CN103701487B - 一种基于双频点谐振腔的水下无线电能和信号传输系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于双频点谐振腔的水下无线电能和信号传输系统，涉及无线电能传输和近场磁通信技术领域，它是为了解决目前进行水下无线电能传输以及水下信号传输通信的速度和质量较差的问题。本发明通过高速交变磁场来传递信号，将数字信号通过2FSK方式调制进高频载波信号中，再通过功率放大及双谐振腔电路结构将调制后的信号转换为高频交变磁场发射出去，在接收端，收发一体谐振腔在接收到高频磁场后发生谐振，远距离情况下耦合系数较小，只能进行信号传输，谐振出的电流较小通过信号放大及解调就能得到发射端的原始信号，而线圈在近距离耦合谐振时，耦合系数较大，实现在进行信号传输的同时进行能量传输。本发明适用于水下无线电能和信号传输。
Description
技术领域
本发明涉及无线电能传输和近场磁通信技术领域，具体涉及一种水下无线输电及信号传输系统。
背景技术
水下设备之间和水下设备与水面设备的电能传输通常需要将设备浮出水面进行，这无疑限制了水下设备的工作时间、工作区域和其工作的成本，而且传统水下设备通信一般采用声呐系统，而声波在水中传输会受到温度、盐浓度、水流、水下噪声等的影响，通信的速度和质量受到很大的影响，而且很容易被人为干扰，这无疑会给水下工作设备的正常工作造成很大的困难。
发明内容
本发明是为了解决目前进行水下无线电能传输以及水下信号传输通信的速度和质量较差的问题，从而提供一种基于双频点谐振腔的水下无线电能和信号传输系统。
一种基于双频点谐振腔的水下无线电能和信号传输系统，其特征是：它包括发射电路、接收电路和双频点收发一体谐振腔；
收发一体谐振腔包括收发切换开关K、谐振电容C1、一号谐振线圈L1、谐振电容C2和二号谐振线圈L2；
收发切换开关K第一静端是双频点收发一体谐振腔的接收端；所述收发切换开关K的第二静端是双频点收发一体谐振腔的发射端；收发切换开关K的动端与谐振电容C1的一端连接；所述谐振电容C1的另一端与一号谐振线圈L1的一端连接；所述一号谐振线圈L1的另一端同时与谐振电容C2的一端和二号谐振线圈L2的一端连接；所述二号谐振线圈L2的另一端与谐振电容C2的另一端连接；所述二号谐振线圈L2的另一端是双频点收发一体谐振腔的公共端；
发射电路包括信号调整部分和功率放大部分；
信号调整部分包括基带信号发生电路311、音频或数字信号发生电路312和信号调制电路313；
功率放大部分包括功率三极管Q和功率高频变压器T；
基带信号发生电路311的两路基带信号输出端同信号调制电路313的两路基带信号输入端连接；
音频或数字信号发生电路312的音频或数字信号输出端与信号调制电路313的音频或数字信号输入端连接；
信号调制电路313的调制信号输出端连接功率三极管Q的基极；
功率三极管Q的集电极与功率高频变压器T原边的一端连接；所述功率高频变压器T原边的另一端接入电源；功率高频变压器T副边的一端接入双频点收发一体谐振腔的发射端；功率高频变压器T副边的另一端接入双频点收发一体谐振腔的公共端；
接收电路包括高频整流单元41、限幅单元43、稳压输出电路42、高频小信号放大电路44和信号解调电路45；
所述高频整流单元41的两个能量输入端分别接入收发一体谐振腔的公共端和收发一体谐振腔的接收端；
所述高频整流单元41的两个能量输出端接入稳压输出电路42的两个输入端；
限幅单元包括二极管D1、二极管D2、电感L、电容C和可调限流电阻RL；
所述二极管D1的阳极同时与收发一体谐振腔的公共端、二极管D2的阴极、电感L的一端、电容C的一端和高频小信号放大的电路44的一个输入端连接；
可调限流电阻RL的一端与收发一体谐振腔的接收端连接；所述可调限流电阻RL的另一端同时与可调限流电阻RL的控制端、二极管D1的阴极、二极管D2的阳极、电感L的另一端、电容C的另一端和高频小信号放大电路44的另一个输入端连接；
