基于駐極體材料的機(jī)械天線式低頻通信系統(tǒng)仿真研究

崔 勇 王 琛 宋 曉

1 低頻通信與機(jī)械天線

1.1 低頻通信歷史與現(xiàn)狀

陸上、空中及空間航行器的位置測(cè)量和通信可以利用高頻電磁波,但是由于電磁波的能量更容易被海水吸收,因此在電磁波衰減很快的水下環(huán)境中,水下航行器的定位[1]和通信一般應(yīng)用低頻電磁波來(lái)完成[2].

而在低頻通信發(fā)射系統(tǒng)中,發(fā)射天線是極其重要的組成部分,其性能對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)有著重要影響.現(xiàn)有的低頻/甚低頻天線通常采用電流振蕩的形式發(fā)射電磁波,因此天線需要與饋線連接,通過(guò)饋線提供激勵(lì),使天線內(nèi)形成電流振蕩,完成振蕩源輸出電流與空間波場(chǎng)的能量轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)電磁波的空間輻射,進(jìn)而通過(guò)接收天線將空間波場(chǎng)轉(zhuǎn)換為接收回路電流.此時(shí),對(duì)于低頻/甚低頻信號(hào),由于頻率低,波長(zhǎng)很長(zhǎng),為獲得理想的輻射效果,需要有相當(dāng)于波長(zhǎng)量級(jí)的大尺度發(fā)射天線.因此,采用傳統(tǒng)天線實(shí)現(xiàn)方法需要建設(shè)巨大的發(fā)射天線系統(tǒng),且對(duì)發(fā)射天線架設(shè)場(chǎng)地的地質(zhì)條件有特殊的要求.

以美國(guó)的低頻對(duì)潛通信電臺(tái)為例,卡特勒甚低頻長(zhǎng)波電臺(tái)位于緬因州,負(fù)責(zé)大西洋海域海軍通信.該甚低頻通信站天線系統(tǒng)中心天線桅桿高304 m,輸出功率為1.8 MW;吉姆溪甚低頻長(zhǎng)波電臺(tái)位于華盛頓州,負(fù)責(zé)太平洋海域海軍通信.該低頻通信站天線陣列由10 個(gè)鏈狀電纜線(1 719～2 652 m不等)組成,輸出功率是1.2 MW.由此可見,目前已有的低頻通信系統(tǒng)發(fā)射臺(tái)規(guī)模龐大,存在著體積和功耗較大的問(wèn)題[3].

1.2 機(jī)械天線的發(fā)展趨勢(shì)與研究現(xiàn)狀

采用低頻電磁波與水下航行器通信存在著技術(shù)挑戰(zhàn),最大問(wèn)題是如何實(shí)現(xiàn)低頻電磁波的有效產(chǎn)生,而利用傳統(tǒng)激勵(lì)源振蕩電路的方式產(chǎn)生電磁波的低頻天線,目前存在尺寸和功耗較大的問(wèn)題[4].針對(duì)此問(wèn)題,國(guó)外已開展了相關(guān)研究,進(jìn)行了大量的研究工作,以使天線的尺寸和功耗在不影響效率的情況下降低[5].

2017 年9 月美國(guó)DARPA (美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局)斥資2 300 萬(wàn)美金啟動(dòng)了為期45 個(gè)月的“機(jī)械天線”計(jì)劃(A MEchanically Based Antenna,編號(hào):HR001117S0007),該計(jì)劃擬通過(guò)機(jī)械裝置驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)或磁場(chǎng)產(chǎn)生射頻信號(hào)進(jìn)行傳播,可極大幅度減少低頻導(dǎo)航通信系統(tǒng)發(fā)射天線的體積和功耗,實(shí)現(xiàn)無(wú)線電發(fā)射系統(tǒng)的重大變革性和顛覆性創(chuàng)新.利用特低頻(ULF)和甚低頻(VLF)無(wú)線電波的優(yōu)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略超遠(yuǎn)程、穿透性通信,以克服傳統(tǒng)天線通信方式基礎(chǔ)設(shè)施過(guò)于龐大,缺乏戰(zhàn)略掩護(hù)等缺點(diǎn).同時(shí)可以為陸軍的超視距通信和地下通信提供支撐,顯著減小現(xiàn)有低頻通信設(shè)備的尺寸、重量和功耗.

