旋轉(zhuǎn)永磁式機(jī)械天線的研究與實(shí)現(xiàn)

周 強(qiáng)，施 偉，劉 斌，魏志虎，何攀峰，張 江

(國(guó)防科技大學(xué) 第六十三研究所， 江蘇 南京 210007)

極低頻(Extremely-Low Frequency, ELF)、超低頻(Super-Low Frequency, SLF)、特低頻(Ultra-Low Frequency, ULF)和甚低頻(Very-Low Frequency, VLF)等低頻電磁波具有優(yōu)異的海水穿透和繞射能力，因而低頻電磁通信在對(duì)潛指揮、水下和透地通信以及導(dǎo)航、定位等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力[1]，也是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)對(duì)潛戰(zhàn)略通信的有效手段[2]。

實(shí)際應(yīng)用中，由于天線尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，現(xiàn)有低頻發(fā)射天線均為電小天線(Electrically Small Antenna, ESA)，依靠導(dǎo)體中的振蕩電流激勵(lì)電磁波，可等效為一個(gè)振蕩偶極子。通過(guò)定義輻射品質(zhì)因數(shù)Qrad，Chu等[3-4]給出了ESA的一個(gè)理論限制，即Qrad最小值可表示為：

Qrad=ωWsto/Prad>1/(ka)3+1/(ka)

(1)

式中，ω為諧振角頻率，Wsto為周期平均儲(chǔ)能，Prad為輻射功率，k=ω/c為真空中的波數(shù)，c為光速，a為包圍天線的最小輻射球[5]半徑。由式(1)可知，當(dāng)ka?1時(shí)，ESA的Qrad近似與(ka)3成反比。這表明：天線尺寸越小，Qrad就越大，天線帶寬就越窄，在輻射功率一定條件下，天線輻射功率和效率就越低。

由于上述理論限制，ESA的輻射性能直接受限于天線尺寸，使得現(xiàn)有低頻電磁發(fā)信系統(tǒng)存在天線體積龐大、設(shè)備復(fù)雜、輻射效率低、發(fā)射功率及能耗大等問(wèn)題，已成為低頻電磁通信在相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展的重要瓶頸，因此急需創(chuàng)新低頻電磁發(fā)射的新理論和新技術(shù)。

針對(duì)上述瓶頸問(wèn)題，2016年12月，以替代依靠振蕩電流激勵(lì)的傳統(tǒng)ESA為目標(biāo)，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)首次提出了“機(jī)械天線”(Mechanical Antenna, MA)的概念和項(xiàng)目構(gòu)想[6-7]。如圖1所示，所謂MA，即通過(guò)特殊材料，如駐極體(在強(qiáng)外場(chǎng)作用下極化并“永久”保持極化狀態(tài)的電介質(zhì))或永磁體(在開路狀態(tài)下能“永久”保留較高剩磁的磁體)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)直接激勵(lì)并發(fā)射低頻電磁波的新型低頻電磁發(fā)信技術(shù)。

圖1 MA的主要形式及基本原理Fig.1 Basic principle and main form of MA

利用高性能駐極體和永磁體，MA不需消耗能量就可直接產(chǎn)生靜態(tài)強(qiáng)電場(chǎng)或強(qiáng)磁場(chǎng)，而傳統(tǒng)ESA需消耗巨大能量才能產(chǎn)生等效電場(chǎng)或磁場(chǎng)[6]。由于沒(méi)有高電抗問(wèn)題，MA可省去匹配和調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)及其帶來(lái)的額外損耗。此外，作為機(jī)械系統(tǒng)，MA近場(chǎng)儲(chǔ)能不需在天線和匹配網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行諧振轉(zhuǎn)換，沒(méi)有額外能量轉(zhuǎn)換損耗，有利于進(jìn)一步提高輻射效率?；谏鲜鰞?yōu)勢(shì)，MA有望突破傳統(tǒng)ESA的理論限制[8]。

不同于傳統(tǒng)無(wú)線電發(fā)信機(jī)，MA的信息加載在機(jī)械驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)。結(jié)合低損耗和低阻尼的運(yùn)動(dòng)激勵(lì)與控制技術(shù)，MA有望利用很小能量即可直接產(chǎn)生低頻電磁波并實(shí)現(xiàn)信息加載。因此，MA不只是一種低頻發(fā)射天線，還是一種顛覆現(xiàn)有射頻發(fā)信機(jī)架構(gòu)的全新低頻電磁發(fā)信系統(tǒng)，有望實(shí)現(xiàn)小型化與低功耗，從而顯著提高其應(yīng)用的靈活性和機(jī)動(dòng)性。

