CN115833853B - 一种小型化低频无线通信电磁信号发射系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化低频无线通信电磁信号发射系统，该系统中的多相频率综合模块用于产生一定频率不同初相的多路激励电流；通信信息生成模块用于产生预设调制方式的通信信息；通信信息加载模块用于将通信信息加载至多路激励电流；激励电流放大模块用于放大多路激励电流；馈电模块用于将多路激励电流配置至多个低频磁场感应激励器；低频磁场激励模块用于通过多个低频磁场感应激励器辐射场在空间进行矢量叠加形成可传播的低频时变电磁波。本发明基于空间时变磁场激励电磁辐射原理，使得电磁波辐射体无需机械旋转，辐射效率突破对辐射体尺寸的限制，可大幅减小辐射体的电尺寸，具有体积小、工作频率和功率易于设置、系统效率高和使用灵活的特点。

Description

一种小型化低频无线通信电磁信号发射系统

技术领域

本发明涉及低频无线通信技术领域，尤其涉及一种小型化低频无线通信电磁信号发射系统。

背景技术

天线是无线通信系统必不可少的重要组成部件，天线的品质直接影响着无线通信系统的性能。按照传统天线设计的基本思想，高性能天线尺度一般与辐射信号的波长相比拟，特别是，对于低频无线通信系统，由于工作频率低，电磁波波长长，按照经典天线设计理论，天线尺寸大，甚至非常庞大，例如，当天线工作在低频段时，天线的尺寸达千米量级甚至达数十千米量级，对于水下或地下通信将变得极其困难。尽管通过加载和匹配等措施，可减小天线的电尺寸，但小型化的尺度存在理论极限。与此同时，为了实现天线的宽带特性，天线还要配备复杂的匹配网络等设备，使得天线架设、安装、运行和维护成本高。因此，在保证效率的情况下，为了实现天线小型化，必须研究打破现有天线设计理念。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提供一种小型化低频无线通信电磁信号发射系统，该发射系统应用的天线具有不受电磁波波长或频率限制的特性，并能够实现天线电尺寸小型化和微型化。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种小型化低频无线通信电磁信号发射系统，包括：

多相频率综合模块，用于产生一定频率不同初始相位的多路激励电流；

通信信息生成模块，用于产生预设调制方式的通信信息；

通信信息加载模块，用于将所述通信信息加载至多路激励的低频电流上；

激励电流放大模块，用于对加载所述通信信息后的多路激励的所述低频电流进行放大；

馈电模块，用于将放大后的多路所述低频电流配置至低频磁场激励模块中的多个低频磁场感应激励器；

所述低频磁场激励模块，用于通过多个低频磁场感应激励器辐射场在空间进行矢量叠加形成可传播的低频时变电磁波；

其中，多路一定频率和不同初始相位的激励电流用于控制所述低频磁场感应激励器激励的磁场矢量在空间的转速。

可选的，所述通信信息加载模块通过调制器将所述通信信息加载至多路激励的所述低频电流上。

可选的，所述通信信息加载模块通过调制多路激励电流信号的频率和/或幅度，以将通信信息加载至多路激励的所述低频电流上，实现对发射电磁场的频率和/或幅度的调控。

可选的，所述馈电模块采用树形或者三角形馈电方式，给多个低频磁场感应激励器提供所述低频电流，以将多路激励的所述低频电流配置至所述低频磁场激励模块。

可选的，多个低频磁场感应激励器在空间均匀分布，所述低频磁场激励模块具体用于通过对每个低频磁场感应激励器输入相同频率不同初始相位的激励电流，以在空间产生低频时变磁场。

可选的，所述低频磁场激励模块在空间感应得到的时变磁场的低频电磁辐射强度与多个低频磁场感应激励器合成的磁矩相关。

可选的，所述低频电磁辐射强度通过多个低频磁场感应激励器合成的磁矩进行调节。

可选的，所述低频磁场激励模块中的多个低频磁场感应激励器采用载流环制作得到。

可选的，所述多相频率综合模块基于直接数字式频率合成器和现场可编程门阵列芯片架构设计而成。

本发明至少具有以下技术效果：

本发明提供了一种小型化低频无线通信电磁信号发射系统，该系统通过多相电流控制低频磁场激励模块，使低频磁场激励模块感应的感应磁场合成矢量在空间无惯性扫描，从而激励电磁辐射，该系统突破了传统天线对频率的依赖性，应用该系统的天线几何尺度不仅不受电磁波波长或频率的限制，而且天线结构简单，体积小，重量轻，功耗小，效率高，易于控制，机动性和抗干扰力强，可实现天线电尺寸小型化、超小型化甚至微型化，以及本发明中的辐射体无需动力驱动和高速旋转，以电扫代替机械转动，电磁辐射性能对材料物性依赖性不强，工作频率可根据实际电磁环境和需要灵活设置，信息加载调制维度多且容易，甚至可对指定方位近远场进行调控，另外，辐射场强可通过改变馈电电流强度灵活实现，或者调节多个磁场感应激励器合成的磁矩进行实现，易于工程化和实用化，并且应用该系统的天线不仅可适于低频段无线电技术，还可适于高频段无线电技术。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的小型化低频无线通信电磁信号发射系统的整体结构示意图。

