CN110943953A - 基于旋转式机械天线的发信系统及信息加载方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于旋转式机械天线的发信系统及信息加载方法，包括：按照发信激励信号要求，信息通过转速调控加载到发射电磁波的频率参数上，然后通过转速检测和闭环反馈控制，调控旋转电机和与之固连的机械天线的转速，实现发射电磁波的频率调控，旋转式机械天线在旋转电机带动下绕中心轴高速转动，对外发射与转速同频的电磁波，收信侧接收发射的电磁波信号，通过频率解调接收信息，从而实现低频无线电远距离通信。
Description
技术领域
本发明属于低频电磁通信技术领域，尤其涉及一种基于旋转式机械天线的发信系统及信息加载方法。
背景技术
低频(Low frequency，LF)是指频带由300Hz到30kHz的无线电波，能穿透较深的海水和岩层，在地球-电离层波导中传播稳定，损耗小，基本不受核爆影响。在远程对潜通信、水下通信、透地通信和最低限度通信等应用场合具有不可替代的作用。
现有的低频发信台常配备体积非常庞大的发射天线和大功率固态发射机。固态发射机用于给发射天线提供高压馈电，以驱动天线金属导体内的自由电子做振荡运动。相比低频无线电波长，一般为10km到1000km，低频电天线为电小天线，其天线特性为非常低的辐射电阻和高电抗，需要发射机提供大量无功功率。因此，现有低频发射天线的尺寸和发射机所需的功率容量都非常巨大。低频通信的应用领域因发射天线受到严重限制。
在单兵便携式远距离通信等应用场合，需要灵活机动，对低频发信太的体积和重量有严格限制的。机械天线则是对现有低频电磁发射技术的突破。机械天线采用与传统天线截然不同的电磁发射方法，通过对固化电荷的机械旋转运动，对外发射交变电磁场，将来自机械源的能量转变为低频电磁场能量。此种天线不存在传统电天线的高电抗和金属晶格碰撞损耗的问题。基于此种机械式天线开发的低频发射机将具有重量轻、体积小且功耗低的特点。
然而将机械天线应用于低频通信，必须解决其信息加载的技术难题。传统低频电天线采用成熟的电子技术，调制固态发射机馈送到发射天线的激励电压的频率、相位或幅值就可以实现信息加载，例如CW(Continous Wave，连续波)、MSK(Minimum Shift Keying，最小频移键控)等成熟的调制方式。而机械天线完全颠覆了传统发射天线依赖电激励的工作方式，因此其无法采用传统电天线的电调制信息加载方法。机械天线由机械运动固化电荷或磁极来激励空间电磁场，需要从其特有的工作方式，提出不同于传统电调制的信息加载方法。
发明内容
为克服上述现有的机械天线无法采用传统电调制的信息加载方法的问题或者至少部分地解决上述问题，本发明实施例提供一种基于旋转式机械天线的发信系统及信息加载方法。
根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于旋转式机械天线的发信系统，包括发信激励单元、转速控制单元、旋转电机、旋转式机械天线和转速检测单元；
其中，所述发信激励单元用于基于预设频率调制方法根据待发送信息产生激励信号，并将所述激励信号传输给所述转速控制单元；
所述转速检测单元用于检测所述旋转式机械天线的中心轴的实际转速，并将所述实际转速反馈给所述转速控制单元；
所述转速控制单元用于提取所述激励信号中的频率参数，根据所述频率参数得到转速指令；根据所述转速指令和所述实际转速对所述旋转电机的转速进行调控，以使所述旋转电机的转速与所述转速指令同步；