2017年8月，DARPA正式啟動(dòng)AMEBA(a mechanically based antenna)項(xiàng)目，擬用45個(gè)月完成相關(guān)技術(shù)研究與驗(yàn)證。鑒于MA技術(shù)的前沿性和顛覆性，從2017年初開始，我國(guó)的國(guó)防預(yù)研計(jì)劃也發(fā)布了相應(yīng)基金和項(xiàng)目指南，對(duì)MA的新理論和新技術(shù)給予了重點(diǎn)關(guān)注。在相關(guān)項(xiàng)目的牽引下，國(guó)內(nèi)外多個(gè)高校和科研機(jī)構(gòu)分別對(duì)MA進(jìn)行了初步研究和探索[8-16]。

得益于稀土永磁材料[17]及旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)技術(shù)[18]在各領(lǐng)域的成熟應(yīng)用，基于旋轉(zhuǎn)永磁體的MA方案成為業(yè)界的研究熱點(diǎn)。其中，針對(duì)ULF和VLF應(yīng)用，文獻(xiàn)[8-10]研究了旋轉(zhuǎn)永磁式MA(Rotating-Magnet Based MA，RMBMA)的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性，提出了基于旋轉(zhuǎn)永磁體陣列并有望突破傳統(tǒng)ESA物理極限的RMBMA技術(shù)方案，初步給出了RMBMA的Q值極限公式。針對(duì)RMBMA近區(qū)磁場(chǎng)按1/r3快速衰減問(wèn)題，文獻(xiàn)[11-12]通過(guò)引入有源電磁偏置，提出了一種可增強(qiáng)其輸出磁場(chǎng)的技術(shù)方案，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。基于安培電流模型，文獻(xiàn)[13]推導(dǎo)了RMBMA在均勻有損介質(zhì)中產(chǎn)生時(shí)變電磁場(chǎng)的表達(dá)式，并對(duì)其分布與衰減特性進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?？梢钥闯?，當(dāng)前RMBMA研究主要針對(duì)旋轉(zhuǎn)永磁體的輻射特性及其信息加載方法，未涉及旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)與控制特性對(duì)RMBMA工程實(shí)現(xiàn)及其傳輸性能的影響。

基于釹鐵硼(NdFeB)永磁體和永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)，本文提出了一種RMBMA技術(shù)方案，建立了基于電-機(jī)械-電磁能量轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)模型，結(jié)合對(duì)其時(shí)變電磁場(chǎng)的分布與衰減特性研究，給出了輻射功率與輻射效率的表達(dá)式，提出了針對(duì)移頻鍵控(Frequency Shift Keying, FSK)的信息加載方法，并對(duì)該RMBMA技術(shù)方案和信息加載方法的可行性和有效性進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 RMBMA技術(shù)方案及其系統(tǒng)模型

圖2 一種RMBMA技術(shù)方案示意Fig.2 Diagram of a technology solution for RMBMA

為實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁體的高效旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)與狀態(tài)控制，本文提出的RMBMA技術(shù)方案如圖2所示，主要由永磁磁源(永磁體)、旋轉(zhuǎn)伺服系統(tǒng)、信息加載模塊及相應(yīng)輸入接口、封裝與散熱結(jié)構(gòu)等構(gòu)成。電源接口主要對(duì)旋轉(zhuǎn)伺服系統(tǒng)和相應(yīng)控制模塊供電。數(shù)據(jù)接口將碼元數(shù)據(jù)送入信息加載模塊，實(shí)現(xiàn)調(diào)制參數(shù)與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制參數(shù)之間的映射轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生輸入給定信號(hào)。

1.1 高性能永磁材料與磁源結(jié)構(gòu)

磁源的磁偶極矩正比于永磁體體積V與永磁材料的剩余磁化強(qiáng)度Mr[13]。為實(shí)現(xiàn)小型化和低功耗，在保證所需磁偶極矩的同時(shí)，應(yīng)盡可能減小磁源體積和重量，以減小其慣性負(fù)載和帶來(lái)的運(yùn)動(dòng)損耗。為此，永磁磁源采用NdFeB永磁體、轉(zhuǎn)軸和非導(dǎo)磁保護(hù)套等構(gòu)成。

