一种无线通信装置的制作方法

本发明涉及超声波传输领域，特别涉及一种无线通信装置。

背景技术：

在某些工业或军事应用中，需要穿透密封的金属舱体或容器(如航天器、高压氧舱、核反应装置等)的外壳传输信息，受这些舱体和容器的金属外壳的屏蔽效应的限制，利用电磁波作为信息载体的传统无线通信技术均无法使用。当前最普遍、最直接的做法是在这些金属舱体或容器的外壳上打孔进行有线的通信，这样就破坏了金属外壳的结构完整性，从而不可避免地降低其安全系数，增加维护成本。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种无线通信装置，利用超声波有效地穿透密封金属舱体和容器的外壳传输信息，实现在不破坏金属舱体或容器的外壳完整性的情况下，信息高速无误的传输。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种无线通信装置，包括至少一个超声波通道，每个所述超声波通道包括设置在金属屏障一侧的第一换能器和连接所述第一换能器的第一信号处理电路，设置在金属屏障另一侧的第二换能器和连接所述第二换能器的第二信号处理电路。

作为优选，所述第一换能器与金属屏障直接接触或之间设置空气隙，所述第二换能器和金属屏障直接接触或之间设置空气隙。

作为优选，所述第一信号处理电路和第一换能器之间设置第一阻抗匹配电路，所述第二信号处理电路和第二换能器之间设置第二阻抗匹配电路。

作为优选，所述第一信号处理电路包括第一射频(rf)开关以及一条发射端信号处理电路和至多一条接收端信号处理电路，所述第一射频开关一端电连接所述第一阻抗匹配电路，另一端电连接所述一条发射端信号处理电路和至多一条接收端信号处理电路。所述第二信号处理电路包括第二射频开关以及一条接收端信号处理电路和至多一条发射端信号处理电路，所述第二射频开关一端电连接所述第二阻抗匹配电路，另一端电连接所述一条接收端信号处理电路和至多一条发射端信号处理电路。

作为优选，所述发射端信号处理电路包括第一现场可编程门阵列(fpga)、第一数/模转换器(dac)和功率放大器(pa)，所述第一现场可编程门阵列、第一数/模转换器、功率放大器，以及第一射频开关或第二射频开关依次电连接，选择数字信号作为信源，输入第一fpga，第一fpga对输入的信号进行编码、调制、滤波等处理后，输出信号至第一dac转换为模拟信号，再经pa、第一rf开关或第二rf开关输出。

作为优选，当信源为模拟信号时，所述发射端信号处理电路还包括第一模/数转换器(adc)，所述第一模/数转换器电连接所述第一现场可编程门阵列，模拟信号输入时，先经过所述第一adc进行模数转换为数字信号之后，输入第一fpga进行编码、调制、滤波等处理。

作为优选，所述接收端信号处理电路包括衰减器、低噪声放大器(lna)、第二模/数转换器和第二现场可编程门阵列，所述第一射频开关或第二射频开关、衰减器、低噪声放大器、第二模/数转换器和第二现场可编程门阵列之间依次电连接，信号输出至所述衰减器，经过所述衰减器和lna调整至合适的幅度，再经第二adc转换为数字信号送至第二fpga，第二fpga中的信号处理电路对信号进行滤波、同步、解调、均衡、解码等处理，还原出原始信号，最后以数字信号的形式直接输出。

作为优选，所述接收端信号处理电路还包括第二数/模转换器，所述第二数/模转换器电连接所述第二现场可编程门阵列，第二fpga输出的数字信号经所述第二dac转换成模拟信号输出。

作为优选，所述第一换能器和第二换能器均使用电磁式声换能器。

作为优选，所述电磁式换能器包括磁铁和线圈，所述磁铁的静磁场方向与金属屏障的表面垂直，所述线圈设置为扁平线圈。

作为优选，所述电磁式换能器包括磁铁和线圈，所述线圈的有效区域与磁场相互垂直，并与金属屏障表面相互平行。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明所述无线通信装置采用不在人耳听觉范围内的超声波作为信息转换媒介穿越金属屏障用于信息传递，实现在不破坏金属屏障完整性的情况下，信息高速无误的传输。所述无线通信装置采用电磁式声换能器，实现与金属屏障的非接触式超声发射和接收，减少所述无线通信装置的安装工序，同时实现快速拆卸，降低了成本。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。在附图中：

