CN109004948B - 一种旋转驻极体式机械天线低频通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种旋转驻极体式机械天线低频通信系统，属于低频通信技术领域。本发明的系统包括低频磁场信号产生模块和磁感信号接收模块。低频磁场信号产生模块包括机械天线中的电机和带电驻极体；控制机械天线中的电机产生不同转速，驱动带电驻极体旋转，产生不同频率的磁场信号；将所需通讯信号加载到所产生的磁场信号上，利用机械天线向接收方向发射信号。磁感信号接收模块通过磁场传感器接收发射过来的磁场信号，并进行解调获取所需的通讯信号。本发明利用特低频和甚低频无线电波的特点，采用电机驱动带电驻极体旋转的方法，形成低频交变磁场并发射磁场信号，能够大幅度降低无线电发射机的天线长度与功耗，实现稳定的低频无线通信。

Description

一种旋转驻极体式机械天线低频通信系统

技术领域

本发明涉及低频通信技术领域，具体涉及一种以机械驱动方式实现的无线电发射机的低频通信系统。

背景技术

低频通信技术是利用无线电频谱中的超/极低频谱段进行无线通信的技术。低频通信与其它频段的通信相比有许多优点，主要有以下几个方面：

超低频信号利用地球表面与电离层之间的巨大“波导”传播，大气衰减非常小，如，在75Hz工作时，每千公里大气衰减在0.9～1.5dB，可以使低频信号传输到很远，只要用一个发射机台站就能进行全球通信。同时它在海水中的衰减约为0.3dB/m，因此它穿透海水的深度足以达到潜艇潜航的安全深度。

低频信号对不可靠的传播条件不敏感，传播稳定可靠。超低频电磁波在地球表面和电离层下界面形成的球形波导中以零阶模(TEM波，即横电磁波模)传播。电磁能量在波导壁引导下在波导中向远处传播，作为波导壁之一的电离层是特性稳定的D层，这样即使在电离层受自然干扰甚至核爆炸的情况下，亦能保持稳定的传播，是为数极少的几种不受电磁脉冲破坏的通信手段之一。

抗干扰能力较强，任何干扰机，如果试图干扰超/极低频通信，它就必须要有比超/极低频通讯信号更强大的功率输出，从而也就需要更大的超/极低频天线系统，这样的干扰天线系统的成本效益是令人怀疑的。

虽然低频通讯具有如此多的优势，但是低频通信仍存在的最大问题是如何实现低频电磁波的有效产生。

在《我国建成超低频对潜深水通信系统》一文中提到，潜艇使用天线浮标接收信号时，天线浮标保持在水下6至9m的深度上展开，潜艇可在水下米45到70m的深度上航行，但潜艇的水下速度受到限制，最高不能超过4节。随着反潜技术的发展，天线仍有可能被探测到。尤其是对于战略核潜艇来说，这样的航行深度不能保证其战略巡逻时的隐蔽性。在《长波超长波极长波传播》一书中，俄罗斯原计划于1998年下半年进行了命名为“Parameter”的VF发射试验，发射环天线直径拟为300m，在空间中，天线是依靠自身旋转展开的，整个过程约需5～6小时，卫星寿命约为33天。后来由于经费原因，此项计划推迟了。由此可以看出，若采用传统办法来实现低频通信，由于超低频电磁波的波长为1000～10000km，因此所架设的超低频天线设计成几十公里至上百公里长，天线环面积达数十乃至数百平方公里，尺寸和功耗都过于庞大。岸上发射台规模庞大，天线占地广、铁塔多达数座至数十座，且天线暴露、目标明显、战时生存能力差，极易被摧毁且难于短期修复。

发明内容

本发明针对于低频通信具有抗干扰能力强，传输距离远且传播稳定可靠的优势，为了能够更好的应用低频通信，实现战略超远程、穿透性通信，以克服传统天线通信方式基础设施过于庞大，缺乏战略掩护等缺点；同时可以为超视距通信和地下通信提供支撑，并显著减小现有低频通讯设备的尺寸、重量和功耗。本发明提出了一种旋转驻极体式机械天线低频通信系统，采用机械天线中电机驱动驻极体旋转，从而形成交变低频磁场并发射磁场信号的方法，能够大幅度降低所需的天线长度和功耗，并使用磁感信号接收器接收通讯信号，实现稳定的低频无线通信。

