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磁近场耦合式无线通信关键技术研究

程名  
【摘要】:在现代国防装备及工业应用中,需要在地下、水下甚至金属附近等复杂环境中实现信息传递的需求越来越多。传统利用高频电磁波进行通信的无线电通信技术,由于电磁波的特性,在土壤、水等介质中传播时信号能量会急速衰减。而磁近场耦合式通信技术以交变磁场作为通信媒介,在这些介质中衰减远小于电磁波,可以有效的在地下、水下甚至金属附近等特殊环境中进行信号传输。磁近场耦合式通信以其上述优点成为了无线通信领域的研究热点。本文对磁近场耦合式无线通信关键技术进行了深入研究。主要研究内容包括:(1)对磁近场耦合式无线通信系统的信号传输原理进行了研究。建立并分析了磁近场耦合式无线通信系统电路模型以及天线耦合模型。针对通信系统信号能量传输功率、效率进行了计算,得到系统在谐振条件下工作时信号能量传输效率以及最大功率的表达式;分析了接收天线与发射天线在任一相对位置和相对角度情况下进行通信时,两天线之间互感计算的表达式,为提高系统接收天线角度适应性优化设计以及无线通信实物系统的搭建提供理论支持。针对典型金属机器架构,用建立的天线模型对金属环境下天线近场进行分析,同时用软件进行了仿真计算,验证系统在金属附近工作的可靠性。(2)针对无线传感网络对无线通信系统接收天线角度多向性的需求,提出了一种阵列式发射天线以及发射天线输入电压优化控制方法。由MIMO通信系统模型对多天线的通信系统进行电路分析,得到各发射天线激励电压相位与幅值对接收天线耦合电流的影响;确定了由三个发射天线进行交叠排布构成阵列式发射天线的天线设计,并利用遗传算法确定任意接收天线状态下,阵列发射天线输入电压相位与幅值,使系统信号能量传输效率最高的最优组合。并用软件对此时发射天线磁场近场进行仿真,观察磁场强度方向变化。仿真结果证明该阵列式天线及控制方法大大提高了系统接收天线角度适应性。(3)对磁近场无线通信实物系统实验装置进行了设计与验证。确定系统采用2ASK调制方式,并设计了包络检波电路、信号调理以及接收机负载调制电路。制作实物系统并实现了针对无源接收机20厘米距离下的双向信号传递及120厘米距离下由发射机向接收机单向的信号传递。实验系统能够稳定正常运行,验证了使用该技术构建特殊环境下无线传感网络的可行性。


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