其中，NdFeB永磁體是目前磁性最強(qiáng)的永磁材料[19]，其Mr可達(dá)106A/m以上。為降低旋轉(zhuǎn)阻力，永磁體采用圓筒形，可采用如圖3(a)所示的平行充磁或圖3(b)所示的海爾貝克(Halbach)陣列結(jié)構(gòu)[20]，后者可減小極間漏磁，實(shí)現(xiàn)與PMSM的磁隔離。非導(dǎo)磁保護(hù)套可降低永磁體高速或超高速旋轉(zhuǎn)時(shí)承受的機(jī)械應(yīng)力。

(a) 平行充磁(a) Parallel magnetisation (b) Halbach陣列(b) Halbach structure圖3 磁源結(jié)構(gòu)及其磁場(chǎng)分布示意Fig.3 Diagram of magnetic source structure and magnetic field distribution

1.2 高效旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)與狀態(tài)控制系統(tǒng)

磁源旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電磁波頻率f與其轉(zhuǎn)速n和磁極對(duì)數(shù)N成正比，即n=f×60/N。以1對(duì)磁極為例，對(duì)應(yīng)SLF、ULF、VLF頻段，n需分別達(dá)到1800～18 000 r/min、18 000～180 000 r/min和180 000～1 800 000 r/min。針對(duì)上述要求，高速和超高速電機(jī)[21-22]具有體積小、功率密度高、與負(fù)載直接相連、傳動(dòng)效率高等特點(diǎn)，適用于RMBMA的高效旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。在常用的高速和超高速電機(jī)中，PMSM在效率和功率密度上具有綜合優(yōu)勢(shì)[23]，因此本方案采用基于PMSM的旋轉(zhuǎn)伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)磁源的高效旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)與狀態(tài)控制。對(duì)于ULF以上頻段，電機(jī)本體應(yīng)采用無(wú)槽結(jié)構(gòu)，以減小PMSM齒槽效應(yīng)在高速時(shí)帶來(lái)的損耗和振動(dòng)問(wèn)題[24]。

如圖2所示，旋轉(zhuǎn)伺服系統(tǒng)由PMSM和伺服驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成。伺服驅(qū)動(dòng)器由狀態(tài)檢測(cè)、伺服控制和功率變換模塊構(gòu)成。根據(jù)輸入給定信號(hào)和狀態(tài)檢測(cè)模塊輸出的轉(zhuǎn)子狀態(tài)信息，結(jié)合一定控制策略，伺服控制模塊實(shí)時(shí)改變功率變換模塊的電壓和電流，以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)PMSM輸出轉(zhuǎn)矩，使磁源旋轉(zhuǎn)狀態(tài)實(shí)時(shí)跟蹤輸入給定，從而實(shí)現(xiàn)所需電磁信號(hào)的發(fā)射。為提高動(dòng)態(tài)跟隨性和抗負(fù)載擾動(dòng)性，可采用基于自抗擾控制器[25]的速度伺服控制策略，以提高帶寬和信噪比。

1.3 信息加載模塊及其轉(zhuǎn)速控制方法

為提高功率放大器效率，低頻電磁通信主要采用FSK和最小移頻鍵控(Minimum Shift Keying，MSK)等恒包絡(luò)調(diào)制策略。RMBMA通過(guò)改變磁源的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)信息加載，因此需將頻率、相位等參數(shù)映射為磁源的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)伺服系統(tǒng)的輸入給定。

(a) 2FSK (b) MSK圖4 2FSK和MSK的轉(zhuǎn)速控制信號(hào)產(chǎn)生示意Fig.4 Schematic diagram of speed control signal generation for 2FSK and MSK

1.4 基于能量轉(zhuǎn)換的RMBMA系統(tǒng)模型

對(duì)于圖2所示的電—機(jī)械—電磁能量耦合系統(tǒng)，建立其系統(tǒng)模型。如圖5所示，旋轉(zhuǎn)伺服系統(tǒng)將輸入的電功率Pin轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)PMSM轉(zhuǎn)子和磁源機(jī)械旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩Tem，克服軸承、風(fēng)阻等帶來(lái)的摩擦阻尼RΩ和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J的慣性作用，其產(chǎn)生的輻射電磁場(chǎng)可等效為1個(gè)輻射阻尼Rrad，將部分機(jī)械能轉(zhuǎn)換為輻射的電磁能。由此建立旋轉(zhuǎn)磁源的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為：

