更大的工字型电感作为150kHz导航信号接收天线

Posted 2021-06-17 卓晴

简 介： 过使用购买到的大型工字型电感，具有更大的铁氧体磁芯，更大的电感。但是使用的普通的漆包线绕制的电感，作为150kHz导航无线信号的接收天线，测试接收模块的性能。在同样的情况下，接收到的信号比起使用Litz线绕制的1mH的电感有所提升，但本地噪声也增加了。

关键词： 150kHz，无线导航，节能型表，再生放大检波，工字型电感

 

§01 工字型电感天线

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1、背景介绍

  在 150kHz无线导航信号接收板调试-Ver2 测试了由LQ提供的150kHz无线导航信号再生放大接收检波模块的性能。这个模块用于 第十六届全国大学智能汽车竞赛竞速比赛 中的 无线节能组 的150kHz的导航信号的接受放大。

  从 节能信标无线感应定位测试：200kHz 博文中可以看到，接收信号的天线越大，接收模块的灵敏度也就越高。在 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 也探讨了不同匝数的线圈对于工字型天线性能的影响。在 测试使用2mH的工字型电感在接收150kHz导航信号中性能 测试了2mH的电感对于接收灵敏度的影响。由于在 全距离测量150kHz导航信号放大检波能力 所使用的电感采用了Litz线进行绕着，所以对应的天线的Q值在150kHz时达到了150左右，而2mH的普通工字型的电感的Q之后则之后30左右，这也限制了电感作为150kHz接收天线的灵敏度。

  通过 分析无线充电线圈产生的导航信号在自绕工字型电感中的感应电动势 可以看到，提高天线接收无线导航信号的幅度有两个途径：

• 增加接收天线的横截面积；利用铁氧磁芯可以等效增加天线的横截面积；
• 增加天线的线圈匝数。但由于线圈匝数的增加也同时增加了线圈的电阻值，在同样体积下会降低线圈的品质因数Q，所以这个因素具有双刃剑。

  现在从TB购买到更大尺寸的工字型电感，可以有效提高电线的接收灵敏度：

• 16×18-3.5mH 0.4线径绕满 电流2A 立式工字型电感 工形绕线电感
• 14×19-2.2MH 0.41线 2A 立式插件工字型电感 工形绕线电感

  下面是今天（2021-06-01）刚刚收到的的两个大型工字型电感样品。

^{▲ 图1-1 两款大型工字型电感}

2、电感基本参数

  下面利用 一款DIY矢量网络分析仪:NanoVNA 对于两个电感进行参数测量。

电感1基本参数：

尺寸：14mm×19mm
电感：2.297mH
电阻：206.88Ω
电阻品质因数：10.46

^{▲ 图1-2 电感1在150kHz下测量的结果}

电感2基本参数：

尺寸：16mm×18mm
电感：3.818mH
电阻：493.9Ω
电阻品质因数：7.285

^{▲ 图1-3 电感2在150kHz下测量结果}

3、谐振匹配电容

  计算上面两个电感在$f_0=150kHz$下的谐振电容：

$$C_0=\frac{1}{{\left(2\pi f_0\right)}^2\cdot L_0}$$

【表1 两个工字型电感对应的谐振电容】

电感种类	电感1	电感2
电感值	2.297mH	3.818mH
谐振电容	490pF	295pF

 

§02 实际测量接收效果

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1、测试模块

  测试模块使用在 150kHz无线导航信号接收板调试-Ver2 所使用的接收模块。电感使用前面的电感2（3.818mH）。将接收模块中原来匹配的电容修改成250pF，然后再利用可调电感C7来调整谐振状态。

  在检查手边的元器件的时候看到，由于只具有471电容，比较接近于电感1（2.297mH）的谐振电容。所以实验就改成利用电感1完成测试。

^{▲ 图2-1 更换完L1与谐振电容之后的接收电路板}

2、调试模块

  根据 150kHz无线导航信号接收板调试-Ver2 提供调试的方法，对于电路板上的L2（10mH色码电感）的方向进行调整，并最后获得最大的接收灵敏度。

调试条件：

工作电压：+12V
工作静态电流：7mA
自激振荡输出电压：30V
信号远距离：2米

  经过调整可调电容C7，以及调整色码电感，使得接收电路不发生自激振荡。输出与接收信号成正比的电压在3V左右。下面是调试的最好的接收性能。

电感1接收性能：

有导航信号：3.3V
无导航信号：5.6mV（本地噪声）

  对比使用Litz线绕制的1mH的电感天线的接收性能：

Litz绕制1mH电感接收性能：

有导航信号：2.62V
无导航信号：1.46mV（本地噪声）

^{▲ 图2-2 对比测试两种工字型电感接收效果}

  从上面测试的结果来看，使用2.2mH的大型电感在接收性能上没有特别的提高。但是它带来的在无信号的情况下输出的本地噪声信号提升了。

 

※ 测试结论 ※

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  通过使用购买到的大型工字型电感，具有更大的铁氧体磁芯，更大的电感。但是使用的普通的漆包线绕制的电感，作为150kHz导航无线信号的接收天线，测试接收模块的性能。在同样的情况下，接收到的信号比起使用Litz线绕制的1mH的电感有所提升，但本地噪声也增加了。噪声的增高，也就是信噪比（SNR）的降低，主要来自于接收天线的品质因子（Q）降低引起的。

  所以通过对比来看，使用更大体积，更大电感量的工字型电感作为接收天线对于提升接收模块的性能没有太大的帮助了。

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■ 相关文献链接:

• 150kHz无线导航信号接收板调试-Ver2
• 第十六届全国大学智能汽车竞赛竞速比赛规则
• 无线节能信标核心板V4-测试-2021-4-3
• 节能信标无线感应定位测试：200kHz
• 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
• 测试使用2mH的工字型电感在接收150kHz导航信号中性能
• 全距离测量150kHz导航信号放大检波能力
• 分析无线充电线圈产生的导航信号在自绕工字型电感中的感应电动势
• 16×18-3.5mH 0.4线径绕满 电流2A 立式工字型电感 工形绕线电感
• 14×19-2.2MH 0.41线 2A 立式插件工字型电感 工形绕线电感
• 一款DIY矢量网络分析仪:NanoVNA

● 相关图表链接:

• 图1-1 两款大型工字型电感
• 图1-2 电感1在150kHz下测量的结果
• 图1-3 电感2在150kHz下测量结果
• 表1 两个工字型电感对应的谐振电容
• 图2-1 更换完L1与谐振电容之后的接收电路板
• 图2-2 对比测试两种工字型电感接收效果