所述旋转电机用于驱动所述旋转式机械天线绕所述中心轴旋转，以使所述旋转式机械天线辐射出与所述中心轴的转速同频率的电磁波信号，以供收信侧根据接收到的所述电磁波信号获取所述待发送信息。
优选地，所述旋转式机械天线包括中心轴和旋转圆筒；
所述旋转圆筒包括正电荷筒形极板和负电荷筒形极板；
所述正电荷筒形极板和负电荷筒形极板各占所述旋转圆筒的一半，且固定在所述中心轴上；
所述正电荷筒形极板和负电荷筒形极板对称分布，形成电偶极距；
所述旋转电机用于通过驱动所述中心轴旋转，带动所述正电荷筒形极板和负电荷筒形极板旋转，以使所述旋转式机械天线辐射出的电磁波信号的频率与所述中心轴的转动频率相同。
优选地，所述发信激励单元为传统低频发信激励器，所述收信侧为传统低频收信机。
优选地，所述转速控制单元具体用于：
根据所述转速指令和所述实际转速之差，采用偏差控制方式对所述旋转电机的转速进行调控。
优选地，所述转速控制单元具体用于：
根据所述转速指令和所述实际转速，采用变频器电源对所述旋转电机的转速进行调控。
优选地，所述转速控制单元具体用于：
通过鉴频方式从所述激励信号提取频率参数。
根据本发明实施例第二方面提供一种基于上述基于旋转式机械天线的发信系统的信息加载方法，包括：
通过发信激励单元基于预设频率调制方法根据待发送信息产生激励信号，并将所述激励信号传输给转速控制单元；
通过转速检测单元检测旋转式机械天线的中心轴的实际转速，并将所述实际转速反馈给所述转速控制单元；
通过所述转速控制单元提取所述激励信号中的频率参数，根据所述频率参数得到转速指令；根据所述转速指令和所述实际转速对所述旋转电机的转速进行调控，以使所述旋转电机的转速与所述转速指令同步；
通过所述旋转电机驱动所述旋转式机械天线绕所述中心轴旋转，以使所述旋转式机械天线辐射出与所述中心轴的转速同频率的电磁波信号，以供收信侧根据接收到的所述电磁波信号获取所述待发送信息。
优选地，所述旋转式机械天线包括中心轴和旋转圆筒；
所述旋转圆筒包括正电荷筒形极板和负电荷筒形极板；
所述正电荷筒形极板和负电荷筒形极板各占所述旋转圆筒的一半，且固定在所述中心轴上；
所述正电荷筒形极板和负电荷筒形极板对称分布，形成电偶极距；
相应地，通过所述旋转电机驱动所述旋转式机械天线绕所述中心轴旋转的步骤包括：
使用所述旋转电机通过驱动所述中心轴旋转，带动所述正电荷筒形极板和负电荷筒形极板旋转，以使所述旋转式机械天线辐射出的电磁波信号的频率与所述中心轴的转动频率相同。
优选地，通过所述转速控制单元根据所述转速指令和所述实际转速对所述旋转电机的转速进行调控的步骤包括：
通过所述转速控制单元根据所述转速指令和所述实际转速之差，采用偏差控制方式对所述旋转电机的转速进行调控。
优选地，通过所述转速控制单元提取所述激励信号中的频率参数的步骤包括：
使用所述转速控制单元通过鉴频方式从所述激励信号提取频率参数。
本发明实施例提供一种基于旋转式机械天线的发信系统及信息加载方法，通过按照发信激励信号要求，信息通过转速调控加载到发射电磁波的频率参数上，然后通过转速检测和闭环反馈控制，调控旋转电机和与之固连的机械天线的转速，实现发射电磁波的频率调控，旋转式机械天线在旋转电机带动下绕中心轴高速转动，对外发射与转速同频的电磁波，收信侧接收发射的电磁波信号，通过频率解调接收信息，从而实现低频无线电远距离通信。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的基于旋转式机械天线的发信系统整体结构示意图；
图2为本发明实施例提供的信息加载方法整体流程示意图；