Tem=JdΩ/dt+RΩΩ+RradΩ

(1)

式中，Ω為旋轉(zhuǎn)角頻率且有Ω=ωN。

圖5 RMBMA的系統(tǒng)模型及能量轉(zhuǎn)換示意Fig.5 System model of RMBMA and schematic diagram of energy conversion

進(jìn)一步由圖5可知，PMSM輸出機(jī)械功率Pmech=TmechΩ=Pin-PR-Pm1-PΩ=ΔPsto+Pm2+Prad。其中，Pin為系統(tǒng)輸入電功率、PR為系統(tǒng)電阻性損耗(包括電機(jī)銅耗、控制器和功率變換器損耗等)、Pm1為PMSM內(nèi)部耦合電磁場(chǎng)的介質(zhì)損耗(包括電機(jī)鐵芯的渦流和遲滯損耗等)、PΩ為機(jī)械摩擦損耗、ΔPsto為磁源旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能增量、Pm2為磁源旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生時(shí)變電磁場(chǎng)的介質(zhì)損耗、Prad為輻射功率。Wm和WJ1分別為PMSM內(nèi)部磁場(chǎng)儲(chǔ)能及其轉(zhuǎn)子軸系的機(jī)械儲(chǔ)能，Wnear和WJ2分別為旋轉(zhuǎn)磁源產(chǎn)生時(shí)變電磁場(chǎng)的近場(chǎng)儲(chǔ)能和機(jī)械儲(chǔ)能。根據(jù)上述能量轉(zhuǎn)換特性，可定義RMBMA的輻射效率ηrad為：

ηrad=Prad/Pin=Prad/(Prad+Ploss)=Rrad/(Rrad+Rloss)

(2)

式中，Ploss=PR+Pm1+PΩ+ΔPsto+Pm2為系統(tǒng)總功耗，Rloss為等效的機(jī)械和電阻尼。

2 旋轉(zhuǎn)磁源的磁場(chǎng)分布與衰減特性

由于當(dāng)前低頻電磁通信基本采用磁接收技術(shù)，為分析RMBMA的輻射功率，需研究其產(chǎn)生的時(shí)變磁場(chǎng)的分布與衰減特性。

2.1 旋轉(zhuǎn)磁源的物理模型

構(gòu)建如圖6所示的旋轉(zhuǎn)磁源物理模型，假設(shè)永磁體長(zhǎng)度為2l且兩端磁化異種等量磁荷Qm，在無(wú)限大均勻介質(zhì)中，圍繞其中心O(即坐標(biāo)系原點(diǎn))在yz平面旋轉(zhuǎn)，可等效為一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁偶極子，由N=1可得Ω=ω。由于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可分解為同平面內(nèi)2個(gè)振動(dòng)角頻率為ω且空間相位相差π/2的簡(jiǎn)諧振動(dòng)[26]，其振動(dòng)幅度為l，則磁偶極矩m可表示為：

(3)

2.2 磁場(chǎng)分布與衰減特性

根據(jù)輻射電磁理論，磁偶極矩m0在z軸圍繞原點(diǎn)O簡(jiǎn)諧振動(dòng)產(chǎn)生的時(shí)變磁場(chǎng)分量BM為：

(4)

式中，B0=-μ0γ3m0/(4π)，μ0為真空中的磁導(dǎo)率，γ為介質(zhì)中的波數(shù)。由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與2個(gè)正交簡(jiǎn)諧振動(dòng)之間的轉(zhuǎn)換映射關(guān)系可得，磁偶極矩m0在yz平面內(nèi)圍繞原點(diǎn)O旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的時(shí)變磁場(chǎng)分量B′M為：

(5)

圖6 旋轉(zhuǎn)磁源的物理模型Fig.6 Physical model of rotating magnetic source

2.2.1 近區(qū)磁場(chǎng)分布與衰減特性

在近場(chǎng)區(qū)，γr?1，由式(5)可得，其近區(qū)磁場(chǎng)分量B′M_near和電場(chǎng)分量E′M_near可表示為：

(6)