图2为馈电模块的树形馈电方式示意图。

图3为馈电模块的三角形馈电方式示意图。

图4为低频磁场激励模块在空间0度方向激励的瞬时磁感应场扫描矢量示意图。

图5为低频磁场激励模块在空间90度方向激励的瞬时磁感应场扫描矢量示意图。

图6为低频磁场激励模块在空间180度方向激励的瞬时磁感应场扫描矢量示意图。

图7为低频磁场激励模块在旋转面内的瞬态方向图。

具体实施方式

下面详细描述本实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本实施例的小型化低频无线通信电磁信号发射系统。

图1为本发明一实施例提供的小型化低频无线通信电磁信号发射系统的整体结构示意图。如图1所示，该小型化低频无线通信电磁信号发射系统包括多相频率综合模块1、通信信息加载模块2、激励电流放大模块3、馈电模块4、低频磁场激励模块5、通信信息生成模块6和电源电力供应模块7，其中，通信信息加载模块2分别与多相频率综合模块1和通信信息生成模块6连接，激励电流放大模块3与通信信息加载模块2连接，馈电模块4与激励电流放大模块3连接，低频磁场激励模块5与馈电模块4连接，电源电力供应模块7用于向各个模块供电（图中仅示出电源电力供应模块7向部分模块供电）。

本实施例中，多相频率综合模块1基于直接数字式频率合成器（DDS）和现场可编程门阵列（FPGA）芯片架构设计，其可用于产生一定频率多路等幅移相的正弦波激励电流，其中，多路正弦波激励的一定频率的电流用于控制低频磁场激励模块5中低频磁场感应激励器激励的磁场矢量在空间的转速。

本实施例中，通信信息生成模块6基于现场可编程门阵列等主要芯片生成某种预设调制方式的通信信息。通信信息加载模块2根据预设的通信调制方式，通过调制器调制多相频率综合模块1输出信号的幅度和/或频率，以将通信信息加载在多路激励的低频电流上，实现对发射电磁场的幅度和/或频率的调控。

本实施例中，激励电流放大模块3基于绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等主要芯片设计而成，其主要用于对加载所述通信信息后的多路激励的低频电流进行放大。

馈电模块4用于将放大后的多路激励电流配置至低频磁场激励模块5中的多个低频磁场感应激励器。

本实施例中，馈电模块4由馈电网络组成，馈电模块4可采用树形或三角形馈电方式馈电，以分别给每个低频磁场激励模块5馈电，使低频磁场激励模块5合成的磁场矢量在空间旋转扫描，并形成可传播的低频时变电磁波。

例如，低频磁场感应激励器数量为3个时，可采用图2所示的树形多相馈电网结构，以分别向低频磁场发射体1-3，即向低频磁场发射模块（低频磁场激励模块）中各个低频磁场感应激励器分别提供激励电流、和。当然，也可采用图3所示的三角形多相馈电网结构，以分别向低频磁场发射体1-3，即向低频磁场发射模块中各个低频磁场感应激励器分别提供相同频率不同初始相位的激励电流、和。

需要说明的是，低频磁场激励模块5包括三个以上在空间均匀分布的相同低频磁场感应激励器，低频磁场激励模块5通过对每个低频磁场感应激励器输入相同频率不同初始相位的激励电流，以在空间产生低频时变磁场。

本实施例中，低频磁场激励模块5中三个以上的低频磁场感应激励器分别用载流环制作而成，设定三个以上的低频磁场感应激励器合成的总磁矩为，则在空间的合成总磁矢位为：

（1）

其中，是磁导率，是光速，是载流环中心到观察点的距离，为时间，，表示的单位矢量。

进一步的，根据电动力学的磁矢位、标势和场矢量之间的关系，可得到低频磁场感应激励器合成的总磁矩在空间激励的磁感应强度远场表达式为：

（2）

电场的远场表达式为：

（3）

其中，低频磁场激励模块5在空间感应得到的时变磁场的低频电磁辐射强度与多个低频磁场感应激励器合成的磁矩即与总磁矩相关。

具体的，当磁矩矢量即的时空特性发生变化时，在空间将产低频电磁辐射，且辐射强度与磁矩矢量对时间的二阶导数有关，通过改变电流强度，可灵活控制辐射场强。

本实施例中，可通过调节多个低频磁场感应激励器合成的磁矩或馈电电流强度，以实现电磁辐射强度的调节。

进一步的，图4给出了低频磁场激励模块5在空间0度方向激励的瞬时磁感应场扫描矢量。图5给出了低频磁场激励模块5在空间90度方向激励的瞬时磁感应场扫描矢量。图6给出了低频磁场激励模块5在空间180度方向激励的瞬时磁感应场扫描矢量。

