CN110008545A - 一种基于仿真建模的旋转驻极体式机械天线性能评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及低频通信技术领域，提供一种基于仿真建模的旋转驻极体式机械天线的性能评估方法,包括下述步骤：S1:分析并简化旋转驻极体式机械天线的结构；S2:根据简化结构和所需公式建立旋转驻极体式机械天线的仿真模型；S3:利用所建立的旋转驻极体式机械天线的仿真模型评估驻极体带电圆盘的半径、驻极体带电的电荷密度、驻极体转动角速度、信号传播距离或传播介质的特性对旋转驻极体式机械天线性能的影响。

Description

一种基于仿真建模的旋转驻极体式机械天线性能评估方法

技术领域

本发明涉及低频通信技术领域，尤其涉及一种基于仿真建模的旋转驻极体式机械天线性能评估方法。

背景技术

2017年9月美国DARPA(美国国防高级研究计划局)斥资2300万美金启动了为期45个月的“机械天线”计划(A MEchanically Based Antenna，编号：HR001117S0007)，该计划拟通过机械装置驱动驻极体或永磁体材料产生射频信号进行传播。此方法可极大幅度减少低频导航通信系统发射天线的体积和功耗，实现无线电发射系统的重大变革性和颠覆性创新。寻求利用特低频(ULF)和甚低频(VLF)无线电波的优点，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。同时可以为陆军的超视距通信和地下通信提供支撑，显著减小现有低频通讯设备的尺寸、重量和功耗。

对于机械天线项目，美国各研究机构纷纷响应，大多是从电磁波的产生原理入手，改变通过振荡电路产生电磁波的传统方式，采用机械驱动电场或磁场变化的方式来产生交变电磁场，从而产生通信所需的低频电磁波。

而该项目立项初期就已经被中国多家新闻媒体报道，搜狐新闻网国防科技要闻频道认为该项目将统一美国战略部队(空军战略轰炸机、联队指挥部、战略机动指挥所和洲际导弹系统)通用甚低频通信技术，中国战略前沿研究中心将该项目列为2017年DARPA的最前沿四项技术之一(水下光纤通信网、小型低成本长航时无人机、机械天线、巷战无人机集群)。

目前国内对于该领域的研究较少，本发明提供的一种仿真建模分析评估方法对旋转驻极体式机械天线的结构优化和改进具有重要作用。

发明内容

本发明提供的一种基于仿真建模的旋转驻极体式机械天线的性能评估方法，该仿真模型能够充分反映旋转驻极体式机械天线工作的实际情况，可以作为研发过程的指导，降低研发成本和测试难度，对旋转驻极体式机械天线的结构优化和改进具有重要作用，具体步骤如下：

S1:分析并简化旋转驻极体式机械天线的结构：

将旋转驻极体式机械天线的天线发射机的结构简化为两点电荷模型，所述两点电荷模型是利用带等量相同电荷的点电荷等效代替带相应电荷的半驻极体圆盘所得；

S2:根据S1中简化结构建立旋转驻极体式机械天线的仿真模型：

根据毕奥-萨伐尔定律，带电量为q的点电荷产生的磁场与距离l的关系式：

其中，为真空磁导率，C为真空中的光速，ε₀为真空介电常数，为点电荷速度矢量，为沿方向的单位矢量；

采用积分法对整个圆盘进行积分,取一面积微元dS(r，θ)，r为到圆心距离，θ为圆心角，所产生的磁场dB为：

其中ρ为驻极体表面电荷密度，v_⊥是垂直于的线速度分量，ω是圆盘的旋转角速度，即产生电磁波的频率；

整个圆盘旋转所产生的磁场B为：

其中R为带电驻极体的圆盘半径；

电磁波的磁场分量B在介质中的传播衰减公式为：

其中B₀为场源处磁场分量，α为衰减系数，β为相位系数，l为传播距离，ω为电磁波频率，为初始相位角

联立(3)(4)得，机械天线在距离l处产生的磁场分量B公式为：

S3:利用所建立的旋转驻极体式机械天线的仿真模型评估在不同条件下旋转驻极体式机械天线的性能。

进一步的，步骤S1中两点电荷模型的旋转中心位于旋转驻极体式机械天线的半圆盘的质心处。

进一步的，步骤S3可以为利用所建立的旋转驻极体式机械天线的仿真模型评估驻极体带电圆盘的半径、驻极体带电的电荷密度、驻极体转动角速度、信号传播距离或传播介质的特性对旋转驻极体式机械天线性能的影响。

附图说明

图1是基于仿真建模的旋转驻极体式机械天线评估分析方法的流程示意图。

图2是旋转驻极体式机械天线的仿真模型图。

图3是海水中不同频率电磁波传播示意图。

图4是旋转驻极体式机械天线的远距离通信效果预测图。

图5是等效法简化旋转驻极体式机械天线的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请的实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本申请。

如图1-2所示，本发明提供一种基于仿真建模的旋转驻极体式机械天线的性能评估方法，包括下述步骤：

S1:分析并简化旋转驻极体式机械天线的结构；

如图5所示，本发明所述的简化旋转驻极体式机械天线的结构时，采用等效法简化机械天线的旋转结构：为了简化计算带电驻极体的旋转圆盘产生的电磁场，将天线发射机的结构简化为两点电荷模型，即利用带等量相同电荷的点电荷等效代替带相应电荷的半驻极体圆盘，两点电荷模型的旋转中心位于半圆盘的质心处，能够在保证在结果准确的情况下，简化运算量。所述的旋转驻极体式机械天线模型包括置于x-y平面上旋转的电偶极子，沿x轴布置用于测量产生磁场强度的磁场传感器，以及周围的传播介质等。