其中，1为发信激励单元，2为转速控制单元，3为旋转电机，4为旋转式机械天线，5为转速检测单元，6为中心轴，7为正电荷筒形极板，8为负电荷筒形极板。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
在本发明的一个实施例中提供一种基于旋转式机械天线的发信系统，图1为本发明实施例提供的基于旋转式机械天线的发信系统整体结构示意图，如图1所示，该系统包括发信激励单元1、转速控制单元2、旋转电机3、旋转式机械天线4和转速检测单元5；
其中，所述发信激励单元1用于基于预设频率调制方法根据待发送信息产生激励信号，并将所述激励信号传输给所述转速控制单元2；
所述转速检测单元5用于检测所述旋转式机械天线4的中心轴6的实际转速，并将所述实际转速反馈给所述转速控制单元2；
所述转速控制单元2用于提取所述激励信号中的频率参数，根据所述频率参数得到转速指令；根据所述转速指令和所述实际转速对所述旋转电机3的转速进行调控，以使所述旋转电机3的转速与所述转速指令同步；
所述旋转电机3用于驱动所述旋转式机械天线4绕所述中心轴6旋转，以使所述旋转式机械天线4辐射出与所述中心轴6的转速同频率的电磁波信号，以供收信侧根据接收到的所述电磁波信号获取所述待发送信息。
具体地，预设频率调制方法为预先指定的频率调制方法，发信激励单元1采用频率调制方式将待发送信息调制为激励信号，从而将待发送信息加载到频率参数上。转速控制单元2接收激励信号，提取出激励信号的频率参数，得到转速指令。转速指令为激励频率，即为给定的转速。优选地，转速控制单元2通过鉴频方式提取频率参数。
同时，转速检测单元5实时测量旋转式机械天线4中心轴6的转速，并将其反馈到转速控制单元。转速控制单元2根据实测转速和转速指令形成对旋转电机3转速的闭环调控，实现旋转电机3的转速与发信激励单元1的控制频率同步，从而实现对旋转电机3的频率调制。优选地，转速控制单元2根据转速指令和实际转速之差，采用偏差控制方式对旋转电机3的转速进行调控。
旋转电机3的转速受到转速控制单元2的调控，可以采用电机调速方法进行调控，例如可采用变频器电源对旋转电机3的转速进行调控。
旋转电机3提供机械旋转动力，推动旋转式机械天线4旋转，实现对旋转式机械天线4的转速调制。产生机械旋转的方法借鉴飞轮储能技术，可采用高速旋转电机实现。旋转式机械天线4辐射出与中心轴6转速同频率的电磁波，实现对辐射电磁波的频率调制，从而将信息加载到辐射电磁波的频率参数上，将信息发送出去。
收信侧接收旋转式机械天线4发射的电磁波信号，通过频率解调方式接收到信息，从而实现低频无线电远距离通信。本实施例中的发信激励单元1可直接采用传统低频发信激励器，可采用传统低频收信机直接接收旋转式机械天线4发射的电磁波信号，解调出发送信息。因此，本实施例中的发信系统可兼容现有最小频率键控的低频通信调制体制和收发信号处理设备，从而本实施例中的发信系统与传统低频收发系统中一些设备可以互为备份，提高设备利用率，减少升级换代的成本和时间。
本实施例通过对固化电荷进行机械旋转运动，对外发射交变电磁场，避免在传统电天线中存在高电抗和金属晶格碰撞损耗，天线发射效率提升，可实现小型化、低功耗和轻量化；对机械旋转动力源直接调控，只需对机械旋转动力源的控制软件进行升级，不需要额外增加其他硬件设施，信息加载简单可靠，实现起来硬件成本较低。