對(duì)于機(jī)械天線項(xiàng)目,各研究機(jī)構(gòu)紛紛響應(yīng),大多是從電磁波的產(chǎn)生原理入手,改變通過(guò)振蕩電路產(chǎn)生電磁波的傳統(tǒng)方式[6],采用機(jī)械驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)或磁場(chǎng)變化的方式來(lái)產(chǎn)生交變電磁場(chǎng),從而產(chǎn)生通信所需的低頻電磁波.丁春全和宋海洋從經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)理論出發(fā),對(duì)機(jī)械天線的理論基礎(chǔ)—運(yùn)動(dòng)電荷和運(yùn)動(dòng)磁偶極子的輻射問(wèn)題進(jìn)行了分析和研究,推導(dǎo)了輻射場(chǎng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式[7].Prasad 等采用旋轉(zhuǎn)永磁體的方法[8],利用永磁體在旋轉(zhuǎn)中會(huì)產(chǎn)生變化磁場(chǎng)的原理,來(lái)產(chǎn)生低頻電磁波,也取得了較好的效果.并在此基礎(chǔ)上將利用旋轉(zhuǎn)磁體陣列[9]產(chǎn)生低頻電磁波,并對(duì)其傳播特性并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,采用體積為0.1 m3,磁化強(qiáng)度為0.1 T 的永磁體,在X-Y平面內(nèi)繞Z軸旋轉(zhuǎn),當(dāng)產(chǎn)生100 Hz 的電磁波時(shí),在距場(chǎng)源400 m 處檢測(cè)到了100 fT 的磁場(chǎng)強(qiáng)度,證明該方法的可行性.Bickford 提出采用移動(dòng)平行帶電極板的方法產(chǎn)生低頻電磁波[10],即令帶不同電荷的極板平行放置并相對(duì)運(yùn)動(dòng),從而產(chǎn)生變化的電場(chǎng)來(lái)產(chǎn)生低頻電磁波,并以此方法申請(qǐng)了美國(guó)專利.

而該項(xiàng)目立項(xiàng)初期就已經(jīng)被中國(guó)多家新聞媒體報(bào)道,搜狐新聞網(wǎng)國(guó)防科技要聞?lì)l道認(rèn)為該項(xiàng)目將統(tǒng)一美國(guó)戰(zhàn)略部隊(duì)(空軍戰(zhàn)略轟炸機(jī)、聯(lián)隊(duì)指揮部、戰(zhàn)略機(jī)動(dòng)指揮所和洲際導(dǎo)彈系統(tǒng))通用甚低頻通信技術(shù),中國(guó)戰(zhàn)略前沿研究中心將該項(xiàng)目列為2017年DARPA 的最前沿四項(xiàng)技術(shù)之一(水下光纖通信網(wǎng)、小型低成本長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)、機(jī)械天線、巷戰(zhàn)無(wú)人機(jī)集群).目前國(guó)內(nèi)對(duì)于該領(lǐng)域的研究較少,有相關(guān)專利“一種旋轉(zhuǎn)駐極體式機(jī)械天線低頻通信系統(tǒng)”(北京航空航天大學(xué))[11]、“一種低頻天線”(武漢船舶通信研究所)[12]和“基于聲學(xué)駐波諧振結(jié)構(gòu)的小型化低頻/甚低頻發(fā)射天線”(西安電子科技大學(xué))[13].2018 年2 月我國(guó)針對(duì)海軍用的低頻通信領(lǐng)域發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大的問(wèn)題,將“機(jī)械天線技術(shù)”列入了2018 年海軍裝備預(yù)研創(chuàng)新項(xiàng)目.

然而,目前對(duì)于機(jī)械天線項(xiàng)目的研究大多是基于驅(qū)動(dòng)永磁體,而永磁體的重量和體積過(guò)大,需要消耗較多的能量來(lái)驅(qū)動(dòng),復(fù)合聚合物納米材料駐極體與永磁體相比,具有質(zhì)量輕且易于加工等特點(diǎn),因此本文選取駐極體來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械天線所用電荷的貯存.鑒于此,本文研究了一種在驅(qū)動(dòng)機(jī)械裝置上使用極化聚合物駐極體的超低頻(ULF/VLF)信號(hào)發(fā)射天線,同時(shí)采用磁場(chǎng)傳感器接收信號(hào)的機(jī)械天線式低頻通信方法,并從理論解析、仿真建模和實(shí)物測(cè)量三個(gè)部分驗(yàn)證了本文方法的有效性和可行性.

