一种基于海尔贝克阵列的机械天线调制系统及调制方法

技术领域

本发明涉及通信信号调制技术领域，具体是一种基于海尔贝克阵列的机械天线调制系统及调制方法。

背景技术

低频无线电波呈现低信号衰减，使其适合探测和导航通信，还可以利用地球电离层波导进行远距离传输，在对潜通信、水下探测、矿井探测、和地震预测等领域，具有非常重要的应用前景。因此，具有超强抗干扰能力和穿透性能的极低频、超低频、特低频、甚低频天线近年来得到了长足的发展。机械天线是一种利用磁偶极子或电偶极子的机械运动在自由空间中产生一定频率的时变电磁场，进而辐射低频电磁波的新型天线。这种天线“新”在与传统天线的辐射机理完全不同，传统天线依靠振荡电流来产生电磁波，机械天线则是由机械运动产生时变电磁场，在低频通信方面具有很大的优势。

中国专利《基于机电耦合的低频机械天线及信号处理方法》(公开号：CN111478872A)中，采用的幅度调制方式是，将球型永磁体置于信号加载器的磁屏蔽罩中，通过改变屏蔽罩的磁导率，实现低频磁场上调幅信息的加载，这种幅度调制方式存在的不足是磁屏蔽罩会一定程度地削弱磁场强度，使信号的幅值衰减剧烈导致通信范围减小。

中国专利《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》(公开号：CN110166390A)，采用内嵌式幅度调制方式，将旋转的永磁体嵌入U型调制器内，通过另加的调制电机调控U型调制器的角度实现信号幅度调制，但是这种调制方式存在的不足是需要额外增加一个调制电机，电机调控精度容易达不到要求，结构复杂且消耗更多的能耗。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于海尔贝克阵列的机械天线调制系统及调制方法，解决现有技术存在的以下问题：机械天线在信号调制时，单一调制方式造成的信号传输速率低。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

一种基于海尔贝克阵列的机械天线调制系统，包括相互通信连接的发射单元、调制单元，所述发射单元包括永磁体阵列，所述调制单元包括主机、设于所述永磁体阵列旁的通电线圈、两个设于所述永磁体阵列旁的电机，所述主机与通电线圈、两个电机分别电相连；所述永磁体阵列为直线型海尔贝克阵列；所述主机能控制两个电机交替运转使得永磁体阵列的转速改变；所述主机能改变通电线圈电流周围的磁导率。

作为一种优选的技术方案，两个电机旋转角速度不同。

作为一种优选的技术方案，还包括铁氧体，所述通电线圈套设于所述铁氧体外。

作为一种优选的技术方案，所述主机为单片机。

作为一种优选的技术方案，还包括接收单元，所述接收单元与所述发射单元、所述调制单元分别通信连接。

作为一种优选的技术方案，还包括与所述接收单元通信连接的数据采集系统。

一种基于海尔贝克阵列的机械天线调制方法，采用所述的一种基于海尔贝克阵列的机械天线调制系统，通过所述主机控制两个电机交替运转使得永磁体阵列的转速改变，从而实现频率调制；和/或；通过所述主机改变通电线圈电流周围的磁导率，从而实现幅度调制。

作为一种优选的技术方案，频率调制时，通过向主机发送一串代码，控制两个电机实现交替运转，通过电机的交替运转实现机械天线频率的切换，进而实现频率的二进制信号调制；其中，ω表示永磁体阵列的旋转角速度；发送的代码为1时主机控制转速为ω的电机带动永磁体阵列旋转，此时转速为ω的电机处于静止状态；发送的代码为0时主机控制转速为ω的电机带动永磁体阵列旋转，此时转速为ω的电机处于静止状态。

作为一种优选的技术方案，幅值调制时，通过向主机发送另一串代码，控制通电线圈实现电流的变化，通过电流的通断实现机械天线信号幅值的切换，进而实现幅度的二进制信号调制；其中，当发送的代码为1时主机控制通电线圈中有电流流过，当发送的代码为0时主机控制通电线圈没有电流流过。

作为一种优选的技术方案，在数据采集系统中，采用Maxwell软件建立了机械天线幅度调制模型。

本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：

(1)本发明通过改变通电线圈中电流的大小从而实现不同幅度的信息加载，利用铁氧体铁芯增强耦合系数，另一方面通过交替旋转的电机实现频率调制，两种调制方式同时进行，相比于现有的机械天线幅度调制方法，此方法避免了因电机转速改变时间延迟带来的误差，实现了对信号的频率和幅度同时调制，加快了信号调制信息量的传递。

(2)本发明采用直线型海尔贝克阵列，增强了辐射信号的磁场强度，提高了辐射效率；

(3)本发明调制装置便捷可控，且便于搭建，可以根据需要的结果去随意调节，达到理想的效果，极大的改进了机械天线调制方法，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。