式中，波阻抗η0=μ0c。B′M_near同時(shí)存在r、θ和φ分量，其幅值正比于m0并隨r的3次方衰減，且與近區(qū)電場(chǎng)分量相位相差π/2，因此該近區(qū)場(chǎng)為準(zhǔn)恒定場(chǎng)，不向外輻射能量。

2.2.2 遠(yuǎn)區(qū)磁場(chǎng)分布與衰減特性

在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，γr?1，由式(5)及輻射電場(chǎng)與磁場(chǎng)的對(duì)偶性可得，RMBMA的遠(yuǎn)區(qū)磁場(chǎng)分量B′M_far和電場(chǎng)分量E′M_far可表示為：

(7)

即B′M_far和E′M_far均為球面波且同時(shí)存在θ和φ分量，其幅值隨1/r衰減且同相位，此時(shí)能量完全輻射。對(duì)于無(wú)損介質(zhì)，由玻印廷矢量S可得輻射功率Prad為：

(8)

3 仿真分析

3.1 時(shí)變磁場(chǎng)的分布特性仿真

圖7(a)和圖7(b)分別給出了磁源在yz平面圍繞原點(diǎn)O旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生歸一化時(shí)變磁場(chǎng)的近區(qū)場(chǎng)和遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)分布特性。其中，近區(qū)磁場(chǎng)的分布類似一個(gè)內(nèi)凹的圓餅，其最小場(chǎng)強(qiáng)方向?yàn)樾D(zhuǎn)軸線方向，最大場(chǎng)強(qiáng)方向在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)過(guò)原點(diǎn)O的任意方向，最大方向近區(qū)磁場(chǎng)強(qiáng)度為最小方向的2倍；而遠(yuǎn)區(qū)磁場(chǎng)分布為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的圓球體，呈全向分布特性。

(a) 近區(qū)磁場(chǎng)(a) Near magnetic field (b) 遠(yuǎn)區(qū)磁場(chǎng) (b) Far magnetic field圖7 RMBMA的磁場(chǎng)分布特性Fig.7 Distribution characteristic of magnetic field for RMBMA

3.2 時(shí)變磁場(chǎng)的衰減特性仿真與分析

圖8給出了時(shí)變磁場(chǎng)在無(wú)限大均勻空氣和海水中沿y軸方向衰減特性的仿真對(duì)比。其中m0=MrV，參考AMEBA項(xiàng)目指標(biāo)[7]，在仿真中，取Mr=1.1×106A/m，V=3000 cm3，則m0≈3.3×103A·m2；空氣、海水的相對(duì)介質(zhì)常數(shù)εr和導(dǎo)電率σ分別為1、81和0 S/m、4 S/m。設(shè)定n為1800 r/min、9000 r/min、18 000 r/min，對(duì)應(yīng)發(fā)射頻率為30 Hz、150 Hz、300 Hz，則在空氣和海水中的波長(zhǎng)分別約為107m、2×106m、106m和289 m、129 m、91 m。

圖8 RMBMA的磁場(chǎng)衰減特性仿真對(duì)比Fig.8 Simulated attenuation characteristic of magnetic field for RMBMA

由圖8可知，在不同介質(zhì)中，隨著ω和r的增加，其近區(qū)磁場(chǎng)具有相同衰減速率，遠(yuǎn)區(qū)磁場(chǎng)則呈現(xiàn)不同的衰減特性。原因分析如下：

近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)磁場(chǎng)分別正比于(m0/r3)e-jγr和(γ2m0/r)e-jγr，對(duì)于均勻有損介質(zhì)，γ=β-jα，α和β分別為衰減因子和相移因子，可表示為：

(9)

其中，μ和ε分別為介質(zhì)的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)。

對(duì)于近區(qū)磁場(chǎng)，由于γr?1，e-jγr≈1，因此近區(qū)場(chǎng)強(qiáng)正比于m0/r3，即衰減速率為1/r3且與傳播介質(zhì)無(wú)關(guān)。對(duì)于遠(yuǎn)區(qū)磁場(chǎng)，由于空氣(近似無(wú)損介質(zhì))的σ=0，可得α=0，β=k=ω/c，e-jγr=e-jβr≈1，因此遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)強(qiáng)正比于ω2m0/(c2r)，即遠(yuǎn)區(qū)磁場(chǎng)衰減速率為1/r。而海水的σ≠0且[σ/(ωε)]2?1，α2≈β2≈μσω/2，可得：

