用于机械天线低频磁信号辐射的幅度调制装置及调制方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910218470.8 (22)申请日 2019.03.21 (71)申请人 西安理工大学 地址 710048 陕西省西安市金花南路5号 (72)发明人 宋忠国张多佳席晓莉刘江凡 赵雨辰 (74)专利代理机构 西安弘理专利事务所 61214 代理人 罗笛 (51)Int.Cl. H04L 27/04(2006.01) (54)发明名称 用于机械天线低频磁信号辐射的幅度调制 装置及调制方法 (57)摘要 本发明公开的用于机械天线低频磁信号辐 射的幅度调制装置， 包括依次连接的。

2、发射单元、 调制单元和接收单元； 发射单元包括高速电机， 高速电机的转动轴上套接有柱状永磁体； 调制单 元包括调制电机， 调制电机通过带轮结构连接调 制器， 永磁体嵌入调制器内； 接收单元包括接收 主机， 接收主机通过导线连接相互正交线圈， 相 互正交线圈与调制器之间通过电磁信号连接。 本 发明调制装置采用独立的机械装置驱动调制器 转动， 对机械天线辐射电磁波的幅度进行空间干 预， 避免了机械天线自身转动所需的频繁调速动 作， 极大地降低了机械天线系统对高速旋转驱动 源的要求， 提高了机械天线作为低频通信信号发 射装置的工程实现可行性。 权利要求书1页 说明书4页 附图5页 CN 110166。

3、390 A 2019.08.23 CN 110166390 A 1.用于机械天线低频磁信号辐射的幅度调制装置， 其特征在于， 包括依次连接的发射 单元、 调制单元和接收单元； 所述发射单元包括高速电机(1)， 高速电机(1)的转动轴上套接有柱状永磁体(4)； 所述调制单元包括调制电机(5)， 调制电机(5)通过带轮结构连接调制器(3)， 永磁体 (4)嵌入调制器(3)内； 所述接收单元包括接收主机(8)， 接收主机(8)通过导线连接相互正交线圈(7)， 相互正 交线圈(7)与调制器(3)之间通过电磁信号连接。 2.根据权利要求1所述的用于机械天线低频磁信号辐射的幅度调制装置， 其特征在于， 所。

4、述高速电机(1)的转动轴上还套接有联轴器(2)。 3.根据权利要求1所述的用于机械天线低频磁信号辐射的幅度调制装置， 其特征在于， 所述调制器(3)使用高磁导率材料制成， 且形状呈 “U” 型。 4.根据权利要求3所述的用于机械天线低频磁信号辐射的幅度调制装置， 其特征在于， 所述调制器(3)呈倒置设置， 调制器(3)开口一端朝向发射单元， 且所述永磁体(4)嵌入调制 器(3)开口一端内部， 调制器(3)闭合一端固接有转轴(10)， 转轴(10)通过带轮结构连接调 制电机(5)。 5.根据权利要求4所述的用于机械天线低频磁信号辐射的幅度调制装置， 其特征在于， 所述永磁体(4)、 调制器(3)。

5、和转轴(10)位于同轴位置。 6.根据权利要求3所述的用于机械天线低频磁信号辐射的幅度调制装置， 其特征在于， 所述带轮结构包括套接在调制电机(5)转动轴上的带轮(6)， 带轮(6)通过皮带(9)连接转轴 (10)。 7.如权利要求1-6任一所述的用于机械天线低频磁信号辐射的幅度调制方法， 其特征 在于， 包括以下步骤： 步骤1， 启动发射单元的高速电机(1)， 高速电机(1)转动并带动永磁体(4)以设定角速 率转动， 永磁体(4)转动向外辐射所需频率的电磁波； 步骤2， 启动调制单元的调制电机(5)， 调制电机(5)通过带轮(6)、 皮带(9)、 转轴(10)驱 动调制器(3)使其发生摆动，。