所述高频小信号放大电路44的输出端与信号解调电路45的信号输入端连接；所述信号解调电路45的信号输出端是接收电路的数据输出端。
信号调制电路313为2FSK调制电路；信号解调电路45为2FSK解调电路。
一号谐振线圈L1和二号谐振线圈L2的结构相同，所述一号谐振线圈L1包括柱形磁芯和励磁线，所述励磁线缠绕在柱形磁芯的外部。
一号谐振线圈L1和二号谐振线圈L2均竖直安装在水下设备上。
本发明的目的在于提供一种水下无线电能传输及通信的系统，在水下环境中电场被完全屏蔽，但是磁场可以很好的传播，可以通过高速交变磁场来传递信号，可以将数字信号通过2FSK方式调制进高频载波信号中，再通过功率放大及双谐振腔电路结构将调制后的信号转换为高频交变磁场发射出去，在接收端，收发一体谐振腔在接收到高频磁场后发生谐振，远距离情况下耦合系数较小，只能进行信号传输，谐振出的电流较小通过信号放大及解调就能得到发射端的原始信号，而线圈在近距离耦合谐振时，耦合系数较大，可以在进行信号传输的同时进行能量传输。
与现有技术相比，本发明有以下优点：
1、利用双频点谐振腔电路可以实现同一发射电路有发射多频率信号的能力，只需要将谐振腔电路的谐振频率和2FSK调制的两个频点对应就能利用2FSK调制后信号为双频点不断变换的特点使谐振腔连续工作，在信号传输的过程中不会影响能量的传输。
2、可以避免传统水下声呐通信的容易受到水温、水流、盐浓度、噪声干扰等的缺点，提高通信的速度和质量，均同比提高15％以上；
3、解决传统磁通信距离近，速度慢、受能量传输影响大的缺点。
附图说明
图1是本发明中线圈结构示意图。
图2为收发一体谐振天线及收发切换电路连接示意图。
图3为发射电路的结构示意图。
图4为接收电路的结构示意图。
图5为水下设备应用的原理示意图，其中标记A为水面；51为水上设备，52为水下设备。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式，一种基于双频点谐振腔的水下无线电能和信号传输系统，其特征是：它包括发射电路、接收电路和双频点收发一体谐振腔；
收发一体谐振腔包括收发切换开关K、谐振电容C1、一号谐振线圈L1、谐振电容C2和二号谐振线圈L2；
收发切换开关K的第一静端是双频点收发一体谐振腔的接收端；所述收发切换开关K的第二静端是双频点收发一体谐振腔的发射端；收发切换开关K的动端与谐振电容C1的一端连接；所述谐振电容C1的另一端与一号谐振线圈L1的一端连接；所述一号谐振线圈L1的另一端同时与谐振电容C2的一端和二号谐振线圈L2的一端连接；所述一号谐振线圈L2的另一端与谐振电容C2的另一端连接；所述一号谐振线圈L2的另一端是双频点收发一体谐振腔的公共端；
发射电路包括信号调整部分和功率放大部分；
信号调整部分包括基带信号发生电路311、音频或数字信号发生电路312和信号调制电路313；
功率放大部分包括功率三极管Q和功率高频变压器T；
基带信号发生电路311的两路基带信号输出端同时信号调制电路313的两路基带信号输入端连接；
音频或数字信号发生电路312的音频或数字信号输出端与信号调制电路313的音频或数字信号输入端连接；
信号调制电路313的调制信号输出端连接功率三极管Q的基极；
功率三极管Q的集电极与功率高频变压器T原边的一端连接；所述功率高频变压器T原边的另一端接入电源；功率高频变压器T副边的一端接入双频点收发一体谐振腔的发射端；功率高频变压器T副边的另一端接入双频点收发一体谐振腔的公共端；
接收电路包括高频整流单元41、限幅单元43、稳压输出电路42、高频小信号放大电路44和信号解调电路45；
所述高频整流单元41的两个能量输入端分别接入收发一体谐振腔的公共端和收发一体谐振腔的接收端；
所述高频整流单元41的两个能量输出端接入稳压输出电路42的两个输入端；