本实施例通过按照发信激励信号要求，信息通过转速调控加载到发射电磁波的频率参数上，然后通过转速检测和闭环反馈控制，调控旋转电机和与之固连的机械天线的转速，实现发射电磁波的频率调控，旋转式机械天线在旋转电机带动下绕中心轴高速转动，对外发射与转速同频的电磁波，收信侧接收发射的电磁波信号，通过频率解调接收信息，从而实现低频无线电远距离通信，高度兼容现有低频通信调制体制、升级改造简单，调控灵活。
在上述实施例的基础上，本实施例找那个所述旋转式机械天线4的结构主体包括中心轴6和旋转圆筒；所述旋转圆筒包括正电荷筒形极板7和负电荷筒形极板8；所述正电荷筒形极板7和负电荷筒形极板8各占所述旋转圆筒的一半，与所述中心轴6固定，并对称分布，形成电偶极距；
所述旋转电机3用于通过驱动所述中心轴6旋转，带动所述正电荷筒形极板7和负电荷筒形极板8旋转，其等效电偶极距也跟着转动，从而使所述旋转式机械天线4对外辐射辐电磁波信号，射出的电磁波信号的频率与所述中心轴6的转动频率相同。
在旋转式机械天线4中，距离中心轴
的固化电荷q以角速度
转动。所有固化电荷的转动效果可表述为等效电偶极矩
的旋转。在固化电荷区域V内，所有转动的固化电荷的等效电偶极矩变化率为
其中，
为电荷q随中心轴转动的旋转矢量，其长度在旋转过程中保持不变，只有转动角度ω在随时间变化。旋转矢量
可分解为两个正交谐振矢量：
和
因此当中心轴6以一定角速度ω旋转时，旋转式机械天线4的等效电偶极矩在做谐振变化。
根据麦克斯韦电磁场理论，谐振运动的电荷对外辐射电磁场，场强理论公式如下：
其中，ε为介电常数，c为光速，k电磁场波矢量，r为传播距离，
为传播方向的单位矢量。
由上述公式可知，辐射电磁场的交变角频率即为中心轴6的角速度ω。因此对旋转电机3进行转速调制，即可实现旋转式机械天线4的辐射电磁场的频率调制。转速调制在激励信号的频率调制和辐射电磁场的频率调制之间起到纽带作用。当旋转电机3的转速调制依照发信激励单元1的频率调制进行时，则信息自动加载在辐射电磁场的频率参数上，完成信息发送。
本实施例通过按照发信激励信号要求，信息通过转速调控加载到发射电磁波的频率参数上，然后通过转速检测和闭环反馈控制，调控旋转电机和与之固连的机械天线的转速，实现发射电磁波的频率调控，旋转式机械天线在旋转电机带动下绕中心轴高速转动，对外发射与转速同频的电磁波，收信侧接收发射的电磁波信号，通过频率解调接收信息，从而实现低频无线电远距离通信。
在本发明的另一个实施例中提供一种信息加载方法，该方法基于前述各实施例中的基于旋转式机械天线的发信系统实现。因此，在前述基于旋转式机械天线的发信系统的各实施例中的描述和定义，可以用于本发明实施例中各个执行模块的理解。图2为本发明实施例提供的信息加载方法流程示意图，该方法包括：S201，通过发信激励单元基于预设频率调制方法根据待发送信息产生激励信号，并将所述激励信号传输给转速控制单元；
其中，预设频率调制方法为预先指定的频率调制方法，发信激励单元采用频率调制方式将待发送信息调制为激励信号，从而将待发送信息加载到频率参数上。
S202，通过转速检测单元检测旋转式机械天线的中心轴的实际转速，并将所述实际转速反馈给所述转速控制单元；
转速检测单元实时测量旋转式机械天线的中心轴的转速，并将其反馈到转速控制单元。
S203，通过所述转速控制单元提取所述激励信号中的频率参数，根据所述频率参数得到转速指令；根据所述转速指令和所述实际转速对所述旋转电机的转速进行调控，以使所述旋转电机的转速与所述转速指令同步；
转速控制单元接收激励信号，提取出激励信号的频率参数，得到转速指令。转速指令为激励频率，即为给定的转速。优选地，转速控制单元通过鉴频方式提取频率参数。