6、 调制器(3)位置相对永磁体(4)处于不同姿态时， 对永磁体(4) 在特定方位上辐射的电磁波信号幅度产生影响； 步骤3， 设当调制器(3)处于水平姿态时代表逻辑 “0” ， 当调制器(3)处于竖直姿态时代 表逻辑 “1” ， 以调制电机(5)交替驱动调制器(3)处于水平和竖直姿态， 完成数据在辐射信号 上的调制， 此时接收单元的相互正交线圈(7)， 根据不同方向上电磁波强度的特征进行逻辑 识别至接收主机(8)， 完成数据通信。 8.根据权利要求7所述的用于机械天线低频磁信号辐射的幅度调制方法， 其特征在于， 所述步骤3具体为： 设水平场分量辐射信号为I， 竖直场分量辐射信号为Q， 在接收单元以。

7、相互正交线圈(7)接收电磁信号， 当调制器(3)处于水平姿态时， 此时接 收单元中接收主机(8)接收的信号特征是： I路信号幅度变弱、 Q路信号幅度增强； 当调制器 (3)位于竖直姿态时， 此时接收主机(8)接收的信号特征是： I路信号幅度增强、 Q路信号幅度 变弱； 当调制器(3)旋转至与水平方向夹角为 时， 此时接收主机(8)接收的信号特征是： 与 调制器(3)平行的信号场分量幅度变弱、 与调制器(3)垂直方向分量幅度正常。 权利要求书 1/1 页 2 CN 110166390 A 2 用于机械天线低频磁信号辐射的幅度调制装置及调制方法 技术领域 0001 本发明属于通信信号调制技术领域，。

8、 具体涉及一种用于机械天线低频磁信号辐射 的幅度调制装置， 本发明还涉及一种用于机械天线低频磁信号辐射的幅度调制方法。 背景技术 0002 机械天线作为一种新概念天线， 区别于传统天线基于高频振荡电流产生电磁场的 信号辐射的模式， 机械天线通过机械装置驱动强磁体高速旋转来产生交变电磁场， 进而扰 动空间媒质， 向外辐射电磁波， 其在ELF/ULF/VLF 等低频电磁波信号的产生和辐射方面具 有极大的优势。 0003 目前， 机械天线应用所面临的问题之一： 如何对其产生的空间电磁波进行调制。 由 于整个系统是基于机械装置驱动的设计， 在工作原理上完全不同于传统低频段天线， 其调 制方式也与传统调。

9、制方式不同。 若采用调整机械天线磁体转速的方法实现信号调制， 在旋 转磁体自身较重、 转速较高时， 对其做频繁的变速操作耗能大， 还对驱动机械装置的性能提 出很高要求， 工程实现难度大。 发明内容 0004 本发明的目的是提供一种用于机械天线低频磁信号辐射的幅度调制装置， 解决了 现有机械天线在信号调制时， 对电机要求性能高、 实现难度大的问题。 0005 本发明的另一个目的是提供一种用于机械天线低频磁信号辐射的幅度调制方法。 0006 本发明所采用的技术方案是， 用于机械天线低频磁信号辐射的幅度调制装置， 包 括依次连接的发射单元、 调制单元和接收单元； 0007 发射单元包括高速电机， 高。

10、速电机的转动轴上套接有柱状永磁体； 0008 调制单元包括调制电机， 调制电机通过带轮结构连接调制器， 永磁体嵌入调制器 内； 0009 接收单元包括接收主机， 接收主机通过导线连接相互正交线圈， 相互正交线圈与 调制器之间通过电磁信号连接。 0010 本发明的特征还在于， 0011 高速电机的转动轴上还套接有联轴器。 0012 调制器使用高磁导率材料制成， 且形状呈 “U” 型。 0013 调制器呈倒置设置， 调制器开口一端朝向发射单元， 且永磁体嵌入调制器开口一 端内部， 调制器闭合一端固接有转轴， 转轴通过带轮结构连接调制电机。 0014 永磁体、 调制器和转轴位于同轴位置。 0015 。

