1、超低频天线最优波束成形设计研究马 帅*高梦迪 曹世昱 方 啸 张冠杰 王洪梅 李世银(中国矿业大学信息与控制工程学院 徐州 221116)(东南大学移动通信国家重点实验室 南京 210096)(西安邮电大学陕西省信息通信网络及安全重点实验室 西安 710121)摘 要：针对现有超低频天线发射端单一化缺陷和通信距离受限瓶颈，为实现超低频电磁发信系统的小型化和远距离传输，该文对旋转式永磁体机械天线的超低频电磁发信技术进行了理论创新和工程实践。探究多输入单输出(MISO)场景下超低频多机械天线电磁辐射理论，建立了基于三相感应电机的多机械天线阵列的空间磁场分布模型。仿真结果表明：利用三相感应电机组成的
2、2元机械天线阵列可使磁感应强度在近场提高3 dB。该文还提出了多天线超低频近场最优波束成型技术。仿真结果表明：当天线之间的初始相位相等时径向接收磁场分量场强最大。设计高精度同步技术并搭建原理样机进行测试，实验结果表明：发送端采用2元天线组阵，信号功率提高6 dBm，传输距离可达50 m。关键词：旋转永磁体机械天线；波束成形；相位同步中图分类号：TN91文献标识码：A文章编号：1009-5896(2023)04-1338-08DOI:10.11999/JEIT220119Research on Optimal Beamforming Design of Ultra-lowFrequency An
3、tennaMA Shuai GAO Mengdi CAO Shiyu FANG Xiao ZHANG Guanjie WANG Hongmei LI Shiyin(School of Information and Control Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China)(National Mobile Communications Research Laboratory,Southeast University,Nanjing 210096,China)(Shaanxi Provinc
4、e Information and Communications Network and Security Laboratory,Xian University of Posts and Telecommunications,Xian 710121,China)Abstract:Considering the single defect of the transmitter of the existing mechanical ultra-low frequencyantenna and the bottleneck of limited communication distance,In o
5、rder to realize the miniaturization and long-distance transmission of ultra-low frequency electromagnetic signaling system,the theoretical innovation andengineering practice of low-frequency electromagnetic signaling technology of rotating permanent magnetmechanical antenna are carried out.The elect
6、romagnetic radiation theory of ultra-low frequency multimechanical antenna in Multiple Input Single Output(MISO)scenario is explored,and the spatial magnetic fielddistribution model of multi mechanical antenna array based on three-phase induction motor is established.Thesimulation results show that
7、the magnetic induction intensity can be increased by 3 dB in the near field byusing the mechanical antenna array composed of three-phase induction motor.The ultra-low frequency near-field optimal beamforming technology with multiple mechanical antennas is proposed,The simulation resultsshow that whe
8、n the initial phases between the antennas are equal,the field strength of the radial receivedmagnetic field component is the largest.High precision synchronization is designed and principle prototype issetted up for testing,The experimental results show that the signal power increased by 6 dBm and t