S2:确立和推导旋转驻极体式机械天线中所用到的理论公式；

S3:根据简化结构和所需公式建立旋转驻极体式机械天线的仿真模型:

根据毕奥-萨伐尔定律，带电量为q的点电荷产生的磁场与距离l的关系式：

其中，为真空磁导率，C为真空中的光速，ε₀为真空介电常数，为点电荷速度矢量，为沿方向的单位矢量；

采用积分法对整个圆盘进行积分,取一面积微元dS(r，θ)，r为到圆心距离，θ为圆心角，所产生的磁场dB为：

其中ρ为驻极体表面电荷密度，v_⊥是垂直于的线速度分量，ω是圆盘的旋转角速度，即产生电磁波的频率；

整个圆盘旋转所产生的磁场B为：

其中R为带电驻极体的圆盘半径；

电磁波的磁场分量B在介质中的传播衰减公式为：

其中B₀为场源处磁场分量，α为衰减系数，β为相位系数，l为传播距离，ω为电磁波频率，为初始相位角

良导体中如海水，μ_r为相对磁导率，σ为电导率

不良导体如空气，与频率无关，ε为实介电常数

联立(3)(4)得，机械天线在距离l处产生的磁场分量B公式为：

S4:对仿真模型所用到的参数进行赋值,参数有:驻极体带电圆盘的半径、带电的电荷密度、转动角速度、信号传播距离以及传播介质的特性等

S5:利用所建旋转驻极体式机械天线的仿真模型进行相关分析和预测:

根据公式(5)，取驻极体表面电荷密度为ρ＝3400nC/cm²(数据来自于美国DARPA局机械天线项目)，驻极体圆盘半径为0.5m，海水的相对磁导率μ_r＝1，电导率σ＝4S/m，在matlab软件中建立理论解析模型，改变圆盘旋转角速度，即改变所产生的电磁波频率，可以发现，较高频率的电磁波在近场源处产生的场强较大，但是由于海水是良导体，衰减系数与电磁波频率有关，频率越高衰减越多，因此在传播过程中场强渐渐小于较低的频率电磁波，下降趋势越来越快。以100Hz的电磁波为例，虽然在近处产生的场强较小，但是传播距离较远，在100m处才衰减到约为10-11T，此时采用磁场传感器接收磁场信号能够满足通讯需要。

如图4所示，利用本发明所述的旋转驻极体式机械天线模型对远距离通信效果进行仿真预测，取传播介质为空气，驻极体圆盘半径为0.5m，改变旋转角频率，从图中可以看出，传播距离644m处产生的磁场约为10-14(100kHz)、10-15(10kHz)和10-16(1kHz)，这与公式(3)中所产生磁场的大小与转动角速度成正比相匹配，另一方面验证了模型的正确性。如果使用精度为1fT的磁场传感器测量产生的电磁场，能够完成相应的远距离通信要求。

本发明专利能够充分反映基于旋转驻极体式机械天线的实际情况，对之后的结构优化和改进具有重要作用。

Claims (3)

1.一种基于仿真建模的旋转驻极体式机械天线性能评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1:分析并简化旋转驻极体式机械天线的结构：

将旋转驻极体式机械天线的天线发射机的结构简化为两点电荷模型，所述两点电荷模型是利用带等量相同电荷的点电荷等效代替带相应电荷的半驻极体圆盘所得；

S2:根据S1中简化结构建立旋转驻极体式机械天线的仿真模型：

根据毕奥-萨伐尔定律，带电量为q的点电荷产生的磁场与距离l的关系式：

其中，为真空磁导率，C为真空中的光速，ε₀为真空介电常数，为点电荷速度矢量，为沿方向的单位矢量；

采用积分法对整个圆盘进行积分,取一面积微元dS(r，θ)，r为到圆心距离，θ为圆心角，所产生的磁场dB为：

其中ρ为驻极体表面电荷密度，v_⊥是垂直于的线速度分量，ω是圆盘的旋转角速度，即产生电磁波的频率；

整个圆盘旋转所产生的磁场B为：

其中R为带电驻极体的圆盘半径；

电磁波的磁场分量B在介质中的传播衰减公式为：

其中B₀为场源处磁场分量，α为衰减系数，β为相位系数，l为传播距离，ω为电磁波频率，为初始相位角

联立(3)(4)得，机械天线在距离l处产生的磁场分量B公式为：

S3:利用所建立的旋转驻极体式机械天线的仿真模型评估在不同条件下旋转驻极体式机械天线的性能。

2.根据权利要求1所述一种基于仿真建模的旋转驻极体式机械天线性能评估方法，其特征在于，所述步骤S1中所述两点电荷模型的旋转中心位于所述半圆盘的质心处。

3.根据权利要求1所述一种基于仿真建模的旋转驻极体式机械天线性能评估方法，其特征在于，所述步骤S3为:利用所建立的旋转驻极体式机械天线的仿真模型评估驻极体带电圆盘的半径、驻极体带电的电荷密度、驻极体转动角速度、信号传播距离或传播介质的特性对旋转驻极体式机械天线性能的影响。