11、带轮结构包括套接在调制电机转动轴上的带轮， 带轮通过皮带连接转轴。 0016 本发明的另一个技术方案是用于机械天线低频磁信号辐射的幅度调制方法， 包括 以下步骤： 0017 步骤1， 启动发射单元的高速电机， 高速电机转动并带动永磁体以设定角速率转 说明书 1/4 页 3 CN 110166390 A 3 动， 永磁体转动向外辐射所需频率的电磁波； 0018 步骤2， 启动调制单元的调制电机， 调制电机通过带轮、 皮带、 转轴驱动调制器使其 发生摆动， 调制器位置相对永磁体处于不同姿态时， 对永磁体在特定方位上辐射的电磁波 信号幅度产生影响； 0019 步骤3， 设当调制器处于水平姿态时代表逻。

12、辑 “0” ， 当调制器处于竖直姿态时代表 逻辑 “1” ， 以调制电机交替驱动调制器处于水平和竖直姿态， 完成数据在辐射信号上的调 制， 此时接收单元的相互正交线圈， 根据不同方向上电磁波强度的特征进行逻辑识别至接 收主机， 完成数据通信。 0020 步骤3具体为： 0021 设水平场分量辐射信号为I， 竖直场分量辐射信号为Q， 0022 在接收单元以相互正交线圈接收电磁信号， 当调制器处于水平姿态时， 此时接收 单元中接收主机接收的信号特征是： I路信号幅度变弱、 Q路信号幅度增强； 当调制器位于竖 直姿态时， 此时接收主机接收的信号特征是： I路信号幅度增强、 Q路信号幅度变弱； 当调制。

13、 器旋转至与水平方向夹角为 时， 此时接收主机接收的信号特征是： 与调制器平行的信号场 分量幅度变弱、 与调制器垂直方向分量幅度正常。 0023 本发明的有益效果是： 用于机械天线低频磁信号辐射的幅度调制装置， 通过采用 独立的机械装置驱动具有特定物理结构的高磁导材料转动， 对机械天线辐射电磁波的幅度 进行空间干预， 接收端采用圆极化方式进行信号接收， 相比于调频及调相的方法， 避免了机 械天线自身转动所需的频繁调速动作。 本发明调制方法便捷可控， 所需专用调制装置易于 搭建、 调幅效果理想， 极大地降低了机械天线系统对高速旋转驱动源的要求， 提高了机械天 线作为低频通信信号发射装置的工程实现。

14、可行性。 附图说明 0024 图1是本发明用于机械天线低频磁信号辐射的幅度调制装置的结构示意图； 0025 图2是本发明幅度调制装置中调制器为水平姿态的示意图， 其中， 图2 (a)为调制 器为水平姿态的结构示意图， 图2(b)为调制器水平姿态时相应的正交接收信号幅度特征 图； 0026 图3是本发明幅度调制装置中调制器为竖直姿态的示意图， 其中， 图3 (a)为调制 器为竖直姿态的结构示意图， 图3(b)为调制器竖直姿态时相应的正交接收信号幅度特征 图； 0027 图4是本发明幅度调制装置中调制器与水平夹角为 的示意图， 其中， 图4(a)为调 制器与水平夹角为 的结构示意图， 图4(b)为。

15、调制器与水平夹角为 时相应的正交接收信号 幅度特征图； 0028 图5是本发明幅度调制装置数值仿真结果图， 其中， 图5-1-a为调制器水平姿态时 的正交接收信号波形图， 图5-1-b为调制器水平姿态时的正交接收信号幅度特征图， 图5-2- a为调制器竖直姿态时的正交接收信号波形图， 图5-2-b为调制器竖直姿态时的正交接收信 号幅度特征图， 图5-3-a为调制器与水平夹角为 的正交接收信号波形图， 图5-3-b为调制器 与水平夹角为 时的正交接收信号幅度特征图； 0029 图6是实施例中调制装置的结构示意图； 说明书 2/4 页 4 CN 110166390 A 4 0030 图7是实施中得。

