CN108717995B - 一种超小型ulf/vlf旋转电荷天线及信号幅频调制方法 - Google Patents

一种超小型ulf/vlf旋转电荷天线及信号幅频调制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超小型ULF/VLF旋转电荷天线，包括转轮，转轮上设有导体板，转轮轴上套设有导电环，导电环与转轮轴之间绝缘，导电环外侧设有导电碳刷，转轮旋转时，导电环能够与导电碳刷保持接触，导电环还与导体板电连接，导电碳刷连接电压源的正极。本发明设计的天线具有极小的电尺寸，在ULF/VLF频段可以用米级的体积实现，远远小于现有技术中体积为千米级的天线，并且不会影响天线的辐射效率。

Description

一种超小型ULF/VLF旋转电荷天线及信号幅频调制方法
技术领域
本发明涉及一种超小型ULF/VLF旋转电荷天线及信号幅频调制方法。
背景技术
低频电磁波频谱具有非常重要军事应用价值。特低频(Ultra Low Frequency-ULF，频率范围300Hz～3kHz)信号最重要的好处是可以穿透水、土壤、岩石和建筑材料等传导性媒介，适合用于远距离以及水下军事通信。甚低频(Very Low Frequency-VLF，频率范围3～30kHz)同样也适用于军事通信，在地面和地球表面上空70～85千米的电离层之间形成VLF频段的电磁波波导，在这种地球-电离层波导中传播的VLF电磁波信号的衰减非常小，可以传播很远的距离，实现超视距通信。
军方一直都在使用ULF和VLF技术进行水底通信或其他用途。尽管水声通信系统对于水面战舰和潜艇之间，以及潜艇和潜艇之间的联合战术动作时非常有效的，但是这些水声通信系统仅仅适用于短距离通信，最远只能到10～30千米，如果潜艇在常规水域之外工作，远离了国家防卫和通信系统所覆盖的区域，就会出现问题。在遥远的大海深处，唯一可用的通信手段就是特低频(ULF)或者甚低频(VLF)无线电。目前各国海军在用的主要对潜指挥通信系统就是地基的VLF通信系统，地基的VLF通信发射天线采用的数量众多的铁塔，铺设较大面积的地网。潜水艇也使用该频带与周边潜水艇、舰船、中继浮标、UAV、地基设备等进行低数据率通信。此外，GPS在水面下无法运行，而ULF能通过三角定位标定潜艇位置，这种应用有助于海军开发无人潜艇。
传统天线的辐射效率受制于天线口径尺寸，天线的电尺寸过小会使得天线的效率极低，甚至几乎不能辐射。目前在ULF/VLF频段并不缺少灵敏度较高的接收机，然而ULF和VLF频段自由空间的电磁波波长可能达数百至数千千米，用常规的天线方法设计的ULF/VLF发射系统的体积非常庞大，通常需要如图1那样架设在很多高塔之上，例如美国海军在缅因州卡特勒建设的世界上功能最强大的VLF发射机占地2000英亩，架设在26个850-1000英尺高的铁塔之上，这样的发射机在很多作战环境下易被摧毁，且很不利于维护，尤其是需要移动的情况下，要通过巨型空气球或卫星携带，极不实用。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种能够大大减小天线体积的超小型ULF/VLF旋转电荷天线，以及天线信号的幅频调制方法。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的超小型ULF/VLF旋转电荷天线，包括转轮，转轮上设有导体板，转轮轴上套设有导电环，导电环与转轮轴之间绝缘，导电环外侧设有导电碳刷，转轮旋转时，导电环能够与导电碳刷保持接触，导电环还与导体板电连接，导电碳刷连接电压源的正极。
进一步，所述转轮外侧设有固定不动的导体环带，导体环带连接电压源的负极。之所以这样设计，是因为一般情况下孤立导体的电容量较小，上面聚集的电荷量很小，所辐射电磁波的强度在很远地方(例如大洋深处)会衰减到难以检测的程度。因此，本发明在转轮外侧加了一个导体环带，导体板上带正电，导体环带上带负电，这样导体板和导体环带就构成了一个类平行板电容器，其电容与导体板面积以及导体板到导体环带之间的距离有关。当导体板面积一定时，通过缩小导体板与导体环带之间的距离，可以显著增大电容，使得导体板上聚集足够多的电荷，产生足够强的电磁波。
进一步，所述导体环带外包裹有绝缘层。
进一步，所述导电环通过埋设在转轮轴的线槽里的导线与导体板连接。
进一步，还包括绝缘支架，导电碳刷架设在绝缘支架上。
进一步，所述电压源为可控直流电压源。
进一步，还包括用于驱动转轮旋转的电机。
采用本发明所述超小型ULF/VLF旋转电荷天线发射信号的幅度调制方法，控制转轮匀速旋转，利用调制信号控制电压源。
采用本发明所述超小型ULF/VLF旋转电荷天线发射信号的频率调制方法，利用调制信号控制转轮的转速，控制电压源输出恒定电压。
有益效果：本发明公开了一种超小型ULF/VLF旋转电荷天线及信号幅频调制方法，设计的天线具有极小的电尺寸，在ULF/VLF频段可以用米级的体积实现，远远小于现有技术中体积为千米级的天线，并且不会影响天线的辐射效率。
附图说明
图1为现有技术中VLF天线的示意图；