2 機(jī)械天線解析模型

2.1 整體結(jié)構(gòu)

本文所研究的基于復(fù)合聚合物駐極體納米材料的機(jī)械天線式低頻通信方法整體結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示.

低頻電磁波產(chǎn)生模塊(圖1)主要由駐極體圓盤和驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成.通過(guò)電暈放電技術(shù),讓放電尖端均勻的在駐極體表面放電,并在放電一段時(shí)間后,改變電荷種類,使駐極體一部分帶均勻的正電荷,另一部分帶均勻的負(fù)電荷.而駐極體是弛豫時(shí)間較長(zhǎng)的處于亞穩(wěn)態(tài)極化了的電介質(zhì)[14],跟其他電介質(zhì)不同,駐極體受強(qiáng)外電場(chǎng)作用后其極化不隨外電場(chǎng)去除而完全消失,出現(xiàn)極化電荷“永久”存在于電介質(zhì)表面和體內(nèi)的現(xiàn)象,因此駐極體能夠長(zhǎng)期儲(chǔ)存偶極電荷或空間電荷(包括表面電荷和體電荷).同時(shí),駐極體具有體電荷特性,不同于摩擦起電,既出現(xiàn)在駐極體表面,也存在于其內(nèi)部.若把駐極體表面去掉一層,新表面仍有電荷存在;若把它切成兩半,就成為兩塊駐極體.這一點(diǎn)可與永久磁體相類比,因此駐極體又稱永電體,而若采用多層駐極體結(jié)構(gòu)可以存儲(chǔ)更多電荷[15].

然后通過(guò)機(jī)械天線中的電機(jī),驅(qū)動(dòng)帶電駐極體一同繞幾何中心旋轉(zhuǎn),從而形成變化的低頻電磁場(chǎng),產(chǎn)生交變低頻磁場(chǎng)信號(hào).再將所需通信信號(hào)加載于低頻磁場(chǎng)信號(hào)上向接收方向發(fā)射[16],同時(shí)采用高精度高靈敏度微弱磁場(chǎng)傳感器[17?18]接收混合磁場(chǎng)信號(hào),最后通過(guò)解調(diào)混合磁場(chǎng)信號(hào)得到所需通信信號(hào)完成低頻無(wú)線通信過(guò)程.

當(dāng)帶電駐極體的角速度方向?yàn)榇怪奔埫嫦蛲?即帶電駐極體繞圓心所在的軸線自轉(zhuǎn)時(shí),轉(zhuǎn)到圖1所示位置時(shí),帶正電的半圓的電流方向向上,在半圓右側(cè)產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向?yàn)榇怪奔埫嫦蛲?在半圓左側(cè)產(chǎn)生的方向?yàn)榇怪奔埫嫦蚶?同理可得,此時(shí),帶負(fù)電的半圓的轉(zhuǎn)動(dòng)方向向下,電流方向依然向上,在半圓右側(cè)產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向?yàn)榇怪奔埫嫦蛲?在半圓左側(cè)產(chǎn)生的方向?yàn)榇怪奔埫嫦蚶?因此,在帶電駐極體自轉(zhuǎn)時(shí),其帶不同電荷的兩部分所產(chǎn)生的磁場(chǎng)是相互疊加增強(qiáng)的,能夠產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場(chǎng)信號(hào),有利于無(wú)線通信的傳輸.

選用低頻磁場(chǎng)信號(hào)來(lái)進(jìn)行通信而不是電場(chǎng)信號(hào)的原因是強(qiáng)導(dǎo)電介質(zhì)中的電磁波將大部分能量存儲(chǔ)在磁場(chǎng)中,而且此頻率范圍內(nèi)對(duì)于磁場(chǎng)信號(hào)的背景干擾水平較低[19],因此能夠捕捉到微小的磁場(chǎng)信號(hào),精確度高,而若采用電場(chǎng)信號(hào)通信,勢(shì)必會(huì)在傳播過(guò)程中受到外界環(huán)境的干擾和衰減,影響低頻無(wú)線通信的質(zhì)量.

2.2 磁場(chǎng)計(jì)算

根據(jù)畢奧?薩伐爾定律知,帶電量為q的點(diǎn)電荷產(chǎn)生的磁場(chǎng)B與距離l的關(guān)系式:

采用積分法對(duì)整個(gè)圓盤進(jìn)行積分,如圖2 所示,取A點(diǎn)的面積微元dS(r,θ)在接收點(diǎn)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小dB為:

圖2 磁場(chǎng)計(jì)算示意圖Fig.2 Schematic diagram of magnetic field calculation

其中ρ為駐極體表面電荷密度,v⊥是垂直于的線速度分量,ω 是圓盤的旋轉(zhuǎn)角速度.