16、到的特征图， 其中， 图7(a)为调制器水平姿态时的正交接收信号幅 度特征图， 图7(b)为调制器水平竖直时的正交接收信号幅度特征图， 图7(c)为调制器与水 平夹角为 时的正交接收信号幅度特征图。 0031 图中， 1.高速电机， 2.联轴器， 3.调制器， 4.永磁体， 5.调制电机， 6.带轮， 7.相互正 交线圈， 8.接收主机， 9.皮带， 10.转轴， 11.线圈a， 12.线圈b， 13.导轨。 具体实施方式 0032 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。 0033 本发明用于机械天线低频磁信号辐射的幅度调制装置， 如图1所示， 包括依次连接 的发射单元、 调制单元和。

17、接收单元； 0034 发射单元包括高速电机1， 高速电机1的转动轴上套接有柱状永磁体4， 高速电机1 的转动轴上还套接有联轴器2。 0035 调制单元包括调制电机5， 调制电机5通过带轮结构连接调制器3， 永磁体4嵌入调 制器3内； 带轮结构包括套接在调制电机5转动轴上的带轮6， 带轮6通过皮带9连接转轴10。 调制电机5为低速电机， 控制更精确， 调制电机5转速可远低于机械天线所用高速电机1， 相 对于高速电机1， 低速时对转速、 角度等物理量的控制更精确、 容易实现。 调制器3使用高磁 导率材料制成， 且形状呈 “U” 型。 调制器3呈倒置设置， 调制器3开口一端朝向发射单元， 且永 磁体。

18、4嵌入调制器3开口一端内部， 调制器3闭合一端固接有转轴10， 转轴10通过带轮结构连 接调制电机5。 0036 永磁体4、 调制器3和转轴10位于同轴位置。 0037 接收单元包括接收主机8， 接收主机8通过导线连接相互正交线圈7， 相互正交线圈 7与调制器3之间通过电磁信号连接。 相互正交线圈7由相互套接的线圈a11和线圈b12组成， 线圈a11、 线圈b12分别形成的平面玄乎垂直。 接收主机8包括通过滤波放大电路与相互正交 线圈7连接的A/D转换器。 0038 用于机械天线低频磁信号辐射的幅度调制方法， 包括以下步骤： 0039 步骤1， 启动发射单元的高速电机1， 高速电机1转动并带动。

19、永磁体4 以设定角速率 转动， 永磁体4转动向外辐射所需频率的电磁波， 机械转动速率与电磁波频率相同； 0040 步骤2， 启动调制单元的调制电机5， 调制电机5通过带轮6、 皮带9、 转轴10驱动调制 器3使其发生摆动， 调制器3位置相对永磁体4处于不同姿态时， 对永磁体4在特定方位上辐 射的电磁波信号幅度产生影响； 0041 步骤3， 设当调制器3处于水平姿态时代表逻辑 “0” ， 当调制器3处于竖直姿态时代 表逻辑 “1” ， 以调制电机5交替驱动调制器3处于水平和竖直姿态， 完成数据在辐射信号上的 调制， 此时接收单元的相互正交线圈7， 根据不同方向上电磁波强度的特征进行逻辑识别至 接。

20、收主机8， 完成数据通信。 0042 步骤3具体为： 设水平场分量辐射信号为I， 竖直场分量辐射信号为Q， 在接收单元 以相互正交线圈7接收电磁信号， 如图2(a)所示， 当调制器3 处于水平姿态时， 对水平场分 量辐射信号I有衰减效果、 对竖直场分量辐射信号Q无影响， 如图2(b)所示， 此时接收单元中 接收主机8接收的信号特征是： I路信号幅度变弱、 Q路信号幅度增强； 0043 如图3(a)所示， 当调制器3位于竖直姿态时， 对水平场分量辐射信号 I没有影响、 说明书 3/4 页 5 CN 110166390 A 5 对竖直场分量辐射信号Q有衰减效果。 如图3(b)所示， 此时接收主机8。