图2为计算旋转电荷辐射场的示意图；
图3为恒定转速的旋转电荷辐射电磁波时域波形；
图4为恒定转速的旋转电荷的频谱；
图5为变速旋转的电荷辐射电磁波的时域波形；
图6为变速旋转的电荷辐射电磁波的频谱；
图7为本发明具体实施方式中天线的结构图；
图8为本发明具体实施方式中天线转轴内导线的示意图；
图9为本发明具体实施方式中对天线发射信号的幅度调制过程的示意图；
图10为本发明具体实施方式中对天线发射信号的频率调制过程的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本具体实施方式公开了一种超小型ULF/VLF旋转电荷天线，下面先介绍一下设计原理。
众所周知，变化的电场可以感应出磁场，变化的磁场又会感应出电场。电场和磁场依次相互感应，形成可以传播的电磁波。电荷在空间产生电场，如果驱动电荷做出某种特定运动，在空间产生变化的电场，进而产生与电场互相感应的磁场，就可能产生辐射电磁波。低速运动(v＜＜c)的电荷在真空中产生的电场和磁场如式(1)和式(2)所示：
Figure BDA0001633483440000031
Figure BDA0001633483440000032
式中，μ0与ε0分别是真空的磁导率和介电常数，q是电荷量，v是电荷运动速度，c是光速，r是电荷到场点的矢径。
式(1)第一项的数值与1/r2成正比，在无穷远处的积分为零，所以这一项代表的场不能辐射；第二项的数值与1/r成正比，在无穷远处的积分不为零，它代表的是辐射场。所以运动电荷产生的辐射场可以表示为：
Figure BDA0001633483440000033
Figure BDA0001633483440000034
(4)式也可以表示为：
Figure BDA0001633483440000035
其中：
Figure BDA0001633483440000036
是辐射方向的单位矢量。
由式(3)、(4)可知，即使运动电荷的速度很低，但只要它具有一定的加速度，就可以辐射电磁波。将一块导体板接到电源的正(或负)极上(见图2)，则导体板上将聚集正(负)电荷，让导体板绕一线轴旋转(图2中的Z轴)，那么电荷将具有向心加速度，从而辐射电磁波。假定电荷在导体板上均匀分布，其电荷密度为ρ，由(3)式可得导体板所载电荷在远区某点P产生的辐射场为：
Figure BDA0001633483440000041
根据前述分析，本具体实施方式提出一种载有电荷并作旋转运动的导体板，利用电荷的加速度，在ULF和VLF发射电磁波，本具体实施方式称这种天线为旋转电荷天线。这种旋转电荷天线具有极小的电尺寸，体积将远远小于常规方法设计的天线,辐射效率几乎与天线口径的电尺寸无关。在这种尺寸上，普通方法设计的天线(例如偶极子天线)基本上是不能辐射电磁波的。
电子设备只能在一定频率范围内正常工作，电磁波频率是电子设备的重要参数，因而确定和控制旋转电荷天线的电磁波频率是研究这一类天线的重要一环。我们研究表明，匀速旋转电荷天线辐射电磁波的频率，与驱动电机的旋转频率相同。图3与图4分别是恒定直流电压激励并匀速旋转(转速为500转/秒)的旋转电荷天线辐射场时域曲线及其频谱，可以看到，匀速旋转的旋转电荷天线的电磁波频率等于其旋转频率。而做变速运动的旋转电荷天线辐射的电磁波频率则随电机的转速发生变化，假定电机的旋转加速度为ω′＝750rad/s2，初始转速为280转/秒，加速到300转/秒，经过仿真计算得到辐射电磁波的时域波形与频谱分别如图5和图6所示。
根据以上设计原理，本具体实施方式公开了一种超小型ULF/VLF旋转电荷天线，如图7所示，包括转轮3，转轮3具有一个转轮轴4，转轮轴4由电机1驱动，电机1由电机控制器2控制。转轮3外侧设有固定不动的导体环带10，导体环带10外包裹有绝缘层11。转轮3上嵌设有导体板7。转轮轴4上套设有导电环5，导电环5与转轮轴4之间通过绝缘层6实现绝缘。导电环5外侧设有导电碳刷9，导电碳刷9架设在绝缘支架12上。转轮3旋转时，导电环5与导电碳刷9保持接触。如图8所示，导电环5通过埋设在转轮轴4的线槽里的导线41与导体板7连接。导电碳刷9连接电压源13的正极，导体环带10连接电压源13的负极。电压源13为可控直流电压源。
当转轮3旋转时，导电环5与导电碳刷9保持接触，由于导电环5与导体板7是连通的，所以导电碳刷9和导体板7也连通，也即导电板7与电压源13的正极连通。
本具体实施方式还公开了采用该超小型ULF/VLF旋转电荷天线发射信号的幅度调制方法，如图9所示，也即：控制转轮3匀速旋转，利用调制信号控制电压源13。这样能使得电压源13输出电压的大小与调制信号的幅度成正比，则导体板7上的电荷量也随调制信号的幅度变化，导致天线辐射的电磁波强度也随调制信号的幅度变化，此时电磁波时域波形的包络曲线与调制信号的幅度曲线一致，实现幅度调制。
本具体实施方式还公开了采用该超小型ULF/VLF旋转电荷天线发射信号的频率调制方法，如图10所示，也即：利用调制信号控制转轮3的转速，控制电压源13输出恒定电压。这样能使天线辐射电磁波的频率随着转速变化，实现频率调制。

