讨论工字型接收线圈天线不同匝数对于低频定位信号检测影响：150kHz导航信号

Posted 2021-05-19 卓晴

 

01 低频导航信号检测

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  在 节能信标无线感应定位测试：200kHz 讨论了应用不同的电感形式对于 大学生智能车竞赛 中的 节能信标组 的150kHz低频导航信号的感应接收的可能性。在 选频放大电路对于150kHz导航信号进行放大检波 以及 中心频率为150kHz的选频放大检波电路补充测试 测试了基于 超声波测距测速升压可调中周 的 调频接收放大器 ，利用 基于NanoVNA调整150kHz选频放大电路 方法可以将接收的灵敏度进一步增加。

1.存在的问题

  传统的利用低频电磁信号进行定位方案中都采用数字解调的方法，比如在 3-D Displacement Measurement for Structural Health Monitoring Using Low Frequency Magnetic Field 就采用了 OFDM（Orthogonal Frequency-Division Multiplexing）方式，利用FPGA对采集到的信号完成DFT解调输出信号，这样可以达到很高的灵敏度。

  由于在智能车竞赛中，采用的是150kHz的导向信号（实际上就是利用了无线充电的信号），相比与传统基于低频电磁盘完成定位中所采用的模拟同步解调的方案。比如下面的电路就是在选频放大电路对于150kHz导航信号进行放大检波中所调试的选聘放大倍压检波电路。

^{▲ 选频放大电路与倍压整流检波电路}

  前面的放大电路最后都使用倍压检波的方式输出信号的检波信号，这就是的接收信号低于一定阈值之后，输出就为0，因此存在一定的检测阈值。为了提高检测灵敏性，就要求前级的放大检波电路需要具有更大的增益。

  经过测试，这种电路使用自制工字型电感进行选频放大检波之后的信号，在距离无线信标5米距离之外就已经无法输出信号了。这与在 选频放大电路对于150kHz导航信号进行放大检波 博文中分析的10米检测距离相差太远。

2.如何提高检测灵敏度呢？

  提高检测距离，也就是提高检测灵敏度的方法有：

• 采用数字解调的方式，去掉二极管检波环节；缺点：需要构建采样频率更高的ADC，以及消耗更多的MCU算力。
• 通过增加前级LNA放大环节，比如使用FET 2SK241（$\left|Y_{fs}\right|=10ms$,$G_{ps}=28dB$）对天线信号进行预放大。缺点：增加了电路的复杂性。
• 增加接收线圈等效长度，也就是通过增加接收天线体积以及绕制匝数，获得更高的感应电动势。缺点：增加了接收电路的体积。

  本文下面就通过实验研究来针对接收天线进行优化来提高放大电路的灵敏度。

3.前期的工作

  在 节能信标无线感应定位测试：200kHz 中，测试了不同形式的接收天线。其中，使用普通调幅收音机的接收天线以及大的空心多圈线圈接收信号强度最大，超过30mV，而一般的小型工字型电感较小。

^{▲ 不同形式的接收天线}

  在 分析无线充电线圈在自绕工字型电感中的感应电动势 分析了接收天线感应电动势的大小。在相同的交变磁场强度的情况下，感应电动势与线圈中穿越的磁通量和线圈匝数乘积成正比，所以增加接收天线的体积与匝数对于提高感应电动势有帮助。

  由于选聘的需要，需要给接收天线增加谐振电容，提高LC谐振Q值，也会增加输出电压的幅值。

 

02 增加工字型天线匝数

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  工字型磁骨架适合自行绕制天线。在之前的测试中，都是使用Litz线在工字型骨架上绕制线圈来制作接收天线。下面通过增加线圈的匝数来提高接收天线的灵敏度。

1.绕制小型工字型天线

  根据 选频放大电路对于150kHz导航信号进行放大检波 制作工字型天线的参数，绕制60匝，可以获得原边的电感为188uH左右，下面计划绕制200匝。

^{▲ 工字型磁芯、Litz线}

（1）基本参数

Litz线参数：

10股×0.1

工字型磁芯:

直径：11.55mm
高：9.88mm
顶、底厚度：1.9mm

（2）绕制结果

  是用钱买Litz线在工字型磁芯上最多饶100匝。后来改为0.3mm漆包线，可以绕制180匝。

  使用SmartTweezer（10kHz）测试它们的参数：

A. Litz线绕制电感:

匝数：100匝
电感：L0=472uH
串联电阻：Rs=0.644Ω

B.0.3mm 漆包线绕制电感:

匝数：180匝
电感：L0=1.499mH
串联电阻：Rs=1.618Ω

^{▲ 绕制了两个电感 左：Litz线绕制，100T 右：0.3mm漆包线，180T}

  使用 NanoVNA矢量网络分析模块 测量上面两个自行绕制的电感的参数，读出在150kHz处测量值：

使用NanoVNA测量：

Litz绕制参数： $L_s=467\mu H,R_s=1.5\Omega ,Q=361$
单股漆包线参数： $L_s=1472uH,R_s=30.28\Omega ,Q=51$

  从测量的结果来看，使用Litz线绕制的电感，在高频下Q值很高。

2.绕制大型工字型天线

  手边存在一个大型的工字型磁骨架。它的外形和参数如下：

^{▲ 工字型磁芯}

工字型磁芯:

直径：14mm
高：19.mm
顶、底厚度：3mm

^{▲ 使用Litz线绕制120匝之后的电感}

测量实际电感参数：

NanoVNA测量结果： $L_s=1006\mu H,R_s=3.5\Omega ,$
SmartTweezer测量结果： $L_s=1036\mu H,R_s=1.22\Omega ,$

3.谐振电容

  对于三个电感，分别计算在频率$f_0=150kHz$下各自对应的谐振电容：$$C_0=\frac{1}{{\left(2\pi f_0\right)}^2{L}_0}$$

（1）计算谐振电容

【表2-3 三个电感对应的谐振电容】

自制电感	Litz小型	单股小型	Litz大型
电感量 （$\mu H$）	467	1472	1006
谐振电容（pF）	2.41	0.765	1.119

（2）测试谐振阻抗

  分别测量三个电感在谐振电容情况下，使用NanoVNA测量的阻抗曲线。

【Ⅰ.Litz小型电感】

  使用实际谐振电容222，测量谐振阻抗为：

^{▲ 谐振阻抗}

• 谐振时对应的电阻：25kΩ

【Ⅱ.单股小型电感】

  实际测试电容采用102，测量的谐振组口为：

^{▲ 谐振阻抗}

• 谐振时对应的阻抗

【Ⅲ.Litz大型电感】

  实际谐振电容使用102，测量谐振阻抗曲线：

^{▲ 谐振阻抗}

• 谐振阻抗：96kΩ

 

03 接入选频放大电路

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1.大型Litz线电感

  如果直接将谐振电路接入放大电路会出现自激振荡。在电感上绕制35匝作为副边接入放大电路，也同样会出现自激振荡。副边使用单股漆包线（0.3mm）绕制10匝，则不会出现自激振荡。

  测量在无线发送线圈2米的距离，检波输出电压为239mV，3米的距离，检波电压为14.8mV。6米的距离检波电压为1mV。这个灵敏度比起之前的电感大了近10倍。

^{▲ 接入选频放大电路}

2.单股漆包线小型

  在单股漆包线小型电感绕制15匝作为副边，接入选频放大电路。在相距2米的情况下，测量检波输出为14mV。

  对比前面大型线圈小了17倍。

^{▲ 接入选频放大电路}

3.Litz电感

  使用在 选频放大电路对于150kHz导航信号进行放大检波 所使用的60匝的电感，在2米的情况下，接收到的信号为70mV左右。

（1）测试结果

  使用制作绕制100匝的Litz电感，对应的2.42nF（222 + 221）谐振电容，副边使用单股漆包线绕制12匝作为副边，接入选频放大器。

^{▲ 接入选频放大电路}

  在2米情况下，接收到的检波电压为750mV，距离5米的时候输出检波电压为5.21mV。

  这显示了非常灵敏的接受能力。

（2）输出阻抗特性

  下图显示了在此时，输入对应的阻抗特性。

^{▲ 测量输出阻抗对应的特性}

  调整中周电感，使其电感达到：6.712mH，谐振电容为：157pF。

^{▲ 测量输出阻抗对应的特性}

  下面是电感在其它位置是，对应的输出阻抗特性，此时增益就非常小。

^{▲ 测量输出阻抗对应的特性}

 

※ 讨论结果

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1.主要结论

  今天的讨论通过实验研究，探讨了增加对于150kHz导航信号接收灵敏度的方法。使用两种不同的工字型电感铁氧体骨架绕制了三款电感。通过匹配谐振电容，接入选频放大电路。对比检测结果，可以得到如下结论：

• 使用更大体积的电感磁芯可以有效提高接收的灵敏度；
• 提高Litz绕制匝数，同时调整好接收电感的谐振点，可以有效提高接收机的灵敏度；

2.最终测试电路及其参数

  下面是测试实验电路，它的原理图如下：

^{▲ 面包板上的测试电路}

  电路中的参数发生一些变化，主要为：

• 接收工字型线圈： 铁氧体工字型骨架参数见【2-1】中给出的参数。原边绕制匝数100匝，副边12匝。原边的电感为472$\mu H$。匹配150kHz的电容为2.42nF。
• 晶体管$T_1$: 选择 NPN 9018 高频BJT。
• 中周变压器: 在TB上的 超声波升压中周变压器 ，1:10,（42匝：420匝）。
• 电阻Rb： 350kΩ。
• 谐振电容C2： 150pF
• 倍压检波肖特基二极管 D1： BAT54
• 其它阻容器件： C1:105, C10:104, C11:104, Rload:10k
• 工作电压： +5V～+12V

^{▲ 选频放大电路与倍压整流检波电路}

 

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■ 相关文献链接:

• 节能信标无线感应定位测试：200kHz
• 第十六届全国大学智能汽车竞赛竞速比赛规则
• 选频放大电路对于150kHz导航信号进行放大检波
• 中心频率为150kHz的选频放大检波电路补充测试
• 超声波测距测速升压可调中周倒车雷达变频器传感器1:10
• 基于超声波升压中周构建的150kHz的单管选频放大电路
• 基于NanoVNA调整150kHz选频放大电路
• 3-D Displacement Measurement for Structural Health Monitoring Using Low Frequency Magnetic Field
• 分析无线充电线圈在自绕工字型电感中的感应电动势
• 一款DIY矢量网络分析仪:NanoVNA
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