转速控制单元根据实测转速和转速指令形成对旋转电机转速的闭环调控，实现旋转电机的转速与发信激励单元的控制频率同步，从而实现对旋转电机的频率调制。优选地，转速控制单元根据转速指令和实际转速之差，采用偏差控制方式对旋转电机的转速进行调控。旋转电机的转速受到转速控制单元的调控，可以采用电机调速方法进行调控，例如可采用变频器电源对旋转电机的转速进行调控。
S204，通过所述旋转电机驱动所述旋转式机械天线绕所述中心轴旋转，以使所述旋转式机械天线辐射出与所述中心轴的转速同频率的电磁波信号，以供收信侧根据接收到的所述电磁波信号获取所述待发送信息。
旋转电机提供机械旋转动力，推动旋转式机械天线旋转，实现对旋转式机械天线的转速调制。产生机械旋转的方法借鉴飞轮储能技术，可采用高速旋转电机实现。旋转式机械天线辐射出与中心轴转速同频率的电磁波，实现对辐射电磁波的频率调制，从而将信息加载到辐射电磁波的频率参数上，将信息发送出去。
收信侧接收旋转式机械天线发射的电磁波信号，通过频率解调方式接收到信息，从而实现低频无线电远距离通信。本实施例中的发信激励单元可直接采用传统低频发信激励器，可采用传统低频收信机直接接收旋转式机械天线发射的电磁波信号，解调出发送信息。因此，本实施例中的发信系统可兼容现有最小频率键控的低频通信调制体制和收发信号处理设备，从而本实施例中的发信系统与传统低频收发系统中一些设备可以互为备份，提高设备利用率，减少升级换代的成本和时间。
本实施例通过按照发信激励信号要求，信息通过转速调控加载到发射电磁波的频率参数上，然后通过转速检测和闭环反馈控制，调控旋转电机和与之固连的机械天线的转速，实现发射电磁波的频率调控，旋转式机械天线在旋转电机带动下绕中心轴高速转动，对外发射与转速同频的电磁波，收信侧接收发射的电磁波信号，通过频率解调接收信息，从而实现低频无线电远距离通信。
在上述实施例的基础上，本实施例中所述旋转式机械天线包括中心轴和旋转圆筒；所述旋转圆筒包括正电荷筒形极板和负电荷筒形极板；所述正电荷筒形极板和负电荷筒形极板各占所述旋转圆筒的一半，且固定在所述中心轴上；所述正电荷筒形极板和负电荷筒形极板对称分布，形成电偶极距；相应地，通过所述旋转电机驱动所述旋转式机械天线绕所述中心轴旋转的步骤包括：使用所述旋转电机通过驱动所述中心轴旋转，带动所述正电荷筒形极板和负电荷筒形极板旋转，以使所述旋转式机械天线辐射出的电磁波信号的频率与所述中心轴的转动频率相同。
在上述实施例的基础上，本实施例中通过所述转速控制单元根据所述转速指令和所述实际转速对所述旋转电机的转速进行调控的步骤包括：通过所述转速控制单元根据所述转速指令和所述实际转速之差，采用偏差控制方式对所述旋转电机的转速进行调控。
在上述实施例的基础上，本实施例中通过所述转速控制单元提取所述激励信号中的频率参数的步骤包括：使用所述转速控制单元通过鉴频方式从所述激励信号提取频率参数。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于旋转式机械天线的发信系统，其特征在于，包括发信激励单元、转速控制单元、旋转电机、旋转式机械天线和转速检测单元；
其中，所述发信激励单元用于基于预设频率调制方法根据待发送信息产生激励信号，并将所述激励信号传输给所述转速控制单元；
所述转速检测单元用于检测所述旋转式机械天线的中心轴的实际转速，并将所述实际转速反馈给所述转速控制单元；
所述转速控制单元用于提取所述激励信号中的频率参数，根据所述频率参数得到转速指令；根据所述转速指令和所述实际转速对所述旋转电机的转速进行调控，以使所述旋转电机的转速与所述转速指令同步；