Claims (8)

1.一种超小型ULF/VLF旋转电荷天线，其特征在于：包括转轮(3)，转轮(3)上设有导体板(7)，转轮轴(4)上套设有导电环(5)，导电环(5)与转轮轴(4)之间绝缘，导电环(5)外侧设有导电碳刷(9)，转轮(3)旋转时，导电环(5)能够与导电碳刷(9)保持接触，导电环(5)还与导体板(7)电连接，导电碳刷(9)连接电压源(13)的正极，转轮(3)外侧设有固定不动的导体环带(10)，导体环带(10)连接电压源(13)的负极，所述导体板(7)和导体环带(10)均沿转轮(3)圆周方向设置，导体板(7)和导体环带(10)正向相对设置。
2.根据权利要求1所述的超小型ULF/VLF旋转电荷天线，其特征在于：所述导体环带(10)外包裹有绝缘层(11)。
3.根据权利要求1所述的超小型ULF/VLF旋转电荷天线，其特征在于：所述导电环(5)通过埋设在转轮轴(4)的线槽里的导线(41)与导体板(7)连接。
4.根据权利要求1所述的超小型ULF/VLF旋转电荷天线，其特征在于：还包括绝缘支架(12)，导电碳刷(9)架设在绝缘支架(12)上。
5.根据权利要求1所述的超小型ULF/VLF旋转电荷天线，其特征在于：所述电压源(13)为可控直流电压源。
6.根据权利要求1所述的超小型ULF/VLF旋转电荷天线，其特征在于：还包括用于驱动转轮(3)旋转的电机(1)。
7.采用根据权利要求1所述超小型ULF/VLF旋转电荷天线发射信号的幅度调制方法，其特征在于：控制转轮(3)匀速旋转，利用调制信号控制电压源(13)。
8.采用根据权利要求1所述超小型ULF/VLF旋转电荷天线发射信号的频率调制方法，其特征在于：利用调制信号控制转轮(3)的转速，控制电压源(13)输出恒定电压。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110166390B (zh) * 2019-03-21 2022-05-20 西安理工大学 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
CN112993556A (zh) * 2021-02-05 2021-06-18 北京航空航天大学 一种小型低频收发一体式天线及应用
CN114678682B (zh) * 2022-03-24 2023-11-14 中国舰船研究设计中心 一种核电磁脉冲信号探测天线

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1576392A (zh) * 2003-07-08 2005-02-09 佳能株式会社 用多缝隙天线的表面波等离子体处理装置
US7889151B1 (en) * 2007-11-08 2011-02-15 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Passive wide-band low-elevation nulling antenna
CN107732458A (zh) * 2017-09-26 2018-02-23 徐跃登 一种微波通信车载天线的旋转定向装置

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7782063B2 (en) * 2005-11-29 2010-08-24 Kyushu Institute Of Technology Partial discharge charge quantity measuring method and device
CN201287800Y (zh) * 2008-10-30 2009-08-12 周建华 发光轮导电机构
CN201369390Y (zh) * 2009-02-09 2009-12-23 刘新进 一种天线
JP2010286428A (ja) * 2009-06-15 2010-12-24 Casio Computer Co Ltd 時計用発電装置および発電装置
JP6145785B1 (ja) * 2017-01-25 2017-06-14 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 アンテナ装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1576392A (zh) * 2003-07-08 2005-02-09 佳能株式会社 用多缝隙天线的表面波等离子体处理装置
US7889151B1 (en) * 2007-11-08 2011-02-15 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Passive wide-band low-elevation nulling antenna
CN107732458A (zh) * 2017-09-26 2018-02-23 徐跃登 一种微波通信车载天线的旋转定向装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
《Low frequency mechanical antennas: Electrically short transmitters from mechanically-actuated dielectrics》;James A. Bickford;<2017 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting>;20170714;全文 *

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