中波磁棒天线在接收150kHz导航信号方向性

Posted 2021-05-22 卓晴

简 介： 通过使用较大的中波磁棒绕制接收天线，大大提高了接收导航信号的灵敏度。在2米处的放大信号的有效值高达3.5V。这也使得在更大范围内接收导航信号成为可能。实验证明只是使用一个磁棒是无法确定线圈方位，只能通过车模在运动过程中进行动态搜索。

关键词： 中波，磁棒，150kHz导航信号，智能车竞赛，节能信标组

 

§01 中波磁棒天线

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  利用导磁率比较高的铁氧体材料制作成的磁棒，在绕制接收线圈之后可以增加在电磁场中感应电压，从而提高电磁波接收灵敏度。

  在 节能信标无线感应定位测试：200kHz 测试了利用一个小型的扁平磁棒线圈接收150kHz的无线节能组的导航信号的幅值，以及随着方向不同呈现的电压的变化。下面则进一步研究一下这种磁棒天线在确定无线充电线圈方位中的性能。

1.磁棒天线

  下面是两条用于测试的磁棒。在下面绕制天线中，使用较长的一条磁棒进行实验。

^{▲ 测试实验中所使用的磁棒}

磁棒尺寸：

长（mm）：118
直接（mm）：9.73

（1）绕制接收天线

  在 调幅收音机中波磁棒天线线圈绕制数据 给出了10×120mm的磁棒在匹配不同电容（270pf, 290pf, 360pf）接收中波电探初级绕制匝数，大约为70匝。

  磁棒天线采用多股纱包线是为了降低趋肤效应，一般有5股、7股、10股、14股、21股、28股等等，单股线径一般在0.05至0.1毫米左右，次级也可能采用单股镀银铜线绕制。

  一般情况下，绕制的线圈在磁棒不同位置所引起的电感量是不同的。当线圈位于磁棒的两端的时候，对应的电感比较大。

  下面将线圈绕制在磁棒一端，匝数100匝左右。绕制天线的Litz线为 0.1×10股。

天线基本参数（@150kHz）：

电感：0.880mH
串联电阻：4.88Ω
Q值：170.1

^{▲ 使用NanoVNA测量天线的基本参数}

（2）谐振电容

  计算在频率$f_0=150kHz$下，上述天线对应的谐振电容$$C_0=\frac{1}{{\left(2\pi f_0\right)}^2\cdot L_0}=\frac{1}{{\left(2\pi \cdot 150k\right)}^2\cdot 0.88m}=1.279nF$$

2.接收电路

  使用在 JFET直耦级联放大电路：MPF102，2SK102 基于直连耦合的双JFET直放电路。电路图为：

^{▲ 实验电路板原理图}

^{▲ 搭建在面包板上的实验测试电路}

 

§02 电路测试结果

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1.接收放大波形

  使用在 色环电感外部磁场泄露 的色环作为Q2的漏极的扼流圈。此时电路处于震荡的边缘。

（1）接收天线垂直

  调节磁棒方向为垂直方向，使其方向与色环电感的极性相反。打开2米左右的无线充电线圈，使其发送150kHz的无线导航信号。此时可以测量放大信号波形如下图所示：

^{▲ 接收到的放大后的导航信号}

  使用FLUKE45测量对应的交流电压有效值为 3.247V 。

（2）接收天线水平

  将天线放置为水平，此时接收信号急剧减少。交流之大约为 0.156Vrms 。

^{▲ 接收天线水平是放大信号}

2.输出信号与天线方位关系

  通过调整天线的方向，可以看到接收到的信号的幅值与天线相对于无线发送线圈的方位关系不大，但与天线的上下的方位角的关系放大。

  因此，使用中波天线对于判断无线发送线圈的方位并没有太大的作用。

^{▲ 测试电路与测量的示波器的探头}

 

※ 实验结论 ※

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1.基本结论

  通过实际测量，可以证实：

• 由于无线充电线圈是水平摆放，它所形成的磁场在其周围的水平面是垂直于地平面的。使用磁棒天线无法判断无线充电线圈的方位的。
• 由于磁棒体积较大，所以在相同的地点它所能够感应的电压较大。因此提高了接收电路的灵敏度。
• 由于天线的体积较大，也使得使用电感作为Q2的扼流圈的时候也比较容易引起放大电路的自激振荡。需要借助与调整他们相互之间的方向，来消除自激振荡。

  为了能够利用导航信号，还需要车模带动天线运动，通过搜索场强增大的方向动态的确定线圈的方位。

2.对接受距离补充测试

  在实验室环境内，将发送线圈移动到5.5米的距离，接收到放大信号的交流有效值为 0.376V 。这是迄今为止获得最灵敏的记录。如果将发送线圈关闭，接收电路的静态的交流噪声交流有效值为 0.112Vrms 。

^{▲ 将天线垂直可以获得最大的接受信号的灵敏度}

 

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  ■ 相关文献链接:

• 节能信标无线感应定位测试：200kHz
• 调幅收音机中波磁棒天线线圈绕制数据
• JFET直耦级联放大电路：MPF102，2SK102
• 色环电感外部磁场泄露
• 中波磁棒天线在接收150kHz导航信号方向性