整個(gè)圓盤旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小B為:

其中R為帶電駐極體的圓盤半徑.以上可以看出,所產(chǎn)生磁場(chǎng)的大小與轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和圓盤半徑的三次方成正比,同時(shí)以傳播距離平方的倒數(shù)衰減;而如果磁場(chǎng)強(qiáng)度固定不變,傳播距離與成正比.這就意味著,在實(shí)際應(yīng)用中,如果磁場(chǎng)接收器的靈敏度不夠高時(shí),可以通過(guò)增大駐極體圓盤的半徑和旋轉(zhuǎn)角速度來(lái)產(chǎn)生更大的磁場(chǎng).

2.3 傳播衰減

電磁波的磁場(chǎng)分量大小B在介質(zhì)中的傳播衰減公式為:

其中B0為場(chǎng)源處磁場(chǎng)分量,α為衰減系數(shù),β為相位系數(shù),l為傳播距離,ω為電磁波頻率,φ為初始相位角.

聯(lián)立(3)、(4)得,機(jī)械天線在距離l處產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小B公式為:

根據(jù)式(5),取駐極體表面電荷密度為ρ=3 400 nC/cm2(數(shù)據(jù)來(lái)自于美國(guó)DARPA 局機(jī)械天線項(xiàng)目),駐極體圓盤半徑為0.5 m,海水的相對(duì)磁導(dǎo)率μr=1,電導(dǎo)率σ=4 S/m,在MATLAB 軟件中建立理論解析模型,改變圓盤旋轉(zhuǎn)角速度,即改變所產(chǎn)生的電磁波頻率得圖3.

圖3 海水中不同頻率電磁波傳播示意圖Fig.3 Schematic diagram of electromagnetic wave propagation at different frequencies in seawater

從圖3 中可以看出,較高頻率的電磁波在近場(chǎng)源處產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)較大,但是由于海水是良導(dǎo)體,衰減系數(shù)與電磁波頻率有關(guān),頻率越高衰減越多,因此在傳播過(guò)程中場(chǎng)強(qiáng)漸漸小于較低的頻率電磁波,下降趨勢(shì)越來(lái)越快.以100 Hz 的電磁波為例,雖然在近處產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)較小,但是傳播距離較遠(yuǎn),在100 m 處才衰減到約為10?11T,此時(shí)采用磁場(chǎng)傳感器接收磁場(chǎng)信號(hào)能夠滿足通信需要.

2.4 功率計(jì)算

本文所提出的旋轉(zhuǎn)駐極體式機(jī)械天線在正常工作時(shí)需要消耗的功率也是在機(jī)械天線設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的重要因素之一,消耗功率計(jì)算如下:

其中,PM-ant為機(jī)械天線所消耗的總功率,Pf為旋轉(zhuǎn)時(shí)克服介質(zhì)中摩擦阻力所做的功率,Pr為加速機(jī)械天線到指定轉(zhuǎn)速時(shí)所消耗的轉(zhuǎn)動(dòng)功率,PEM為機(jī)械天線發(fā)射出的電磁波所攜帶能量的功率.

三種功率的具體計(jì)算公式如下:

其中,ω為機(jī)械天線轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,τf為機(jī)械天線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)摩擦阻力矩,J為機(jī)械天線轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,t為加速到ω轉(zhuǎn)速時(shí)所需要的時(shí)間,E0、H0、S0分別為機(jī)械天線外殼處的電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度和球面面積.由于在機(jī)械天線穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)時(shí)Pr=0,因此本文重點(diǎn)研究第一種和第三種功率,即克服介質(zhì)中摩擦阻力所做的功率Pf和機(jī)械天線發(fā)射出的電磁波所攜帶能量的功率PEM.

以圓筒結(jié)構(gòu)機(jī)械天線在空氣中旋轉(zhuǎn)為例,在圓筒的側(cè)面和底面上取微元,然后通過(guò)積分得到:

其中,cf為摩擦阻力系數(shù),ρa(bǔ)ir為空氣密度,R為圓筒半徑,H為圓筒高度.