(10)

參考AMEBA項(xiàng)目指標(biāo)[7]，以100 fT作為接收?qǐng)鰪?qiáng)要求，根據(jù)圖8所示磁場(chǎng)衰減特性，RMBMA在空氣中可實(shí)現(xiàn)約1.6 km距離內(nèi)的近場(chǎng)通信，在海水中則可實(shí)現(xiàn)427 m～180 m(30 Hz～300 Hz)距離內(nèi)的近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)通信。為擴(kuò)展通信距離，一方面需提高磁接收天線的靈敏度；另一方面需增大V或Mr，即增大m0，但將相應(yīng)增加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)功耗和工程實(shí)現(xiàn)難度。如要類似現(xiàn)有大功率岸基固定ELF和SLF臺(tái)站，為實(shí)現(xiàn)數(shù)千千米以上的遠(yuǎn)場(chǎng)和波導(dǎo)場(chǎng)應(yīng)用，則要求RMBMA的磁偶極矩增大數(shù)個(gè)量級(jí)，受限于永磁材料性能，則要求磁源的體積和重量增大數(shù)個(gè)量級(jí)，將給機(jī)械旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。

3.3 信息加載的可行性仿真

圖9 基于平均轉(zhuǎn)速控制的2FSK仿真示例Fig.9 Simulation of 2FSK with average speed control

4 原理樣機(jī)研制與實(shí)驗(yàn)測(cè)試

本文研制的RMBMA原理樣機(jī)如圖10所示。其中，磁源采用平行充磁的NdFeB永磁體，且有N=1、V≈194 cm3、Mr≈9.55×105A/m，PMSM轉(zhuǎn)速n為0～10 000 r/min，對(duì)應(yīng)發(fā)射頻率為0～166.7 Hz且連續(xù)可調(diào)。為測(cè)試近區(qū)磁場(chǎng)，將測(cè)試線圈分別沿x和y軸放置并改變其與磁源的距離，利用示波器獲取測(cè)試線圈在不同方向上的感應(yīng)電勢(shì)U(Ur、Uθ、Uφ)，再根據(jù)電磁感應(yīng)理論得到近區(qū)磁場(chǎng)在x和y軸上對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)分量Br、Bθ和Bφ的時(shí)域波形。當(dāng)測(cè)試線圈位于y軸且r=0.2 m、n=9000 r/min時(shí)，圖10中給出了實(shí)測(cè)Ur的時(shí)域波形。

圖11給出了實(shí)測(cè)Ur峰峰值隨n的變化趨勢(shì)。測(cè)試線圈的感應(yīng)電勢(shì)U=4.44fBN0S，其中B為通過(guò)線圈的磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)，N0和S分別為線圈的匝數(shù)和截面積，并有N0S≈0.63 m2。由于Ur∝n且n= 60f，可知Br為與n無(wú)關(guān)的恒定值。當(dāng)n=7200 r/min且r=0.6 m時(shí)，圖12(a)和圖12(b)分別給出了實(shí)測(cè)近區(qū)磁場(chǎng)在x和y軸方向的衰減特性：x軸方向，Bθ≈Bφ∝1/r3且遠(yuǎn)大于Br；y軸方向，Br≈2Bθ∝1/r3且遠(yuǎn)大于Bφ。對(duì)比式(8)可知，實(shí)測(cè)近區(qū)磁場(chǎng)特性與理論分析基本一致。

采用2FSK調(diào)制進(jìn)行信息加載測(cè)試，給定轉(zhuǎn)速為n1=3600 r/min(f1=60 Hz)和n2=4200 r/min(f2=70 Hz)且分別持續(xù)5 s并周期交替。圖13給出了y軸上r=0.6 m處實(shí)測(cè)Ur的頻域波形。如圖13(c)所示，其頻譜主要包含f1、f2、50 Hz工頻及其高次諧波。由于磁源慣性和PMSM的瞬態(tài)響應(yīng)特性影響，如圖14所示，其轉(zhuǎn)速的階躍響應(yīng)存在延時(shí)振蕩過(guò)程，即反映磁源對(duì)轉(zhuǎn)速給定的動(dòng)態(tài)跟隨特性。對(duì)比圖13(a)和圖13(b)可知，該瞬態(tài)響應(yīng)特性將引入額外噪聲，并限制傳輸速率的提升。