图1是本发明实施例一的无线通信装置的结构示意图；

图2是本发明实施例一的电磁式声换能器的结构示意图；

图3是本发明实施例二的无线通信装置的结构示意图。

图中所示：1、金属屏障；2、第一换能器；21、磁铁；22、线圈；3、第二换能器；41、第一模/数转换器；42、第一现场可编程门阵列；43、第一数/模转换器；44、功率放大器；52、衰减器；53、低噪声放大器；54、第二模/数转换器；55、第二现场可编程门阵列；56、第二数/模转换器；6、第一阻抗匹配电路；7、第二阻抗匹配电路；8、第一射频开关；9、第二射频开关。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施例。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例一

请参见图1和图2，一种无线通信装置，包括至少一个超声波通道，每个所述超声波通道包括设置在金属屏障1一侧的第一换能器2和连接所述第一换能器2的第一信号处理电路，设置在金属屏障另一侧的第二换能器3和连接所述第二换能器3的第二信号处理电路。所述第一换能器2和第二换能器3均使用电磁式声换能器，换能器与金属屏障直接接触，或者不接触使得换能器与金属屏障之间有空气隙，相比使用压电换能器的系统，采用电磁式声换能器无需换能器与金属屏障间的良好耦合，减少安装工序，同时实现快速拆卸，降低了成本。所述电磁式声换能器包括磁铁21和线圈22，参见图2(a)，所述磁铁21的静磁场方向与金属屏障1的表面垂直，所述线圈22设置为扁平线圈，从而可以激发径向偏振剪切波，图2(a)中仅示意磁铁和线圈的设置位置，不限定磁铁中n极s极的相对位置，参见图2(b)，所述线圈22的有效区域与磁场相互垂直，并与金属屏障1表面相互平行，从而可以激发线性偏振纵波。

为了减小通道中的电反射，一方面提高通道中的传输效率，另一方面避免损坏第一换能器2和第二换能器3，在信号输入第一换能器2和第二换能器3时，都需要进行阻抗匹配，在所述第一信号处理电路和第一换能器2之间设置第一阻抗匹配电路6，在所述第二信号处理电路和第二换能器3之间设置第二阻抗匹配电路7。

所述第一信号处理电路包括第一射频开关8以及一条发射端信号处理电路和至多一条接收端信号处理电路，所述第一射频开关8一端电连接所述第一阻抗匹配电路6，另一端电连接所述一条发射端信号处理电路和至多一条接收端信号处理电路。所述第二信号处理电路包括第二射频开关9以及一条接收端信号处理电路和至多一条发射端信号处理电路，所述第二射频开关9一端电连接所述第二阻抗匹配电路7，另一端电连接所述一条接收端信号处理电路和至多一条发射端信号处理电路。所述第一信号处理电路和第二信号处理电路对应设置。

所述发射端信号处理电路包括第一模/数转换器41、第一现场可编程门阵列42、第一数/模转换器43和功率放大器44，所述第一模/数转换器41、第一现场可编程门阵列42、第一数/模转换器43、功率放大器44，以及第一射频开关8或第二射频开关9依次电连接。发射端信源可以是一个模拟信号，也可以是一个数字信号。若信源是模拟信号，信号输入所述第一adc41，所述第一adc41将模拟信号转换为数字信号之后，输入第一fpga42。若信源是数字信号，则直接输入第一fpga42。数字信号输入第一fpga42后，第一fpga42进行编码、调制、滤波等处理，并输出信号至第一dac43转换为模拟信号，经过pa44产生最大功率输出，经过第一rf开关8或第二rf开关9输出。

所述接收端信号处理电路包括衰减器52、低噪声放大器53、第二模/数转换器54、第二现场可编程门阵列55和第二数/模转换器56，所述第一rf开关8或第二rf开关9、衰减器52、低噪声放大器53、第二模/数转换器54、第二现场可编程门阵列55和第二数/模转换器56之间依次电连接。信号经所述第一rf开关8或第二rf开关9输出至所述衰减器52，经过所述衰减器52和lna53调整至合适的幅度，再经第二adc54转换为数字信号送至第二fpga55，第二fpga55中的信号处理电路对信号进行滤波、同步、解调、均衡、解码等处理，还原出原始信号，最后以数字信号的形式直接输出。若需要输出信号为模拟信号，输出的数字信号经第二dac56转换成模拟信号输出。