附图说明

图1是本发明所述的一种基于海尔贝克阵列的机械天线调制系统的整体结构示意图；

图2是本发明永磁体阵列排布示意图；

图3是本发明的频率调制效果图；

图4是本发明的幅度调制模型等效电路模型图之一(辐射单元的等效电路模型)；

图5是本发明的幅度调制模型等效电路模型图之二(调制单元的等效电路模型)；

图6是本发明的幅度调制模型等效电路模型图之三(接收天线的等效电路模型)；

图7是本发明基于海尔贝克阵列的机械天线频率幅度二维调制方法的幅度调制效果图；

图8是本发明实施例中一种基于海尔贝克阵列的机械天线调制系统的结构示意图；

图9是在机械天线1m处测试的信号时域波形；

图10是放大的时域波形图之一(电机启动阶段信号时域波形图)；

图11是放大的时域波形图之二(电机平稳运行阶段时域波形图)；

图12是基于海尔贝克阵列的机械天线装置的信号二维调制效果图；

附图中标记及相应的零部件名称：1-发射单元，2-调制单元，11-永磁体阵列，21-单片机，22-铁氧体，23-通电线圈，24-两个交替运转的电机，4-接收单元，5-数据采集系统。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1至图12所示，本发明基于海尔贝克阵列的机械天线实现频率幅度二维调制，如图1所示，机械天线包括发射单元1和调制单元2；

发射单元包括永磁体阵列11，永磁体阵列11以ω的角速度进行旋转。调制单元包括主机21，铁氧体22，铁氧体22外表面缠绕着通电线圈23；调制单元安装在永磁体阵列11附近，距离为d。铁氧体22的作用用于提高装置的耦合系数。初始时刻调制单元与永磁体阵列11互相垂直，形成一个“T”形结构。

通过调制单元2中的主机21(本实施例中采用单片机)控制两个交替旋转的电机24，使得永磁体阵列11的转速改变，从而达到频率调制的效果。

通过调制单元2中的主机21改变通电线圈23电流周围的磁导率，使得调制单元2与永磁体阵列11之间相互作用，从而达到幅度调制的效果。

基于海尔贝克阵列的机械天线的频率幅度二维调制方法，包括以下步骤：

步骤1，如图3所示，通过向主机21发送一串代码，控制两个电机实现交替运转，发送的代码为“1”时单片机控制转速为2ω的电机带动永磁体阵列旋转，此时转速为ω的电机处于静止，发送的代码为“0”时主机21控制转速为ω的电机带动永磁体阵列11旋转，此时转速为2ω的电机处于静止，通过这种电机的交替运转实现机械天线频率的切换，进而实现频率的二进制信号调制。

步骤2，如图4至图6所示，调制单元2中幅度调制单元的等效电路模型分析如下，等效电路可以看作是电感和电容进行串联得到的，流过通电线圈23的电流为I

V

因此在调制单元2等效电路模型中，流过通电线圈23的电流可表示为式(2)：

接收单元4中的感应电流由发射单元和调制单元共同决定，因此接收单元4中的感应电动势V

V

因此，可以得到接收单元4中的感应电动势和通电线圈23阻值之间的关系如式(4)：

由接收单元4中的感应电动势与调制单元之间的关系式可以得出，当发射单元1的角频率以及各部分参数之间的耦合系数确定时，接收单元4中的感应电动势直接受到通电线圈23阻值的影响，接收单元4中的感应电动势随着调制单元阻值的增大而减小。

当通电线圈23的阻值为某一固定值R

利用上述推导的幅度调制的等效模型，可以确定改变流过通电线圈中的电流的大小可以实现机械天线的幅度调制。

步骤3，根据步骤2的幅度调制原理，如图7，通过向主机21发送另一串代码，控制通电线圈23实现电流的变化，当发送的代码为“1”时主机21控制通电线圈23中有电流流过，当发送的代码为“0”时主机21控制通电线圈23没有电流流过，实现其磁场信号幅值的改变，通过这种电流的通断实现机械天线信号幅值的切换，进而实现幅度的二进制信号调制。

步骤4，通过这种频率和幅度两个维度上的信号同时调制，辐射出的低频电磁波同时携带了两种调制信号，可以实现信号的二维调制。

采用Maxwell软件，建立了机械天线幅度调制模型，探究调制单元2中电流是否存在时，接收单元4中的磁场之间的关系。由仿真结果可以看出，当距离大于0.02m时，调制单元存在时的规律和Nathan Strachen等人的EMR调制方法中的有无线圈时的结果趋势基本一致，说明利用调制单元来调制永磁体发射单元的幅度是合理的，调制单元的存在起到了一定的幅度调制的作用。

如图8所示，为本发明的调制装置实施案例，当发射天线发射的低频电磁波信号经过调制器进行调制处理后，信号变为满足需求的一定幅度的电磁波信号，经自由空间传输后，经过接收天线接收后到达超低噪声数据采集系统(数据采集系统5)进行处理与分析。如图9所示，为机械天线在1m处测试的时域波形结果。如图10、图11所示，为当机械天线的旋转角频率达到设定的额定转速时，发射天线将平稳运行，磁场信号出现标准的正弦曲线变化，其电信号也呈现标准的正弦变化趋势时的具体时域变化图。如图12所示，经过调制单元的两种调制方式同时工作，辐射出加载了两种调制信号的二维调制信号，携带的信息量为传统单一调制方式的两倍。

本发明的优点：

本发明通过改变通电线圈23中电流的大小从而实现不同幅度的信息加载，利用铁氧体22增强耦合系数，另一方面通过交替旋转的电机24实现频率调制，两种调制方式同时进行，相比于现有的机械天线幅度调制方法，此方法避免了因电机转速改变时间延迟带来的误差，实现了对信号的频率和幅度同时调制，加快了信号调制信息量的传递。采用直线型海尔贝克阵列，增强了辐射信号的磁场强度，提高了辐射效率；本发明调制装置便捷可控，且便于搭建，可以根据需要的结果去随意调节，达到理想的效果，极大的改进了机械天线调制方法，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。

如上所述，可较好地实现本发明。

本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。