进一步的，图7给出了低频磁场激励模块5在旋转面内的瞬态方向图，其中，序号8表示八分之0周期时刻的瞬态方向图，序号9表示八分之一周期时刻的瞬态方向图，序号10表示八分之二周期时刻的瞬态方向图，序号11表示八分之三周期时刻的瞬态方向图。从图中可以看出，在低频磁场激励模块5磁矩合成矢量扫描面内，低频磁场激励模块5辐射的瞬态方向图为“8”字形，且随时间在空间扫描，稳态方向图仍然是呈圆形，呈全向辐射，与旋转场天线的方向图特征相符。

本实施例通过对低频磁场激励模块磁场合成矢量在空间电扫，并向空间激励时变电磁场，可避免传统电天线中存在高电抗和机械转动引起的损耗，系统电磁发射效率高，可使新型通信系统实现小型化、低功耗和轻量化，研制和使用成本低。此外，本发明的一种低频无线通信电磁信号发射系统，工作频率和辐射场强设置灵活，产生的多相基准正弦波信号，直流分量小，相位控制精度高，频率稳定，各路输出信号幅度一致性好，波形畸变小，实现起来硬件成本低。

综上所述，本发明提供了一种小型化低频无线通信电磁信号发射系统，该系统通过多相电流控制低频磁场激励模块，使低频磁场激励模块感应的感应磁场合成矢量在空间无惯性扫描，从而激励电磁辐射，该系统突破了传统天线对频率的依赖性，应用该系统的天线几何尺度不仅不受电磁波波长或频率的限制，而且天线结构简单，体积小，重量轻，功耗小，效率高，易于控制，机动性和抗干扰力强，可实现天线电尺寸小型化、超小型化甚至微型化，以及本发明中的辐射体无需动力驱动和高速旋转，以电扫代替机械转动，电磁辐射性能对材料物性依赖性不强，根据实际电磁环境和使用需求，工作频率可灵活设置，另外，辐射强度可通过控制馈电电流强度或者调解多个磁场感应激励器合成的磁矩灵活实现，信息加载调制维度多且容易，甚至可对指定方位近远场进行调控，易于工程化和实用化，并且应用该系统的天线不仅可适于低频段无线电技术，还可适于高频段无线电技术。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种小型化低频无线通信电磁信号发射系统，其特征在于，包括：

多相频率综合模块，用于产生一定频率不同初始相位的多路激励电流；

通信信息生成模块，用于产生预设调制方式的通信信息；

通信信息加载模块，用于将所述通信信息加载至多路激励的低频电流上；

激励电流放大模块，用于对加载所述通信信息后的多路激励的所述低频电流进行放大；

馈电模块，用于将放大后的多路所述低频电流配置至低频磁场激励模块中的多个低频磁场感应激励器；

所述低频磁场激励模块，用于通过多个低频磁场感应激励器辐射场在空间进行矢量叠加形成可传播的低频时变电磁波；

其中，多路一定频率和不同初始相位的激励电流用于控制所述低频磁场感应激励器激励的磁场矢量在空间的转速。

2.如权利要求1所述的小型化低频无线通信电磁信号发射系统，其特征在于，所述通信信息加载模块通过调制器将所述通信信息加载至多路激励的所述低频电流上。

3.如权利要求1所述的小型化低频无线通信电磁信号发射系统，其特征在于，所述通信信息加载模块通过调制多路激励电流信号的频率和/或幅度，以将通信信息加载至多路激励的所述低频电流上，实现对发射电磁场的频率和/或幅度的调控。

4.如权利要求1所述的小型化低频无线通信电磁信号发射系统，其特征在于，所述馈电模块采用树形或者三角形馈电方式，给多个低频磁场感应激励器提供所述低频电流，以将多路激励的所述低频电流配置至所述低频磁场激励模块。

5.如权利要求1所述的小型化低频无线通信电磁信号发射系统，其特征在于，多个低频磁场感应激励器在空间均匀分布，所述低频磁场激励模块具体用于通过对每个低频磁场感应激励器输入相同频率不同初始相位的激励电流，以在空间产生低频时变磁场。

6.如权利要求1所述的小型化低频无线通信电磁信号发射系统，其特征在于，所述低频磁场激励模块在空间感应得到的时变磁场的低频电磁辐射强度与多个低频磁场感应激励器合成的磁矩相关。

7.如权利要求6所述的小型化低频无线通信电磁信号发射系统，其特征在于，所述低频电磁辐射强度通过多个低频磁场感应激励器合成的磁矩进行调节。

8.如权利要求1所述的小型化低频无线通信电磁信号发射系统，其特征在于，所述低频磁场激励模块中的多个低频磁场感应激励器采用载流环制作得到。

9.如权利要求1-8中任一项所述的小型化低频无线通信电磁信号发射系统，其特征在于，所述多相频率综合模块基于直接数字式频率合成器和现场可编程门阵列芯片架构设计而成。

Images