本发明的一种旋转驻极体式机械天线低频通信系统，包括：低频磁场信号产生模块和磁感信号接收模块。所述的低频磁场信号产生模块包括机械天线中的电机和带电驻极体；控制机械天线中的电机产生不同转速，驱动带电驻极体旋转，产生不同频率的磁场信号；将所需通讯信号加载到所产生的磁场信号上，利用机械天线向接收方向发射信号。所述的磁感信号接收模块包括磁场传感器，磁场传感器接收发射过来的磁场信号，并进行解调获取所需的通讯信号。

所述的带电驻极体是在驻极体材料上通过电晕放电技术，让放电尖端均匀的在驻极体表面放电，并改变电荷种类，使驻极体一部分带均匀的正电荷，另一部分带均匀的负电荷。所述的带电驻极体自转时，驻极体带的不同电荷的两部分所产生的磁场相互叠加增强。

本发明提供的旋转驻极体式机械天线低频通信系统的工作流程如下：

1)通过电晕放电使驻极体一部分带正电，另一部分带负电，形成带电驻极体；

2)通过机械天线中的电机，驱动所述带电驻极体一同绕几何中心旋转，从而形成交变的磁场，产生低频交变磁场信号；

3)将将所需通讯信号加载到所产生的磁场信号上，利用所述机械天线向接收方向发射；

4)磁感信号接收器接收到磁场信号，调制解调磁场信号，获得所需通讯信号，完成无线通信。

本发明与现有技术相比，具有以下明显优势：

(1)充分利用特低频和甚低频无线电波的特点，采用机械天线中电机驱动带电驻极体旋转的方法，形成低频交变磁场并发射磁场信号，节省空间和资源。

(2)与传统天线发射机的工作方式相比，本发明能够大幅度降低无线电发射机的天线长度与功耗，并使用磁感信号接收器接收通讯信号，实现稳定的低频无线通信。

(3)采用高精度高灵敏度微弱磁场传感器，能够精准测量微小的磁场信号，相比接收电场信号干扰小，准确度高。

(4)采用驻极体作为电磁波发生材料，能够几乎永久的稳定保留内置净电荷。

(5)采用低频通信，传播损耗小，传输距离远且抗干扰能力强。

附图说明

图1为本发明的一种旋转驻极体式机械天线低频通信系统的结构示意图；

图2为本发明的低频磁场信号产生模块结构图；

图3为本发明的磁感信号接收模块结构图；

图4为本发明的实施例中驻极体自转产生电磁波原理图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。以下描述是用于说明的目的，而不是为了限制。在不脱离本发明的精神的前提下，可以在文中所述实施例的范围内做出多种改变和修改。为了清楚起见，在此说明书中并没有描述实际实现的所有特征。

如图1所示，本发明提出的一种旋转驻极体式机械天线低频通信系统，包括：低频磁场信号产生模块和磁感信号接收模块，其中，低频磁场信号产生模块通过机械天线中的电机，驱动带电驻极体一同旋转，从而形成交变的低频磁场，产生低频磁场信号并发射。将所需通讯信号加载到所产生的磁场信号上，利用所述机械天线向接收方向发射信号。磁感信号接收模块接收到混合磁场信号，通过调制解调完成无线通信。

如图2所示，本发明所述的低频磁场信号产生模块的结构包括：电源、处理器、电机和带电驻极体。其中，电源为处理器和电机部分供电，处理器与上位机相连，根据用户要求控制电源，从而使电机产生不同转速，从而驱动带电驻极体旋转产生不同频率的磁场信号。

如图3所示，本发明所述的磁感信号接收模块的结构包括：电源、处理器和磁场传感器。其中，电源为处理器和磁场传感器部分供电，处理器与上位机相连，根据用户要求控制磁场传感器，从而使磁场传感器接收发射过来的磁场信号，再通过解调获得所需的通讯信号。

