一种超小型ULF/VLF旋转电流天线及信号幅频调制方法与流程

本发明涉及一种超小型ulf/vlf旋转电流天线及信号幅频调制方法。

背景技术

低频电磁波频谱具有非常重要军事应用价值。特低频(ultralowfrequency-ulf，频率范围300hz～3khz)信号最重要的好处是可以穿透水、土壤、岩石和建筑材料等传导性媒介，适合用于远距离以及水下军事通信。甚低频(verylowfrequency-vlf，频率范围3～30khz)同样也适用于军事通信，在地面和地球表面上空70～85千米的电离层之间形成vlf频段的电磁波波导，在这种地球-电离层波导中传播的vlf电磁波信号的衰减非常小，可以传播很远的距离，实现超视距通信。

军方一直都在使用ulf和vlf技术进行水底通信或其他用途。尽管水声通信系统对于水面战舰和潜艇之间，以及潜艇和潜艇之间的联合战术动作时非常有效的，但是这些水声通信系统仅仅适用于短距离通信，最远只能到10～30千米，如果潜艇在常规水域之外工作，远离了国家防卫和通信系统所覆盖的区域，就会出现问题。在遥远的大海深处，唯一可用的通信手段就是特低频(ulf)或者甚低频(vlf)无线电。目前各国海军在用的主要对潜指挥通信系统就是地基的vlf通信系统，地基的vlf通信发射天线采用的数量众多的铁塔，铺设较大面积的地网。潜水艇也使用该频带与周边潜水艇、舰船、中继浮标、uav、地基设备等进行低数据率通信。此外，gps在水面下无法运行，而ulf能通过三角定位标定潜艇位置，这种应用有助于海军开发无人潜艇。

传统天线的辐射效率受制于天线口径尺寸，天线的电尺寸过小会使得天线的效率极低，甚至几乎不能辐射。目前在ulf/vlf频段并不缺少灵敏度较高的接收机，然而ulf和vlf频段自由空间的电磁波波长可能达数百至数千千米，用常规的天线方法设计的ulf/vlf发射系统的体积非常庞大，通常需要如图1那样架设在很多高塔之上，例如美国海军在缅因州卡特勒建设的世界上功能最强大的vlf发射机占地2000英亩，架设在26个850-1000英尺高的铁塔之上，这样的发射机在很多作战环境下易被摧毁，且很不利于维护，尤其是需要移动的情况下，要通过巨型空气球或卫星携带，极不实用。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是提供一种能够大大减小天线体积的超小型ulf/vlf旋转电流天线及信号幅频调制方法。

技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的超小型ulf/vlf旋转电流天线，包括发光装置和转盘，转盘包括依次设置的正极金属层、p型半导体层、n型半导体层和负极金属层，正极金属层上设有光孔，转盘上还设有导电线圈，导电线圈的两端分别连接正极金属层和负极金属层。

进一步，所述发光装置包括光源盘，光源盘上设有发光器。

进一步，所述光源盘与转盘同轴设置，但光源盘固定不动。

进一步，所述转盘还包括设于表面、紧靠负极金属层的绝缘层，绝缘层上设有绝缘支架，导电线圈绕设在绝缘支架上。

进一步，所述导电线圈与正极金属层之间还设有限流电阻。这样能够防止电流过大烧毁导电线圈。

进一步，还包括用于驱动转盘旋转的电机。

采用本发明所述超小型ulf/vlf旋转电流天线发射信号的幅度调制方法，控制转盘匀速旋转，利用调制信号控制发光装置发出光线的强度。

采用本发明所述超小型ulf/vlf旋转电流天线发射信号的频率调制方法，利用调制信号控制转盘的转速，控制发光装置发出光线的强度恒定。

有益效果：本发明公开了一种超小型ulf/vlf旋转电流天线及信号幅频调制方法，利用螺旋电流环构成的磁偶极矩的旋转运动在ulf和vlf频段发射电磁波。本发明设计的天线具有极小的电尺寸，在ulf/vlf频段可以用米级的体积实现，远远小于现有技术中体积为千米级的天线，并且不会影响天线的辐射效率。

附图说明

图1为现有技术中vlf天线的示意图；

图2为计算旋转电荷辐射场的示意图；

图3为恒定转速的旋转电荷辐射电磁波时域波形；

图4为恒定转速的旋转电荷的频谱；

图5为变速旋转的电荷辐射电磁波的时域波形；

图6为变速旋转的电荷辐射电磁波的频谱；

图7为本发明具体实施方式中旋转电流天线的结构示意图；

图7(a)为一个视角的结构示意图；

图7(b)为另一视角的结构示意图；

图8为本发明具体实施方式中转盘的截面示意图；

图9为本发明具体实施方式中对天线发射信号的幅度调制过程的示意图；

图10为本发明具体实施方式中对天线发射信号的频率调制过程的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。