请参见图1，所述第一信号处理电路包括一条发射端信号处理电路和一条接收端信号处理电路，所述第一信号处理电路和第二信号处理电路对称分布。

所述第一信号处理电路中，所述发射端信号处理电路包括依次电连接的第一模/数转换器41、第一现场可编程门阵列42、第一数/模转换器43和功率放大器44，所述功率放大器44、第一射频开关8、第一阻抗匹配电路6和第一换能器2依次电连接，所述第一现场可编程门阵列42控制所述第一射频开关8通断。所述接收端信号处理电路包括依次电连接的衰减器52、低噪声放大器53、第二模/数转换器54、第二现场可编程门阵列55和第二数/模转换器56，所述衰减器52、第一射频开关8、第一阻抗匹配电路6和第一换能器2依次电连接。信源输入第一fpga42，经过第一fpga42进行编码、调制、滤波等处理，并输出信号至第一dac43转换为模拟信号，经过pa44产生最大功率输出，经过第一rf开关8和第一阻抗匹配电路6后，驱动第一换能器2，第一换能器2在驱动信号的激励下，在金属屏障中激发出超声波，超声波穿透金属屏障后，由第二换能器3捕获转换为电信号，经第二阻抗匹配电路7输出至第二rf开关9，经过接收端信号处理电路还原出原始信号输出。同样的，第二信号处理电路中的发射端信号处理电路将信源处理后经过第二rf开关9和第二阻抗匹配电路7后，驱动第二换能器3，第二换能器3在驱动信号的激励下，在金属屏障中激发出超声波，超声波穿透金属屏障后，由第一换能器2捕获转换为电信号，经第一阻抗匹配电路6输出至第一rf开关8，并经过所述衰减器52和lna53调整至合适的幅度，再经第二adc54转换为数字信号送至第二fpga55，第二fpga55中的信号处理电路对信号进行滤波、同步、解调、均衡、解码等处理，还原出原始信号。在换能器输入端和输出端均设置射频开关，射频开关对换能器进行收发复用，采用时分双工的模式，使得发射电路和接收电路对换能器进行交替使用，实现所述无线通信装置双向通信的功能。相比使用双工器实现频分双工的方案，使用rf开关采用的时分双工方案具有适应性强、器件成本低等诸多优势。fpga包含发射和接收信号处理电路，fpga中信号处理的方案可以根据实际需要的数据传输速率选择为单载波方案或者正交频分复用方案，因此，发射端信号处理电路中的第一fpga42可以同时作为在同一侧的接收端信号处理电路中的第二fpga55。所述无线通信装置进行双向传输时，第一fpga42中包含发射和接收信号处理电路，且需要根据信号中携带的同步标志控制第一rf开关8的操作。

实施例二

请参见图3，所述第一信号处理电路包括一条发射端信号处理电路，所述第二信号处理电路包括一条接收端信号处理电路。

每个所述超声波通道包括设置在金属屏障一侧的依次电连接的第一模/数转换器41、第一现场可编程门阵列42、第一数/模转换器43、功率放大器44、第一阻抗匹配电路6和第一换能器2，设置在金属屏障另一侧的依次电连接的第二换能器3、第二阻抗匹配电路7、衰减器52、低噪声放大器53、第二模/数转换器54、第二现场可编程门阵列55和第二数/模转换器56，信源输入第一adc41或第一fpga42后，第一fpga41进行编码、调制、滤波等处理，并输出信号至第一dac43转换为模拟信号，经过pa44产生最大功率输出，经过第一阻抗匹配电路6后，驱动第一换能器2，所述第一换能器2在驱动信号的激励下，在金属屏障中激发出超声波，超声波穿透金属屏障后，由第二换能器3捕获转换为电信号，经第二阻抗匹配电路7输出至所述衰减器52，经过所述衰减器52和lna53调整至合适的幅度，再经第二adc54转换为数字信号送至第二fpga55，第二fpga55中的信号处理电路对信号进行滤波、同步、解调、均衡、解码等处理，还原出原始信号，以数字信号的形式输出，或者再经过接收端，实现所述通信装置的单向通信。所述通信装置进行单向通信时，只有一个方向的信号输入，因此电路中可以省去射频开关的设置。

所述无线通信装置用于诸如高压氧舱、航天器、潜水器等需要穿透密封金属舱体的容器壁传输数据的场合，可以免除钻孔进行有线数据通信的需要，且无需与金属墙壁表面接触。所述无线通信装置利用超声波作为信息和能量的载体，能够穿透密封的金属壳体以无线的方式传输信息和电能，从而提高金属壳体的可靠性，降低维护成本。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。