限幅单元包括二极管D1、二极管D2、电感L、电容C和RL；
所述二极管D1的阳极同时与收发一体谐振腔的公共端、二极管D2的阴极、电感L的一端、电容C的一端和高频小信号放大的电路44的一个输入端连接；
RL的一端与收发一体谐振腔的接收端连接；所述RL的另一端同时与RL的控制端、二极管D1的阴极、二极管D2的阳极、电感L的另一端、电容C的另一端和高频小信号放大电路44的另一个输入端连接；
所述高频小信号放大电路44的输出端与信号解调电路45的信号输入端连接；所述信号解调电路45的信号输出端是接收电路的数据输出端。
具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种基于双频点谐振腔的水下无线电能和信号传输系统的区别在于，信号调制电路313为2FSK调制电路；信号解调电路45为2FSK解调电路。
具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种基于双频点谐振腔的水下无线电能和信号传输系统的区别在于，一号谐振线圈L1和二号谐振线圈L2的结构相同，所述一号谐振线圈L1包括柱形磁芯和励磁线，所述励磁线缠绕在柱形磁芯的外部。
具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施方式三所述的一种基于双频点谐振腔的水下无线电能和信号传输系统的区别在于，一号谐振线圈L1和二号谐振线圈L2均竖直安装在水下设备上。
具体实施方式五、本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种基于双频点谐振腔的水下无线电能和信号传输系统的区别在于，基带信号发生电路311发出的两路基带信号的频率分别为f1和f2的正弦信号作为载波，所述f1和f2的范围均为10KHz～10MHz。
本发明的主要技术要点包括：
A：本发明主要由发射电路、接收电路和双谐振腔收发一体电路组成，发射电路由信号调制和功率放大两大部分电路组成，接收电路由限幅、高频小信号放大、信号解调和信号输出几部分电路组成。而双谐振腔收发一体电路包括两个带有磁芯的谐振线圈和两组与线圈匹配的电容组和一个收发切换开关组成。谐振电容组2与谐振线圈2并联后于谐振电容组1和谐振线圈1串联构成双谐振腔结构。双谐振腔电路结构具有两个谐振频率点，在这两个频点上电路都能正常工作，收发切换开关的功能是切换谐振电路分别与发射电路或者是与接收电路相连接，控制系统工作在发射或者接收状态。
B：基带信号发生电路产生两路频率为f1和f2的正弦信号作为载波，f1和f2的范围为10KHz～10MHz。
C：信号调制电路调制方式为2FSK方式，根据调制原理会产生不同的频点分时传输，即在信号传输过程中调制后信号会在两个频点根据要发送的数字信号快速的切换，此时两个谐振腔可以不同时的分别工作在不同的两个频点。
D：在发射端和接收端距离较近时，两组谐振腔的耦合系数会增大，此时可以进行信号和能量的同时传输，收发两端的两组线圈中发射端的两个线圈会分别和接收端频点对应的线圈发生耦合谐振，分时传输信号和能量。
E：限幅电路由一个可调的限流电阻、两个并联限流二极管和一个频带很宽的带通滤波器组成，目的是限制幅度较大的信号通过而造成小信号放大部分电路损坏同时滤除带通滤波器通频带以外的噪音信号。
F：信号解调电路负责将收到的2FSK信号进行解调。
G：两个线圈竖直放置在水下设备中，最好放置在设备外侧避免屏磁材料的影响。
H：应用于水面上设备与水面下设备互相通信作为实例说明：
水面上设备的线圈组安装在底部位置，水面下设备的线圈组安装在设备上部，如图5所示。水上设备通过安装在底部的线圈组向外辐射载有信号的高频磁场，在水下设备上方安装的线圈组与发射端辐射的高频磁场发生耦合谐振，在距离较近时耦合程度高可以进行电能传输，而无论在近距离或者远距离由于在接收端电路中有高频小信号放大都可以进行信号传输，水下设备之间同理也可以进行能量和数据传输。