根據(jù)Prandtl-Schlichting 公式得到cf的計(jì)算公式:

而Schlichting 在 《邊界層理論》 中提到,對(duì)于旋轉(zhuǎn)體,可采用統(tǒng)一的雷諾數(shù),則簡(jiǎn)化為:

將式(10)～(12)代入式(7)中可得,圓筒型機(jī)械天線在正常工作時(shí)克服空氣摩擦阻力所消耗的功率為:

為了研究各參數(shù)對(duì)于機(jī)械天線在正常工作時(shí)克服摩擦阻力所消耗功率的影響,改變參數(shù)的不同取值,根據(jù)式(13)作出如下曲線圖,如圖4 所示.

圖4 各參數(shù)對(duì)克服摩擦阻力所消耗功率的影響Fig.4 The influence of various parameters on the power consumption to overcome friction resistance

如圖4 所示,其中橫坐標(biāo)指的是在機(jī)械天線圓筒外殼的半徑R或者高度H之一不變的情況下,另一參數(shù)在特定轉(zhuǎn)動(dòng)角速度下的變化對(duì)功率消耗的影響.可以看出,機(jī)械天線在正常工作時(shí)克服摩擦阻力所消耗功率近似與圓筒高度、轉(zhuǎn)速3 次方和半徑4 次方成正比,且在同一頻率下,高度的變化對(duì)功率影響比半徑小.在圖4 中黑色交點(diǎn)處,兩條曲線的參數(shù)分別是H=0.5 m,轉(zhuǎn)速100 Hz,R=0.25 m與R=0.5 m,轉(zhuǎn)速50 Hz,H=0.25 m,而二者相交即此時(shí)功率相等,可以說(shuō)明細(xì)高形的圓筒能在較大的轉(zhuǎn)速頻率下有較小的摩擦阻力功率消耗.

針對(duì)第三種功率PEM,即機(jī)械天線發(fā)射出的電磁波所攜帶能量的功率的分析如下:

其中,其中B0為機(jī)械天線外殼處磁感應(yīng)強(qiáng)度,c為光速,μ為介質(zhì)磁導(dǎo)率.

由式(14)可得,高度和半徑對(duì)機(jī)械天線發(fā)射出的電磁波所攜帶能量功率的影響相同,都為2 次方.

經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn),第一種功率Pf比第三種功率PEM大將近4 個(gè)數(shù)量級(jí),在同一幾何尺寸下發(fā)射100 Hz 電磁波,機(jī)械天線克服摩擦阻力功率為15.47 W,而其所發(fā)射出的電磁波所攜帶能量的功率僅為0.0012 W.

3 機(jī)械天線有限元模型

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文所述的基于駐極體材料機(jī)械天線式低頻通信方法的理論正確性,本文在理論分析的基礎(chǔ)上,采用有限元模型[20]仿真結(jié)果與理論解析模型的結(jié)果相對(duì)比的方法,利用有限元建模仿真軟件COMSOL Multiphysics 建立基于旋轉(zhuǎn)駐極體的機(jī)械天線模型.

3.1 機(jī)械天線有限元模型的建立與結(jié)果分析

在COMSOL 軟件中通過(guò)選用三維磁場(chǎng)模塊,將所用的元件按照幾何尺寸添加到工作區(qū),同時(shí)選擇相應(yīng)的材料特性,施加約束條件以及劃分網(wǎng)格等操作,建立了基于旋轉(zhuǎn)駐極體的機(jī)械天線有限元模型,其模型網(wǎng)格剖分圖如圖5 所示.

圖5 機(jī)械天線三維模型網(wǎng)格剖分圖Fig.5 Mesh generation of three-dimensional model of mechanical antenna

圖5 的中心即為機(jī)械天線,為了定量分析,在理論解析模型[21]和有限元模型中選用相同的參數(shù),機(jī)械天線外殼高度為50 cm,半徑為20 cm,在傳播介質(zhì)為空氣中研究1 kHz 電磁波與傳播距離的關(guān)系,得到兩種模型的結(jié)果對(duì)比圖,如圖6 所示.

從圖6 可以看出,兩種模型的結(jié)果圖曲線趨勢(shì)相同,數(shù)值近似,能夠驗(yàn)證解析模型與有限元模型的正確性.二者存在的誤差主要是由于理論解析模型里只考慮了電生磁的初步電磁轉(zhuǎn)換,而忽略了后續(xù)磁生電的二次效應(yīng)等,這在之后的研究中將做進(jìn)一步的改進(jìn).

