CN112134003A - 一种基于驻极体的柔性机械天线通信系统 - Google Patents

一种基于驻极体的柔性机械天线通信系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于驻极体的柔性机械天线通信系统，包括：机械天线系统，用于产生低频磁场信号；包括驻极体、支撑结构、驱动电机；驻极体包括n层，n≥5；支撑结构包括m层，m≥7；驱动电机带动驻极体、支撑结构转动；信号接收系统，用于接收低频磁场信号；信号处理系统，用于处理信号接收系统接收的低频磁场信号，形成通信信号；上位机系统，用于接收通信信号，本发明能够产生并发射低频电磁波，且发射天线结构整体质量轻、体积小、可弯曲折叠、可拆卸、易于携带，适合在高机动、小空间等复杂环境下使用，并且能够通过调制解调完成低频通信过程。

Description

一种基于驻极体的柔性机械天线通信系统
技术领域
本发明属于低频通信领域，特别涉及一种基于驻极体的柔性机械天线通信系统。
背景技术
由于电磁波在ULF/VLF波段具有传输特性稳定，抗干扰能力强，传输衰减小，并且能够以很低的损耗穿透海水和地下，如在海水中的衰减仅约为0.3dB/m。因此，虽然它的传输带宽较窄，但是在远距离导航、通信、标准时间和频率发布等方面，仍具有不可代替的广泛应用，而对低频传播的研究具有极其重要的理论价值和军事价值。
而在低频发射系统中，发射天线是极其重要的组成部分，其性能对于整个系统有着重要影响。由于低频电磁波的频率较低，波长很长，本身较难辐射，需要发射天线的尺寸在与波长相比拟的量级才能有较好的收发效果。因此为获得理想的辐射效果，采用传统天线实现方法需要建设巨大的发射天线系统，且对发射天线架设场地的地质条件有特殊的要求。目前已有的低频通信系统发射台存在天线尺寸较长，占地规模较大，且目标过于明显，隐蔽性和机动性较差，同时功耗较大的缺陷。
针对目前传统低频通信天线尺寸过大，在战时目标暴露等缺点，2017年1月6日DARPA提出了一种基于新机理的特/超低频无线发射机构想——AMEBA(A MechanicallyBased Antenna)项目，目的从原理上改变产生低频电磁波的方式，目前大量研究学者已展开相关研究，其产生低频电磁波的实现方式主要集中在旋转带电电极板和旋转永磁体，而无论是电极板和永磁体均属于刚体，无法较好的与载体结构相配合。
发明内容
本发明文提出一种基于驻极体的柔性机械天线通信系统，能够进一步减小低频天线尺寸，同时具有可弯曲折叠、可拆卸、易于携带，较易实现与载体结构共形，适合在高机动、小空间等复杂环境下使用等优点。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明公开了一种基于驻极体的柔性机械天线通信系统，包括：
机械天线系统，用于产生低频磁场信号；包括驻极体、支撑结构、驱动电机；
驻极体包括n层，n≥5；
支撑结构包括m层，m≥7；
驱动电机带动驻极体、支撑结构转动；
信号接收系统，用于接收低频磁场信号；
信号处理系统，用于处理信号接收系统接收的低频磁场信号，形成通信信号；
上位机系统，用于接收通信信号；
优选地，驻极体，包括：第一驻极体、第二驻极体......第n-1驻极体、第n驻极体；
第一驻极体与所述第二驻极体通过所述支撑结构连接；
第n-1驻极体与所述第n驻极体通过所述支撑结构连接；
优选地，驻极体，由高分子聚合物非极性纳米材料组成；
高分子聚合物非极性纳米材料为FEP或PTFE；
优选地，第一驻极体、第二驻极体......第n-1驻极体、第n驻极体，能够单独充电；
优选地，支撑结构，由非金属柔性材料组成，包括第一支撑结构、第二支撑结构.......第m-1支撑结构、第m支撑结构；
第一支撑结构与第二支撑结构通过所述驻极体连接；
第m-1支撑结构与第m支撑结构通过所述驻极体连接；
优选地，非金属柔性材料为尼龙或橡胶；
优选地，非金属柔性材料外部附着驻极体的材料；
优选地，机械天线系统还包括机械天线载体，机械天线载体包括车辆、卫星；
优选地，信号接收系统为高精度磁场传感器；
低频磁场信号包括：地磁和电机磁部分干扰的磁场混合信号；
优选地，信号处理系统为锁相放大器，以驱动电机的转速频率信号为参考频率，在低频磁场信号中提取0-100HZ频率的磁场信号并通过滤波放大信号处理方法解调所述通信信号，实现低频通信功能。
本发明公开了以下技术效果：