9、ransmission 收稿日期：2022-01-27；改回日期：2022-06-28；网络出版：2022-07-01*通信作者：马帅基金项目：东南大学移动通信国家重点实验室开放研究基金(2021D02)Foundation Item:The Open Research Fund of National Mobile Communications Research Laboratory,Southeast University(2021D02)第45卷第4期电 子 与 信 息 学 报Vol.45No.42023年4月Journal of Electronics&Information Tech
10、nologyApr.2023distance can reach 50 m by using binary antenna array.Key words:Rotating magnet antenna;Beamforming;Phase synchronization 1 引言超低频电磁波的频率小于30 kHz，波长大于10 km，具有传播能力强、传播稳定和抗干扰能力强的优点，在透地通信、地质勘探等领域具有巨大的应用前景1。但该频段波长非常大，根据楚哈林顿(Chu-Harrington)2,3极限，传统天线尺寸越小，辐射效率越低，因此要获得理想辐射效果，传统发射天线皆为大尺度天线。另外，该频
11、段天线辐射品质因数高，带宽窄，必须引入匹配网络进行阻抗匹配，但增加了损耗电阻，进一步降低了天线的辐射效率4。这些因素严重限制了低频通信系统的发展，因此针对传统发射天线尺寸大、辐射效率低、能耗大等瓶颈问题，亟需创新低频电磁发射的新理论和新技术。为解决现有低频通信系统存在的问题，2017年9月，美国国防部高级研究计划局(Defense Ad-vanced Research Projects Agency,DARPA)启动了为期45个月的“机械天线”计划5,6(A MEchani-cally Based Antenna,AMEBA)。相对于传统天线技术其辐射原理是通过机械驱动驻极体或永磁体机械振动或
12、旋转并发射电磁波的新型发信技术，且不存在高电抗问题，避免阻抗匹配及由此带来的匹配损耗，同时作为机械系统，没有额外能量转换损耗，有利于进一步提高辐射效率，有望实现高效小型化的低频发信系统。Q针对机械天线项目，加州大学的Selvin等人7研究了永磁体旋转的电磁辐射机理，并提出了基于旋转永磁体阵列来进一步突破Chu-Harrington极限的机械天线技术方案，虽给出了对应的 值极限公式8，但并未进行实测。为提升旋转电荷或永磁体产生的磁场，密歇根大学Barani和Sarabandi9提出了利用磁电介质谐振的磁场增强方法。犹他大学的Fawole和Tabib-Azar10在旋转永磁体的基础上，通过引入有源
13、电磁偏置，提出了一种可增强其输出磁场强度的技术方案，结果表明：输出频率22 Hz时，1 m处磁场强度为0.6 T，虽提高了磁场强度，但传输距离仅为1 m。美国科罗拉多大学丹佛分校11通过在多个永磁体附近旋转软磁材料，使永磁体所产生的磁场发生畸变来产生所需的磁信号，但实测传输距离仅为5 m。美国加州大学洛杉矶分校12虽使用多个小型永磁体代替了单一大型永磁体，降低了机械能密度，使天线能够拥有较大的频率调节范围，但并没有提高输出磁场强度。西安电子科技大学弓树宏团队13对旋转永磁体进行了理论建模，研究其在均匀有损介质中的时变电磁场分布与衰减特性，并对其近场分布特性进行了仿真和实验验证，但仅陆地传输30
14、 m技术指标。国防科技大学的周强等人14对旋转永磁体的电磁辐射机理进行了研究，提出了基于钕铁硼永磁体和旋转伺服驱动系统的机械天线(Mechanical Antenna,MA)技术方案，但并未进行实测。为增强输出磁场强度，进一步提高传输距离，本文基于旋转磁偶极子运动特性，探究多输入单输出(Multiple Input Single Output,MISO)场景下超低频多机械天线电磁辐射理论，建立了基于三相感应电机的多机械天线阵列的空间磁场分布模型，通过仿真给出了阵列天线近场磁感应强度辐射特性。除此之外，提出了多机械天线超低频近场最优波束成型技术，同时设计高精度同步技术并搭建原理样机进行测试，实验
15、结果表明：采用2元天线组阵，比单一天线发射功率提高6 dBm，传输距离可达50 m。2 系统模型 2.1 三相感应电机qm三相感应电机发射天线可等效为旋转的磁场，并且磁感应强度为1.5倍绕组电流流入线圈时产生的磁感应强度，如图1所示。假设绕组电流流入线圈时等效磁荷大小为。Q=1.5qmlm0=Qlm带等量异种磁荷的旋转磁偶极子在x-y平面绕z轴逆时针旋转，角速度为，异种磁荷之间的距离为，初始位置与x轴平行且正磁荷在x轴正半轴，令，则磁偶极矩为m=m0(cos(t)x+sin(t)y)(1)xyHr其中，和 分别表示x轴正方向的单位向量和y轴正方向的单位向量。通过磁偶极矩可以计算出三相感应电机磁
16、场。其近场磁场的 分量、分量和分量分别为 图 1 等效磁荷辐射机理示意图第4期马 帅等：超低频天线最优波束成形设计研究1339Hr=m02r3sin(cos jsin)r(2a)H=m04r3(coscos jcossin)(2b)H=m04r3(sin+jcos)(2c)m0=1.5qmllrrr其中，不同磁荷之间的距离表示为。为磁导率，为距磁偶极子中心的距离，为介质中的波束。,和分别代表球坐标系 方向、方向和 方向3个自由度的单位向量。HHxyz将转换到直角坐标系中，的 分量、分量和 分量可以表示为Hx=m04r5(2x2 y2 z2)3jxyx(3a)Hy=m04r53xy j(2y2 x2 z2)y(3b)Hz=3m04r5(xz jyz)z(3c)x yzrx yzxyz其中，,和 分别表示 在直角坐标系x轴、y轴和z轴的投影。,和 分别代表 方向、方向和 方向的单位向量。2.2 多机械天线近场模型HM多机械天线(Multi Mechanical Antenna,MMA)是将机械天线(Mechanically Antenna,MA)阵列单元按照特定摆放位置进行组阵的天线形式。