Claims (5)
1.一种基于双频点谐振腔的水下无线电能和信号传输系统，其特征是：它包括发射电路、接收电路和双频点收发一体谐振腔；
收发一体谐振腔包括收发切换开关(K)、谐振电容C1、一号谐振线圈(L1)、谐振电容C2和二号谐振线圈(L2)；
收发切换开关(K)的第一静端是双频点收发一体谐振腔的接收端；所述收发切换开关(K)的第二静端是双频点收发一体谐振腔的发射端；收发切换开关(K)的动端与谐振电容C1的一端连接；所述谐振电容C1的另一端与一号谐振线圈L1的一端连接；所述一号谐振线圈L1的另一端同时与谐振电容C2的一端和二号谐振线圈L2的一端连接；所述二号谐振线圈L2的另一端与谐振电容C2的另一端连接；所述二号谐振线圈L2的另一端是双频点收发一体谐振腔的公共端；
发射电路包括信号调整部分和功率放大部分；
信号调整部分包括基带信号发生电路(311)、音频或数字信号发生电路(312)和信号调制电路(313)；
功率放大部分包括功率三极管(Q)和功率高频变压器(T)；
基带信号发生电路(311)的两路基带信号输出端同信号调制电路(313)的两路基带信号输入端连接；
音频或数字信号发生电路(312)的音频或数字信号输出端与信号调制电路(313)的音频或数字信号输入端连接；
信号调制电路(313)的调制信号输出端连接功率三极管(Q)的基极；
功率三极管(Q)的集电极与功率高频变压器(T)原边的一端连接；所述功率高频变压器(T)原边的另一端接入电源；功率高频变压器(T)副边的一端接入双频点收发一体谐振腔的发射端；功率高频变压器(T)副边的另一端接入双频点收发一体谐振腔的公共端；
接收电路包括高频整流单元(41)、限幅单元(43)、稳压输出电路(42)、高频小信号放大电路(44)和信号解调电路(45)；
所述高频整流单元(41)的两个能量输入端分别接入收发一体谐振腔的公共端和收发一体谐振腔的接收端；
所述高频整流单元(41)的两个能量输出端接入稳压输出电路(42)的两个输入端；
限幅单元(43)包括二极管D1、二极管D2、电感L、电容C和可调限流电阻(RL)；
所述二极管D1的阳极同时与收发一体谐振腔的公共端、二极管D2的阴极、电感L的一端、电容C的一端和高频小信号放大的电路(44)的一个输入端连接；
可调限流电阻(RL)的一端与收发一体谐振腔的接收端连接；所述可调限流电阻(RL)的另一端同时与可调限流电阻(RL)的控制端、二极管D1的阴极、二极管D2的阳极、电感L的另一端、电容C的另一端和高频小信号放大电路(44)的另一个输入端连接；
所述高频小信号放大电路(44)的输出端与信号解调电路(45)的信号输入端连接；所述信号解调电路(45)的信号输出端是接收电路的数据输出端。
2.根据权利要求1所述的一种基于双频点谐振腔的水下无线电能和信号传输系统，其特征在于信号调制电路(313)为2FSK调制电路；信号解调电路(45)为2FSK解调电路。
3.根据权利要求1所述的一种基于双频点谐振腔的水下无线电能和信号传输系统，其特征在于一号谐振线圈(L1)和二号谐振线圈(L2)的结构相同，所述一号谐振线圈(L1)包括柱形磁芯和励磁线，所述励磁线缠绕在柱形磁芯的外部。
4.根据权利要求3所述的一种基于双频点谐振腔的水下无线电能和信号传输系统，其特征在于一号谐振线圈(L1)和二号谐振线圈(L2)均竖直安装在水下设备上。
5.根据权利要求1所述的一种基于双频点谐振腔的水下无线电能和信号传输系统，其特征在于基带信号发生电路(311)发出的两路基带信号的频率分别为f1和f2的正弦信号作为载波，所述f1和f2的范围均为10KHz～10MHz。
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