源模块21为Arduino模块22和电机驱动板23提供工作电源。
根据本发明一个实施例的基于双永磁体的机械天线通信***100，Arduino模块22可接收上位机(图中未示出)的报文信号，并对报文信号进行编码后向机械机构单元1发出指令。
根据本发明一个实施例的基于双永磁体的机械天线通信***100，如图5所示，机械机构单元1还可以包括：传感器4、光栅5、电刷6和滑环7，具体地，状态监测单元3可收集传感器4的信号并反馈至电源及控制单元2。例如，在一个具体的实施例中，传感器4可以为光电传感器4，用于采集机械机构单元1中的转速信号和调相角信号等，并将这些信号反馈给电源及控制单元2。进一步地，光栅5设置在传动机构15上，进一步地，电刷6和滑环7为调相模块13提供控制信号。进一步地，在一个具体的实施例中，调相模块13可以为减速电机。进一步地，限位盘8和减速电机的减速箱91固定连接，这样通过减速电机和限位盘8的配合，可以实现对机械天线通信***100的调相操作。进一步地，限位盘8上设置有滑槽81，这样可以在减速电机带动第二永磁体14转动时，起到限位第二永磁体14旋转角度的作用。进一步地，联轴器9套设在传动机构15上。
需要说明的是，调相模块13也可以采用气动、液压等调相方式。
根据本发明一个实施例的基于双永磁体的机械天线通信***100，驱动模块11可以采用直流电机，通过直流电机可以带动传动机构15旋转并由光电传感器4配合固接在传动机构15上的光栅15实现转速闭环控制。
根据本发明一个实施例的基于双永磁体的机械天线通信***100，第一永磁体12和第二永磁体14为径向磁化的永磁体，磁化方向为永磁体的S极指向N极。
综上所述，根据本发明的基于双永磁体的机械天线通信***100，天线的电磁辐射由永磁体的机械转动直接产生，机械能直接转换为电磁能；无需接地，无需传统天线的阻抗匹配电路，天线效率高；另外，通过改变第一永磁体12，第二永磁体14的磁化方向夹角即可实现信号的幅度和相位调制，驱动电路简单，能耗低。
本发明还提供了一种基于双永磁体的机械天线通信方法，如图6所示，该方法应用于上述的任一种基于双永磁体的机械天线通信***100，包括以下步骤：
S1，信号调制，即当旋转中的第一永磁体12、第二永磁体14的磁化方向夹角α发生改变时，对时谐电磁波的幅度A和相位B进行调制，调制后的信号表示为：
A(α)cos(ωt+B(α))；
S2，信号解调，包括：
S201，幅度A解调，对信号进行直流整流后取包络，提取出加载的报文信号；
S202，相位B解调，使用与载波频率一致的相干载波信号与接收到的信号进行相乘，设相干载波的表达式为cos(ωt+θ)。相乘后的结果为：
Figure BDA0002758782400000061
滤除交流分量，得到与信号相位有关的结果
Figure BDA0002758782400000062
需要说明的是，第一永磁体12、第二永磁体14的磁化方向夹角α在0-180°之间变化。
进一步地，如图7所示，通过本发明的基于双永磁体的机械天线通信方法可以进行超低频电磁波的调制测试，即通过机械天线可以向外发送“01010……”的循环码信号，进而可以有效的实现信号的幅值以及相位调控。
进一步地，通过本发明第二方面的基于双永磁体的机械天线通信方法，采用对辐射信号进行幅度和相位联合解调的方式，当天线距离辐射源较远幅值信号较为微弱时，仍然可以提取出波形的相位信息解调出加载在波形上的报文信号，可以最大化提取波形中的信息，降低传输中的误码率。
综上，根据本发明第二方面的基于双永磁体的机械天线通信方法，一方面无需接地，无需传统天线的阻抗匹配电路，天线效率高；另一方面对辐射信号进行幅度和相位联合解调的方式，以最大化提取原信号中的信息，降低信号传输中的误码率。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于双永磁体的机械天线通信***，其特征在于，包括：
机械机构单元，所述机械机构单元从左至右依次包括：驱动模块、第一永磁体、调相模块和第二永磁体，所述驱动模块、所述第一永磁体、所述调相模块和所述第二永磁体通过传动机构连接，所述驱动模块可驱动所述第一永磁体、所述第二永磁体恒速转动，所述调相模块可调整所述第一永磁体、所述第二永磁体的磁化方向夹角并且保持所述第一永磁体、所述第二永磁体的同步旋转；
电源及控制单元，所述电源及控制单元可控制所述驱动模块和所述调相模块的运作；
状态监测单元，所述状态监测单元可监控所述机械机构单元的运行状态、反馈至所述电源及控制单元；
通过改变所述第一永磁体与所述第二永磁体的磁化方向夹角实现信号的幅度和相位调制。
2.根据权利要求1所述的基于双永磁体的机械天线通信***，其特征在于，所述机械机构单元、所述电源及控制单元和所述状态监测单元构成闭环控制***。
3.根据权利要求2所述的基于双永磁体的机械天线通信***，其特征在于，所述电源及控制单元包括：直流电源模块、Arduino模块和电机驱动板，所述直流电源模块为所述Arduino模块和所述电机驱动板提供工作电源。
4.根据权利要求3所述的基于双永磁体的机械天线通信***，其特征在于，所述Arduino模块可接收上位机的报文信号，并对所述报文信号进行编码后向所述机械机构单元发出指令。
5.根据权利要求4所述的基于双永磁体的机械天线通信***，其特征在于，所述机械机构单元还包括：传感器、光栅、电刷和滑环，所述状态监测单元可收集所述传感器的信号并反馈至所述电源及控制单元，所述光栅设置在所述传动机构上，所述电刷和所述滑环为所述调相模块提供控制信号。
6.根据权利要求1所述的基于双永磁体的机械天线通信***，其特征在于，所述第一永磁体和所述第二永磁体为径向磁化的永磁体，磁化方向为所述永磁体的S极指向N极。
7.一种基于双永磁体的机械天线通信方法，所述方法可以应用在权利要求1-6中任一项所述的基于双永磁体的机械天线通信***上，其特征在于，包括以下步骤：
S1，信号调制，即当旋转中的第一永磁体、第二永磁体的磁化方向夹角α发生改变时，对时谐电磁波的幅度A和相位B进行调制，调制后的信号表示为：
A(α)cos(ωt+B(α))；
S2，信号解调，包括：
S201，幅度A解调，对信号进行直流整流后取包络，提取出加载的报文信号；
S202，相位B解调，使用与载波频率一致的相干载波信号与接收到的信号进行相乘，设相干载波的表达式为cos(ωt+θ)，相乘后的结果为：
Figure FDA0003470725960000021
滤除交流分量，得到与信号相位有关的结果
Figure FDA0003470725960000022
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