圖6 有限元模型與理論解析模型的結(jié)果對(duì)比圖Fig.6 Comparisons of results between finite element model and theoretical analytical model

在驗(yàn)證有限元模型的正確性后,基于該模型改變不同傳播介質(zhì),以產(chǎn)生1 kHz 磁場(chǎng)信號(hào)為例,得到如下傳播效果圖,如圖7 所示.

圖7 機(jī)械天線不同介質(zhì)傳播效果圖Fig.7 The propagation of different media of mechanical antenna

從圖7 可以看出,在不同的介質(zhì)中,機(jī)械天線產(chǎn)生相同條件下的電磁波的傳播效果不同,在土壤中傳播效果最好,衰減最慢,傳播距離較遠(yuǎn),而海水由于是良導(dǎo)體,對(duì)于電磁波的吸收較其他兩種介質(zhì)較多,因此傳播效果較差,這點(diǎn)與理論解析結(jié)果一致.同時(shí)可以看出本文所研究的基于駐極體材料低頻通信機(jī)械天線在土壤中也能夠傳播較遠(yuǎn)的距離,如果采用高精度高靈敏度微弱磁場(chǎng)傳感器接收磁場(chǎng)信號(hào),便可實(shí)現(xiàn)陸地遠(yuǎn)距離通信和透地通信.

3.2 兩種機(jī)械天線比較

由于目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于機(jī)械天線式低頻通信方法研究較多集中在旋轉(zhuǎn)永磁體式,旋轉(zhuǎn)永磁體產(chǎn)生低頻電磁波的原理與駐極體類似,都是通過(guò)機(jī)械裝置驅(qū)動(dòng)電磁場(chǎng)變化從而激發(fā)出低頻電磁波,本文選取一種具有代表性的旋轉(zhuǎn)永磁體式機(jī)械天線與旋轉(zhuǎn)駐極體式相比較,分析兩者的優(yōu)缺點(diǎn).

根據(jù)文獻(xiàn)[22]中旋轉(zhuǎn)永磁體式機(jī)械天線的仿真結(jié)果,在本文的機(jī)械天線有限元模型中選用同樣的參數(shù)進(jìn)行比較,即尺寸20 mm × 60 mm,剩磁為1.2 T,在距離天線1 m 處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為7×10?11T,圖8 為仿真結(jié)果比較圖.

圖8 兩種機(jī)械天線仿真結(jié)果比較圖Fig.8 Comparison of simulation results of two kinds of mechanical antennas

圖8 中選用兩種不同的駐極體材料FEP 和SiO2,仿真其單層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨傳播距離的變化.從圖中可以看出,即使采用目前表面電荷密度最大的SiO2駐極體,其單層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值也不及旋轉(zhuǎn)永磁體,但在同一數(shù)量級(jí).雖然旋轉(zhuǎn)永磁體式機(jī)械天線產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度信號(hào)的幅值比旋轉(zhuǎn)駐極體式機(jī)械天線大,但旋轉(zhuǎn)駐極體比永磁體有如下優(yōu)勢(shì):

1)旋轉(zhuǎn)駐極體式機(jī)械天線可以通過(guò)多層駐極體結(jié)構(gòu)和改變電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)改變產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度信號(hào)的幅值,即可用調(diào)幅的方式來(lái)調(diào)制通信信號(hào),而旋轉(zhuǎn)永磁體式機(jī)械天線由于剩磁和尺寸已固定,且場(chǎng)強(qiáng)幅值與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān),想改變產(chǎn)生磁場(chǎng)的幅值較為困難.

2)旋轉(zhuǎn)駐極體式機(jī)械天線可以通過(guò)多瓣結(jié)構(gòu)來(lái)提高產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度信號(hào)的頻率,作為通信載波時(shí)可以拓寬信號(hào)帶寬,提高通信質(zhì)量.

3)旋轉(zhuǎn)駐極體式機(jī)械天線中,駐極體和支撐材料均可選用柔性材料,制成的天線具有可折疊易于攜帶等優(yōu)點(diǎn).

4 機(jī)械天線測(cè)試平臺(tái)與實(shí)測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)上文所設(shè)計(jì)的基于旋轉(zhuǎn)駐極體式機(jī)械天線低頻通信方法的理論和仿真結(jié)果,機(jī)械天線樣機(jī)測(cè)試平臺(tái)整體思路如圖9 所示.