圖10 RMBMA原理樣機(jī)及測(cè)試環(huán)境Fig.10 Prototype of RMBMA and testing environment

圖11 實(shí)測(cè)Ur峰峰值隨n的變化趨勢(shì)Fig.11 Measured peak-to-peak value of Ur with different n

(a) x軸方向(a) Direction of x axis

(b) y軸方向(b) Direction of y axis圖12 實(shí)測(cè)RMBMA的近區(qū)磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)隨r的變化趨勢(shì)Fig.12 Measured magnetic induction intensity of near field for RMBMA with different r

圖14 磁源轉(zhuǎn)速的階躍響應(yīng)示意Fig.14 Step response for magnet speed

5 結(jié)論

基于NdFeB永磁體和PMSM伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)，提出了一種RMBMA技術(shù)方案，通過(guò)構(gòu)建基于電-機(jī)械-電磁能量轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)模型，分析了旋轉(zhuǎn)磁源在無(wú)限大均勻介質(zhì)中產(chǎn)生時(shí)變磁場(chǎng)的分布與衰減特性，對(duì)RMBMA的輻射功率和輻射效率進(jìn)行了初步研究，對(duì)近區(qū)磁場(chǎng)特性進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證?；谏鲜隼碚摵头抡娣治黾皩?shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)其基本特性總結(jié)如下：

1)均勻介質(zhì)中，RMBMA近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)磁場(chǎng)具有不同磁場(chǎng)分布特性。近區(qū)磁場(chǎng)分布近似一個(gè)內(nèi)凹的圓餅，最小方向?yàn)樾D(zhuǎn)軸線方向，最大方向?yàn)樾D(zhuǎn)平面內(nèi)過(guò)原點(diǎn)的任意方向；遠(yuǎn)區(qū)磁場(chǎng)分布為圓球體，呈全向分布特性。

3)基于對(duì)磁源轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)控制，RMBMA可實(shí)現(xiàn)對(duì)FSK和MSK等調(diào)制信號(hào)的信息加載，但轉(zhuǎn)速變化時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)特性將影響發(fā)射信號(hào)質(zhì)量，并限制傳輸速率，具體影響機(jī)理與控制方法還有待進(jìn)一步研究。

(a) 理想頻譜(50～80 Hz)(a) Ideal spectrum(50～80 Hz) (b) 實(shí)測(cè)頻譜(50～80 Hz)(b) Measured spectrum(50～80 Hz) (c) 實(shí)測(cè)頻譜(DC～270 Hz)(c) Measured spectrum(DC～270 Hz)圖13 理想及實(shí)測(cè)的2FSK信號(hào)頻譜Fig.13 Measured and ideal spectrum for 2FSK signal

4)根據(jù)其磁場(chǎng)衰減特性，RMBMA可應(yīng)用于數(shù)百米距離內(nèi)的水下或地下通信，如利用V=3000 cm3、Mr=1.1×106A/m的NdFeB永磁體，在30 Hz～300 Hz的SLF頻段和100 fT的接收?qǐng)鰪?qiáng)條件下，可在海水中實(shí)現(xiàn)427 m～180 m距離內(nèi)的近場(chǎng)或遠(yuǎn)場(chǎng)通信。在一定范圍內(nèi)，通過(guò)增大磁源體積，可進(jìn)一步延長(zhǎng)通信距離，但將相應(yīng)增大驅(qū)動(dòng)功耗。

5)受限于永磁材料和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，當(dāng)前RMBMA還難以實(shí)現(xiàn)類似現(xiàn)有ELF和SLF固定臺(tái)站的遠(yuǎn)距離應(yīng)用，但基于小型化和低功耗優(yōu)勢(shì)，可將ELF和SLF通信手段拓展到對(duì)體積重量和發(fā)射功率有限制的場(chǎng)合，在水下通信和對(duì)地、對(duì)海探測(cè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于RMBMA的研究都還處于起步階段，特別是RMBMA涉及多學(xué)科交叉，其磁源與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在電磁、熱、應(yīng)力等多物理場(chǎng)強(qiáng)耦合，急需在基礎(chǔ)理論、高性能材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)控制以及機(jī)械工程方面取得創(chuàng)新與突破。