本具体实施方式公开了一种超小型ulf/vlf旋转电流天线，下面先介绍一下设计原理。

众所周知，变化的电场可以感应出磁场，变化的磁场又会感应出电场。电场和磁场依次相互感应，形成可以传播的电磁波。电荷在空间产生电场，如果驱动电荷做出某种特定运动，在空间产生变化的电场，进而产生与电场互相感应的磁场，就可能产生辐射电磁波。低速运动(v＜＜c)的电荷在真空中产生的电场和磁场如式(1)和式(2)所示：

式中，μ0与ε0分别是真空的磁导率和介电常数，q是电荷量，v是电荷运动速度，c是光速，r是电荷到场点的矢径。

式(1)第一项的数值与1/r²成正比，在无穷远处的积分为零，所以这一项代表的场不能辐射；第二项的数值与1/r成正比，在无穷远处的积分不为零，它代表的是辐射场。所以运动电荷产生的辐射场可以表示为：

由式(3)、(4)可知，即使运动电荷的速度很低，但只要它具有一定的加速度，就可以辐射电磁波。

如果以一对带电量分别为+q和-q，如图2所示，间距为d0的正负电荷，绕轴线旋转(参见图1中的z轴)，旋转角速度为ω，因为负电荷与正电荷极性相反，但是由于负电荷的加速度与正电荷的加速度方向正好相反，根据式(3)并考虑两电荷的距离远小于它们到远区场点的距离，则负电荷所产生的辐射场与正电荷产生的辐射场近似相等，所以它们在远区产生的辐射电磁波的强度将如式(5)所示：

式中：p＝qd0，是正负电荷的电偶极距，是正电荷指向旋转圆心的单位矢量。

电子设备只能在一定频率范围内正常工作，电磁波频率是电子设备的重要参数，因而确定和控制旋转流天线的电磁波频率是研究这一类天线的重要一环。我们研究表明，匀速旋转的电偶极矩辐射电磁波的频率，与驱动电机的旋转频率相同。图3与图4分别是恒定直流电压激励并匀速旋转(转速为500转/秒)的旋转电偶极矩辐射场时域曲线及其频谱，可以看到，匀速旋转的电偶极矩的电磁波频率等于其旋转频率。而做变速运动的旋转电偶极矩辐射的电磁波频率则随电机的转速发生变化，假定电机的旋转加速度为ω＇＝750rad/s2，初始转速为280转/秒，加速到300转/秒，经过仿真计算得到辐射电磁波的时域波形与频谱分别如图5和图6所示。

电磁学中，与电偶极矩对应的是磁偶极矩，根据电磁学的电磁对偶原理，从(6)式可以容易得到磁偶极矩辐射场中的磁感应强度为：

式中，m是磁偶极矩，是产生磁偶极矩的电流环的单位面积矢量。

现实中，不存在磁荷，也就不存在磁偶极子，但是载流线圈的电磁行为与磁偶极子一致，所以在电磁应用中载流线圈可以当作磁偶极子。

根据以上设计原理，本具体实施方式公开了一种超小型ulf/vlf旋转电流天线，如图7(a)和图7(b)所示，包括同轴设置的光源盘5和转盘3，光源盘5固定不动，转盘3能够随着转轴4转动，转轴4由电机1驱动，电机1由电机控制器2控制。

如图8所示，转盘3包括依次设置的正极金属层34、p型半导体层32、n型半导体层33、负极金属层35和绝缘层31，正极金属层34上设有光孔341，绝缘层31上设有绝缘支架36，导电线圈37绕设在绝缘支架36上，导电线圈37的两端分别通过埋设在转盘3内部的导线38连接正极金属层34和负极金属层35。导电线圈37与正极金属层34之间的导线38还串联一个限流电阻381。

如图7(a)所示，光源盘5上设有发光器51、支撑板52和发光器控制板53。

下面介绍一下天线的工作原理：

将发光器控制板53接通电源，驱动发光器53工作，发出光线照射到转盘3上，并穿过光孔341照射到p型半导体层32与n型半导体层33构成的pn结上。由于光生伏特效应，正极金属层34与负极金属层35之间会产生电压，连接在正极金属层34与负极金属层35之间的导电线圈37上产生电流。当电机1工作时，连接在电机轴上的转轴4驱动转盘3旋转，载有电流的导电线圈37随之旋转，根据前述原理，旋转电流将辐射出电磁波。

本具体实施方式还公开了采用该天线发射信号的幅度调制方法，如图9所示，利用调制信号控制调幅信号控制器7，通过调幅信号控制器7控制发光器51发出光线的强度，则正极金属层34与负极金属层35之间的电压随光线强度同步变化，导电线圈37上的电流也随之同步变化，因而辐射的电磁波强度也随调制信号的幅度同步变化，这时电磁波时域波形的包络曲线与调制信号的幅度曲线一致，实现幅度调制。

本具体实施方式还公开了采用该天线发射信号的频率调制方法，如图10所示，控制发光器51发出光线的强度恒定不变，而利用调制信号控制电机控制器2，以控制电机1的转速，则旋转电流辐射电磁波的频率将随着转速而变，实现频率调制。