本发明与现有技术相比，具有以下明显优势：本发明所述系统，能够产生并发射低频电磁波，且发射天线结构整体质量轻、体积小、可弯曲折叠、可拆卸、易于携带，适合在高机动、小空间等复杂环境下使用，并且能够通过调制解调完成低频通信过程。
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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的系统结构图；
图2是本发明所述天线的驻极体和支撑结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
如图1-2所述，本发明公开了一种基于驻极体的柔性机械天线通信系统，其特征在于，包括：机械天线系统，用于产生低频磁场信号；包括驻极体、支撑结构、驱动电机；驻极体包括n层，n≥5；支撑结构包括m层，m≥7；驱动电机带动驻极体、支撑结构转动；信号接收系统，用于接收低频磁场信号；信号处理系统，用于处理信号接收系统接收的低频磁场信号，形成通信信号；上位机系统，用于接收通信信号。驻极体，包括：第一驻极体、第二驻极体.......第n-1驻极体、第n驻极体；第一驻极体与所述第二驻极体通过所述支撑结构连接；第n-1驻极体与第n驻极体通过支撑结构连接。驻极体，由高分子聚合物非极性纳米材料组成；高分子聚合物非极性纳米材料为FEP或PTFE；第一驻极体、第二驻极体......第n-1驻极体、第n驻极体，能够单独充电。
支撑结构，由非金属柔性材料组成，包括第一支撑结构、第二支撑结构.......第m-1支撑结构、第m支撑结构；第一支撑结构与第二支撑结构通过驻极体连接；第m-1支撑结构与第m支撑结构通过驻极体连接；非金属柔性材料为尼龙或橡胶，非金属柔性材料外部附着所述驻极体的材料。
机械天线系统还包括机械天线载体，所述机械天线载体包括车辆、卫星。
信号接收系统为高精度磁场传感器；低频磁场信号包括：地磁和电机磁部分干扰的磁场混合信号。
信号处理系统为锁相放大器，以所述驱动电机的转速频率信号为参考频率，在所述低频磁场信号中提取0-100HZ频率的磁场信号并通过滤波放大等信号处理方法解调所述通信信号，实现低频通信功能。
如图1所示，低频柔性机械天线通信系统由机械天线、锁相放大器以及磁传感器等组成。
机械天线由分离式多层聚合物驻极体材料、柔性支撑材料以及驱动电机通过可拆卸方式组合，并于天线载体较好的配合。
驱动电机在电源驱动下带所述旋转支撑结构一同旋转；
驻极体材料在经过电晕放电后，带不同种类电荷，粘附在旋转材料上，质量轻，易加工，每层可独立充电。
磁通门计是具有较高测量灵敏的磁场传感器，能够测量较小的磁场信号，用来接收包含地磁和电机磁部分干扰的磁场混合信号；
锁相放大器能够以转速信号为参考频率，在所述磁场混合信号中提取特定频率的磁场信号并通过滤波放大信号处理方法解调通信信号，实现低频通信功能。
其中驻极体材料和柔性支撑结构的具体结构如图2所示，每层驻极体和支撑结构均可自由拆卸组装。本发明专利所述采用分离式多层聚合无驻极体作为电荷储存的载体，是将多个单层驻极体结构在分别极化充电后再进行有机组合，该结构在充电和维护工作中只需要将单独某层或某些层分离进行相关操作，工序简单且不会影响低频通信系统的正常工作。
本发明专利所述的柔性支撑材料，不仅质量轻且可弯曲折叠，同时其强度能够承载驻极体材料的高速运动，并可与载体如车载、卫星等机械结构共形，不会影响整个低频通信系统的正常工作。
本发明在实现通过旋转驻极体完成低频通信方法的基础上，提供一种基于驻极体的柔性机械天线通信系统，进一步优化结构和提高系统性能。
本发明结构原理基于旋转驻极体机械天线方法，发射天线部分采用分离式多层聚合物驻极体材料作为电荷储存的载体，并采用柔性材料作为支撑结构。利用可拆卸方式与驱动电机相配合；信号接收部分利用高精度磁场传感器接收磁场信号，并通过锁相放大器进行信号处理，完成低频通信过程
所述的天线结构原理基于旋转驻极体机械天线方法，通过驱动电机旋转带动带有电荷的驻极体材料旋转，从而产生变化的电磁场激发电磁波并向外辐射，实现低频通信的功能；
所述的电荷储存的载体采用分离式多层高分子聚合物非极性纳米驻极体材料，其特征在于，质量轻，易加工，每层可独立充电，适合长期使用和维护，同时分别充有正负两种相反的极化电荷，实现产生低频电磁波的功能。传统的多层驻极体结构是一体成型的，若直接用于已公开的驻极体式机械天线中时，由于驻极体结构多层且固定，因此在后续的充电和维护中需要将其整体分离，工序复杂且必然会影响整个低频通信系统的正常工作。