21、接收的信号特征是： I 路信号幅度增强、 Q路信号幅度变弱； 如图4(a)所示， 当调制器3旋转至与水平方向夹角为 时， 对与水平线成 角方向的场分量有衰减效果， 如图4(b)所示， 此时接收主机8接收的信号 特征是： 与调制器3平行的信号场分量幅度变弱、 与调制器3垂直方向分量幅度正常。 0044 采用软件COMSOL建立仿真模型， 将接受点至于距离发射单元10m处， 提取此位置点 上的电磁信号， 根据接收点信号的水平(I)分量和竖直(Q) 分量的时域波形， 得到以竖直 (Q)分量为横轴， 以水平分量为纵轴的幅度特征图。 如图5-1-a、 5-2-a、 5-3-a所示， 分别为调 制器水平、。

22、 竖直、 与水平夹角为 时， 线圈a11和线圈b12收集的信号波形； 如图5-1-b、 5-2-b、 5-3-b 所示， 分别为调制器水平、 竖直、 与水平夹角为 时， 收集到的正交接收信号幅度特征 图。 得到如下结论： 仿真接收信号幅度特征与调制装置所处方位相关， 可依据所提取特征获 取通信数据。 0045 实施例 0046 如图6所示， 为本发明调制装置实施案例， 其中高速电机1为机械天线驱动装置， 用 于驱动永磁体4发生转动， 调制电机5为调制器3的驱动装置， 用于带动型高磁导率调制器3 结构体转动， 为避免驱动电机对辐射方向信号干扰， 将调制电子置于偏离辐射轴方向， 采用 皮带9对调制。

23、器3进行旋转控制， 增加滑轨3， 方便调整调制单元与发射单元的距离， 如图7 (a)、 图7 (b)、 图7(c)所示， 分别为调制器水平、 竖直、 与水平夹角为 时正交接收信号幅度 特征图， 验证了本发明调制方法， 即， 接收信号幅度特征与调制装置所处方位相关， 可依据 所提取特征获取通信数据。 0047 本发明幅度调制装置及其调制方法的优点： 0048 1)能耗低； 高速电机1频繁变速十分耗能， 尤其是负载惯性比较大的情况下， 而本 发明调制装置去掉了原始的频繁变速； 这个调制方案其实主要不是怕耗电。 现有的机械天 线主要是由于单个电机只能采用调速方式调制信号， 所以要频繁调速， 一旦要发。

24、射信号的 频率高， 电机旋转速度就高， 这时要准确调速对电机性能要求就很高， 难度大； 0049 2)信息通过调制电机5， 即低速电机实现， 控制更精确， 调制电机5 转速可远低于 机械天线所用高速电机1， 相对于高速电机1， 低速时对转速、 角度等物理量的控制更精确、 容易实现； 0050 3)通信速率提高， 调频通过调速实现， 当转子部分质量很大时频繁调速对高速电 机1的要求很高， 通信速率受限于高速电机1的变频响应时间； 调幅不用对高速电机1变频， 只需要对调制结构体进行角度控制， 常规电机转速在3000rpm时， 最高通信速率(取决于调 制电机的最大转速)可达约 3000bit/min50bit/s， 该速率即决定了调制速率， 而现有常 规电机采用调频的通信速率远小于此， 该速率的低频信号在水下通信时具有良好的应用前 景。 说明书 4/4 页 6 CN 110166390 A 6 图1 图2 说明书附图 1/5 页 7 CN 110166390 A 7 图3 图4 说明书附图 2/5 页 8 CN 110166390 A 8 图5 说明书附图 3/5 页 9 CN 110166390 A 9 图6 说明书附图 4/5 页 10 CN 110166390 A 10 图7 说明书附图 5/5 页 11 CN 110166390 A 11 。