所述旋转电机用于驱动所述旋转式机械天线绕所述中心轴旋转，以使所述旋转式机械天线辐射出与所述中心轴的转速同频率的电磁波信号，以供收信侧根据接收到的所述电磁波信号获取所述待发送信息。
2.根据权利要求1所述的基于旋转式机械天线的发信系统，其特征在于，所述旋转式机械天线包括中心轴和旋转圆筒；
所述旋转圆筒包括正电荷筒形极板和负电荷筒形极板；
所述正电荷筒形极板和负电荷筒形极板各占所述旋转圆筒的一半，且固定在所述中心轴上；
所述正电荷筒形极板和负电荷筒形极板对称分布，形成电偶极距；
所述旋转电机用于通过驱动所述中心轴旋转，带动所述正电荷筒形极板和负电荷筒形极板旋转，以使所述旋转式机械天线辐射出的电磁波信号的频率与所述中心轴的转动频率相同。
3.根据权利要求1所述的基于旋转式机械天线的发信系统，其特征在于，所述发信激励单元为传统低频发信激励器，所述收信侧为传统低频收信机。
4.根据权利要求1所述的基于旋转式机械天线的发信系统，其特征在于，所述转速控制单元具体用于：
根据所述转速指令和所述实际转速之差，采用偏差控制方式对所述旋转电机的转速进行调控。
5.根据权利要求1所述的基于旋转式机械天线的发信系统，其特征在于，所述转速控制单元具体用于：
根据所述转速指令和所述实际转速，采用变频器电源对所述旋转电机的转速进行调控。
6.根据权利要求1所述的基于旋转式机械天线的发信系统，其特征在于，所述转速控制单元具体用于：
通过鉴频方式从所述激励信号提取频率参数。
7.基于权利要求1-6中任一所述的基于旋转式机械天线的发信系统的信息加载方法，其特征在于，包括：
通过发信激励单元基于预设频率调制方法根据待发送信息产生激励信号，并将所述激励信号传输给转速控制单元；
通过转速检测单元检测旋转式机械天线的中心轴的实际转速，并将所述实际转速反馈给所述转速控制单元；
通过所述转速控制单元提取所述激励信号中的频率参数，根据所述频率参数得到转速指令；根据所述转速指令和所述实际转速对所述旋转电机的转速进行调控，以使所述旋转电机的转速与所述转速指令同步；
通过所述旋转电机驱动所述旋转式机械天线绕所述中心轴旋转，以使所述旋转式机械天线辐射出与所述中心轴的转速同频率的电磁波信号，以供收信侧根据接收到的所述电磁波信号获取所述待发送信息。
8.根据权利要求7所述的信息加载方法，其特征在于，所述旋转式机械天线包括中心轴和旋转圆筒；
所述旋转圆筒包括正电荷筒形极板和负电荷筒形极板；
所述正电荷筒形极板和负电荷筒形极板各占所述旋转圆筒的一半，且固定在所述中心轴上；
所述正电荷筒形极板和负电荷筒形极板对称分布，形成电偶极距；
相应地，通过所述旋转电机驱动所述旋转式机械天线绕所述中心轴旋转的步骤包括：
使用所述旋转电机通过驱动所述中心轴旋转，带动所述正电荷筒形极板和负电荷筒形极板旋转，以使所述旋转式机械天线辐射出的电磁波信号的频率与所述中心轴的转动频率相同。
9.根据权利要求7所述的信息加载方法，其特征在于，通过所述转速控制单元根据所述转速指令和所述实际转速对所述旋转电机的转速进行调控的步骤包括：
通过所述转速控制单元根据所述转速指令和所述实际转速之差，采用偏差控制方式对所述旋转电机的转速进行调控。
10.根据权利要求7所述的信息加载方法，其特征在于，通过所述转速控制单元提取所述激励信号中的频率参数的步骤包括：
使用所述转速控制单元通过鉴频方式从所述激励信号提取频率参数。
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