所述的支撑结构采用柔性材料，其特征在于，质软，可弯曲折叠，不影响电磁分布，同时强度能够承载驻极体材料高速运动，并可与载体如车载、卫星等机械结构共形，不影响载体的正常工作。在其上附着所述驻极体材料，随驱动电机旋转产生低频电磁波。传统的柔性材料只是质软，不需要与驱动结构相结合，若直接用于已公开的驻极体式机械天线结构，必然会在高速旋转时解体，发生意外。
所述的天线结构采用可拆卸方式与驱动电机相配合，在运输携带时，可分离电机和天线结构，并在使用时可快速组装成型。
所述的驱动电机采用高速且可快速变频的旋转电机，高速可提高所述天线产生信号强度，变频可利用调频的方式对通信信号进行调制，均有益于低频通信。
所述的锁相放大器，能够以电机转速的频率信号作为参考频率，锁定提取同频率通信信号并对其进行滤波放大等信号处理。
本发明所述天线系统的工作过程如下：驻极体材料在经过电晕极化充电后，带不同种类电荷，同时与旋转支撑结构紧密连接，组成柔性天线；嵌入式控制器控制电机驱动电路，使电机带动所述驻极体式柔性天线一同旋转，向外辐射低频电磁波；同时采用具有较高测量灵敏的磁场传感器，能够测量并接收较小的磁场信号，包含地磁和电机磁部分干扰的磁场混合信号；锁相放大器能够在磁场混合信号中提取特定频率的磁场信号，并通过滤波放大等信号处理方法解调通信信号，将最终通信信号送入上位机，完成整个通信过程。
本发明与现有技术相比，具有以下明显优势：所述的一种基于聚合物驻极体材料的低频柔性机械天线通信系统，能够产生并发射低频电磁波，且发射天线结构整体质量轻、体积小、可弯曲折叠、可拆卸、易于携带，适合在高机动、小空间等复杂环境下使用，并且能够通过调制解调完成低频通信过程。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种基于驻极体的柔性机械天线通信系统，其特征在于，包括：
机械天线系统，用于产生低频磁场信号；包括驻极体、支撑结构、驱动电机；
所述驻极体包括n层，n≥5；
所述支撑结构包括m层，m≥7；
所述驱动电机带动所述驻极体、所述支撑结构转动；
信号接收系统，用于接收所述低频磁场信号；
信号处理系统，用于处理所述信号接收系统接收的所述低频磁场信号，形成通信信号；
上位机系统，用于接收所述通信信号。
2.根据权利要求1所述一种基于驻极体的柔性机械天线通信系统，其特征在于：
所述驻极体，包括：第一驻极体、第二驻极体......第n-1驻极体、第n驻极体；
所述第一驻极体与所述第二驻极体通过所述支撑结构连接；
所述第n-1驻极体与所述第n驻极体通过所述支撑结构连接。
3.根据权利要求2所述一种基于驻极体的柔性机械天线通信系统，其特征在于：
所述驻极体，由高分子聚合物非极性纳米材料组成；
所述高分子聚合物非极性纳米材料为FEP或PTFE。
4.根据权利要求2所述一种基于驻极体的柔性机械天线通信系统，其特征在于：
所述第一驻极体、第二驻极体......第n-1驻极体、第n驻极体，能够单独充电。
5.根据权利要求1所述一种基于驻极体的柔性机械天线通信系统，其特征在于：
所述支撑结构，由非金属柔性材料组成，包括第一支撑结构、第二支撑结构.......第m-1支撑结构、第m支撑结构；
所述第一支撑结构与所述第二支撑结构通过所述驻极体连接；
所述第m-1支撑结构与所述第m支撑结构通过所述驻极体连接。
6.根据权利要求5所述一种基于驻极体的柔性机械天线通信系统，其特征在于：
所述非金属柔性材料为尼龙或橡胶。
7.根据权利要求5所述一种基于驻极体的柔性机械天线通信系统，其特征在于：
所述非金属柔性材料的外部附着所述驻极体的材料。
8.根据权利要求1所述一种基于驻极体的柔性机械天线通信系统，其特征在于：
所述机械天线系统还包括机械天线载体，所述机械天线载体包括车辆、卫星。
9.根据权利要求1所述一种基于驻极体的柔性机械天线通信系统，其特征在于：
所述信号接收系统为高精度磁场传感器；
所述低频磁场信号包括：地磁和电机磁部分干扰的磁场混合信号。
10.根据权利要求1所述一种基于驻极体的柔性机械天线通信系统，其特征在于：
所述信号处理系统为锁相放大器，以所述驱动电机的转速频率信号为参考频率，在所述低频磁场信号中提取0-100HZ频率的磁场信号并通过滤波放大信号处理方法解调所述通信信号，实现低频通信功能。
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