§01 導(dǎo)航電磁信號

1.背景介紹

導(dǎo)航電磁信號是頻率為150kHz的電磁場信號，它是由全國大學(xué)生智能車競賽[1] 中的節(jié)能信標(biāo)組的無線充電線圈[2] 發(fā)送的高頻電磁信號。由于該頻率較低，在分析無線充電線圈產(chǎn)生的導(dǎo)航信號在自繞工字型電感中的感應(yīng)電動(dòng)勢[3] 中將該線圈所產(chǎn)生的交變磁場按照磁偶極子的磁場分布來進(jìn)行分析。在超過線圈半徑三倍距離以上，按照文獻(xiàn)Magnetic Dipoles[4] 中的分析方式，磁場強(qiáng)度將隨著距離的三次方進(jìn)行衰減。

在測試基于2SK241的150kHz的導(dǎo)航信號高頻放大器[5] 中提出了利用JFET組成的高頻放大檢波電路對有工字型電感組成的天線[6] 所接收到的導(dǎo)航信號產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢進(jìn)行放大檢波的方法。在對于150kHz導(dǎo)航信號放大接收模塊測試實(shí)驗(yàn)[7] 顯示了由 LQ 對于制作的高頻信號接收電路進(jìn)行測試的結(jié)果，顯示模塊大約只能在2米范圍內(nèi)進(jìn)行檢測。這就使得無線導(dǎo)航在實(shí)際應(yīng)用中的效果大打折扣。

▲ LQ的導(dǎo)航信號放大與檢波電路原理圖

2.問題分析

針對于150kHz的導(dǎo)航信號的強(qiáng)度隨著距離的三次方衰減，這使得它在整個(gè)比賽場地內(nèi)的幅度變化范圍很大。為了提高檢測信號的能力，則需要從以下幾個(gè)方面對于接收電路進(jìn)行優(yōu)化：

優(yōu)化接收天線性能。在使用了中波天線磁棒繞制150kHz導(dǎo)航信號接收天線[8] ，大幅度提高了接收信號的強(qiáng)度。另外高達(dá)170.1的線圈品質(zhì)因子Q也使得所產(chǎn)生的諧振電壓增益非常高。

增加放大電路信號動(dòng)態(tài)范圍。使用電感扼流圈作為高頻放大漏極負(fù)載，替代普通的電阻，可以提高電源電壓范圍利用效率。這其中需要避免兩個(gè)因素會導(dǎo)致電路工作不穩(wěn)定：1）避免由于JFET的反向電容引起電路自激振蕩，可以采用在JFET直耦級聯(lián)放大電路：MPF102，2SK102[9] 描述的JFET直接耦合級聯(lián)方式形成放大電路；2）對作為扼流圈的電感的外部磁場對天線的耦合而產(chǎn)生自激振蕩。可以仿照在博文色環(huán)電感外部磁場泄露[10] 中使用高頻磁環(huán)電感、小型的色環(huán)電感、表貼電感等。在配合正常的方向可以一直電路振蕩；

適當(dāng)增加倍壓整流輸出阻抗，將原來的10k增加到51k可以提高輸出電壓范圍。

3.測試電路

下面給出了測試電路的原理圖。為了便于移動(dòng)，使用了一個(gè)+12V的鋰電池作為工作電源，使用了數(shù)字萬用表測量放大檢波后的直流輸出電壓。

▲ 測試電路的原理圖

整個(gè)測試電路搭建在簡單的面包板上，其中的工字型的天線電感使用0.1×10股的Litz線繞制。用于信號放大的JFET使用為MPF102，它可以由2SK241替代。

使用了10mH色環(huán)電感作為L2，通過調(diào)整它的方向，使得整個(gè)電路不會發(fā)生磁耦合振蕩。將L2電感放置水平位置，使得磁耦合所形成的負(fù)反饋量達(dá)到最小。

▲ 搭建的測試電路

下面對搭建好的電路進(jìn)行接收信號測試。

§02 測試結(jié)果

1.電梯大廳內(nèi)測試

（1）測試環(huán)境與距離

測試環(huán)境是在中央主樓6層的電梯口大廳。將發(fā)送線圈擺放在遠(yuǎn)處的樓梯口，使用激光測距儀測量線圈的距離大約是六米。

▲ 測量環(huán)境

將無線發(fā)送線圈直接放置在地板上。地面是水泥地面，其內(nèi)部存在著鋼筋，這對于無線發(fā)送磁場會有一定的影響。這方面可以從后面測量的結(jié)果中得到驗(yàn)證。

▲ 無線發(fā)送線圈直接放置在地板上

（2）測量接收信號

手持測試測試實(shí)驗(yàn)電路板，從距離發(fā)送線圈6 米的距離逐步走向無線充電發(fā)送線圈?？梢杂^察到接收到的放大檢波后的直流電壓信號從最初的0.007V逐步增加到大于17V。

2.走廊測試

（1）測試的環(huán)境

利用辦公室前面的走廊，來測量接收電路的效果。走廊的總長度大約在7米，無線充電線圈擺放在走廊的一端。

▲ 放置在走廊一端的發(fā)送線圈

（2）距離線圈5米

在距離線圈5米的距離上，移動(dòng)接收線圈，可以看到接收到的直流電壓在 0.07V～0.12V 之間變化。隨著模塊距離接收線圈靠近，接收的電壓就越大。

▲ 在距離5米距離移動(dòng)接收線圈

（3）距離線圈三米

在距離無線發(fā)送線圈兩米的距離，測量接收電壓的變化。左右移動(dòng)一米的距離范圍內(nèi)，電壓變化的范圍 0.8V～3.3V 。

▲ 在距離發(fā)送線圈2米距離接收信號

（4）距離線圈1米

在距離線圈1米距離內(nèi) 移動(dòng)接收電路，放大檢波信號的變化范圍 13V～17V。

▲ 在距離線圈一米距離內(nèi)的變化

3.受到地板內(nèi)鋼筋影響

由于地板內(nèi)存在著鋼筋框架，它對于交變磁場影響很大。特別是在遠(yuǎn)離信標(biāo)燈（5米以上），也能夠感知到磁場強(qiáng)度會因?yàn)樵诘匕宓牟煌恢冒l(fā)生很大的變化。

這種影響也許將來在正式的比賽場地中，比如在室外普通操場上，如果沒有地板水泥內(nèi)的鋼筋影響，輸出的電磁場的變化就應(yīng)該成像距離線圈中心的長度呈現(xiàn)單調(diào)的變化。

※ 測試結(jié)論 ※

通過搭建在面包板上的直接放大檢波的無線電導(dǎo)航信號接收電路，測試了這個(gè)電路在接收導(dǎo)航信號方面的可行性以及相關(guān)的性能。通過觀察可以看到地板內(nèi)的鋼筋會對磁場產(chǎn)生較大的影響。

文中所使用的接受天線線圈采用的為14×19mm的鐵氧體磁骨架，如果進(jìn)一步加大接收線圈的長度可以提高信號接收的靈敏度。

如果車模上只安裝有一個(gè)接收天線，那么可以采用車模運(yùn)動(dòng)加無線信標(biāo)檢測的模式。如果在車模上固定多個(gè)接收線圈電路，那么車?？梢愿鶕?jù)多個(gè)接收線圈接收電壓估計(jì)出無線發(fā)送線圈所在的方位了。

編輯：jq