圖9 樣機(jī)測(cè)試平臺(tái)整體思路圖Fig.9 Overall idea of prototype test platform

如圖9 所示,整個(gè)機(jī)械天線樣機(jī)測(cè)試平臺(tái)由控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電機(jī)、旋轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)、駐極體材料、光電傳感模塊、鎖相放大器以及磁通門計(jì)組成.其中,嵌入式控制器控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路,使電機(jī)帶動(dòng)所述旋轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)一同旋轉(zhuǎn);駐極體材料在經(jīng)過(guò)電暈極化后,帶不同種類電荷,粘附在旋轉(zhuǎn)材料上;磁通門計(jì)是具有較高測(cè)量靈敏的磁場(chǎng)傳感器,能夠測(cè)量較小的磁場(chǎng)信號(hào),用來(lái)接收包含地磁和電機(jī)磁部分干擾的磁場(chǎng)混合信號(hào);光電傳感模塊能夠通過(guò)光電反射測(cè)量駐極體旋轉(zhuǎn)速度,并將其轉(zhuǎn)速信號(hào)送入鎖相放大器;鎖相放大器能夠以光電轉(zhuǎn)速信號(hào)為參考頻率,在磁場(chǎng)混合信號(hào)中提取特定頻率的磁場(chǎng)信號(hào)并通過(guò)濾波放大等信號(hào)處理方法解調(diào)通信信號(hào),實(shí)現(xiàn)低頻通信功能.

基于上述思路,研制機(jī)械天線樣機(jī)及測(cè)試平臺(tái),得到測(cè)試結(jié)果與有限元模型仿真結(jié)果比較如圖10所示.

圖10 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果比較圖Fig.10 Comparison diagram of measured data and simulation results

如圖10 所示,可以看到,仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果曲線趨勢(shì)相同,數(shù)值近似,結(jié)果較為一致,從實(shí)際應(yīng)用層面驗(yàn)證了本文所述基于駐極體機(jī)械天線式低頻通信方法的有效性和可行性.

5 結(jié)論與展望

水下航行器是海洋信息網(wǎng)絡(luò)體系的重要組成部分,但目前與其進(jìn)行低頻通信存在技術(shù)挑戰(zhàn).針對(duì)低頻通信領(lǐng)域中發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大的問(wèn)題,本文提出了一種基于復(fù)合聚合物駐極體納米材料的機(jī)械天線式低頻通信方法.與傳統(tǒng)天線相比,機(jī)械天線體積小、重量輕,具有抗破壞性強(qiáng)、移動(dòng)性強(qiáng)、隱蔽性好等優(yōu)點(diǎn).本文對(duì)所述方法進(jìn)行了理論推導(dǎo),建立了機(jī)械天線電磁傳播的解析模型,定量分析了機(jī)械天線所產(chǎn)生的低頻磁場(chǎng)信號(hào),推導(dǎo)出其數(shù)學(xué)計(jì)算公式,并討論了其功率消耗,又利用多物理場(chǎng)有限元仿真軟件建立了有限元模型,并通過(guò)理論解析模型和多物理場(chǎng)有限元模型的雙重仿真結(jié)果的一致性,以及仿真計(jì)算結(jié)果與機(jī)械天線樣機(jī)的實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比,驗(yàn)證了所提方法的可行性.

但本方法仍存在些許不足和局限,在機(jī)械天線產(chǎn)生和發(fā)射磁場(chǎng)信號(hào)的理論計(jì)算過(guò)程中只考慮了電生磁的初步電磁轉(zhuǎn)換,而忽略了之后磁生電的二次效應(yīng)等;在有限元模型分析的后續(xù)研究中可根據(jù)實(shí)際情況增加驅(qū)動(dòng)電機(jī)和支撐機(jī)構(gòu)的材料和剩磁等參數(shù)對(duì)駐極體式機(jī)械天線所產(chǎn)生磁場(chǎng)的影響,從而根據(jù)仿真分析結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化樣機(jī)的設(shè)計(jì);同時(shí)在后續(xù)的研究中可把調(diào)制解調(diào)因素即在機(jī)械天線所產(chǎn)生發(fā)射的磁場(chǎng)信號(hào)上加載通信信號(hào)時(shí)的具體情況納入理論計(jì)算和仿真模型的分析中,進(jìn)一步完善本文所研究的基于駐極體機(jī)械天線式低頻通信方法.