如图4所示，本发明的实施例中驻极体自转产生电磁波原理图，一种实施方式是将驻极体材料加工成半径为20cm的圆盘形状，并通过尖端放电使其表面一半带正电荷，一半带负电荷，带电荷密度为3400nc/cm²。当带电驻极体的角速度ω方向为垂直纸面向外时，即带电驻极体绕圆心所在的轴线自转时，转到图4所示位置来看，带正电的半圆的电流方向向上，在半圆右侧产生的磁场方向为垂直纸面向外，在半圆左侧产生的方向为垂直纸面向里。同理可得，此时，带负电的半圆的转动方向向下，电流方向依然向上，在半圆右侧产生的磁场方向为垂直纸面向外，在半圆左侧产生的方向为垂直纸面向里。因此，在带电驻极体自转时，其带不同电荷的两部分所产生的磁场是相互叠加增强的，能够产生更强的磁场信号，有利于无线通信的传输。

本发明的旋转驻极体式机械天线低频通信系统，进行工作的流程如下：

由于驻极体能够几乎永久的稳定保留内置净电荷，因此采用驻极体材料作为所述系统电磁波发生材料。首先，通过电晕放电技术，让放电尖端均匀的在驻极体表面放电，并在放电一段时间后，改变电荷种类，使驻极体一部分带均匀的正电荷，另一部分带均匀的负电荷。

然后通过机械天线中的电机，驱动带电驻极体一同绕几何中心旋转，从而形成变化的低频磁场，产生低频交变磁场信号。这与传统天线产生电磁波的方法不同，传统天线是由振荡电路作为电磁波发生源，而由于超低频电磁波的波长为1000～10000km，因此所架设的超低频天线设计成几十公里至上百公里长，天线环面积达数十乃至数百平方公里，而采用本发明所述的低频电磁波产生方法，能够大幅度减少所需天线的尺寸和功耗，节省空间和资源。

再将所需通讯信号加载所产生的低频磁场信号上，利用所述机械天线向接收方向发射，抗干扰能力强，传输距离远且传播稳定可靠，同时采用高精度高灵敏度微弱磁场传感器接收混合磁场信号，与电场信号相比，磁场信号在传播过程中受到的干扰小，因此能够精准捕捉微小的磁场信号，精确度高。最后通过解调混合磁场信号得到所需通讯信号完成低频无线通信过程。

Claims (6)

1.一种旋转驻极体式机械天线低频通信系统，其特征在于，包括低频磁场信号产生模块和磁感信号接收模块；

所述的低频磁场信号产生模块包括机械天线中的电机和带电驻极体；控制机械天线中的电机产生不同转速，驱动带电驻极体旋转，产生不同频率的磁场信号；将所需通讯信号加载到所产生的磁场信号上，利用机械天线向接收方向发射信号；所述的带电驻极体是在驻极体材料上通过电晕放电技术，让放电尖端均匀的在驻极体表面放电，并在放电一段时间后改变电荷种类，使驻极体一部分带均匀的正电荷，另一部分带均匀的负电荷；

所述的磁感信号接收模块包括磁场传感器，磁场传感器接收发射过来的混合磁场信号，并进行解调获取所需的通讯信号。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的带电驻极体自转时，驻极体带的不同电荷的两部分所产生的磁场相互叠加增强。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的带电驻极体的一种实现方式是：将驻极体材料加工成半径为20cm的圆盘形状，并通过尖端放电使其表面一半带正电荷，一半带负电荷，带电荷密度为3400nc/cm²。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的低频磁场信号产生模块还包括电源和处理器，电源为处理器和电机供电，处理器与上位机相连，根据用户要求控制电源，使机械天线中的电机产生不同转速。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的磁感信号接收模块还包括电源和处理器；其中，电源为处理器和磁场传感器供电，处理器与上位机相连，根据用户要求控制磁场传感器，解调混合磁场信号提取通讯信号。

6.根据权利要求1～4任一所述的系统，其特征在于，所述的系统的工作流程包括：

1)通过电晕放电使驻极体一部分带正电，另一部分带负电，形成带电驻极体；

2)通过机械天线中的电机，驱动所述带电驻极体一同绕几何中心旋转，从而形成交变的磁场，产生低频交变磁场信号；

3)将将所需通讯信号加载到所产生的磁场信号上，利用所述机械天线向接收方向发射；

4)磁感信号接收器接收到磁场信号，调制解调磁场信号，获得所需通讯信号，完成无线通信。

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