§01 導航電磁信號

1.背景介紹

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

在測試基于2SK241的150kHz的導航信號高頻放大器[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] 所接收到的導航信號產生的感應電動勢進行放大檢波的方法。在對于150kHz導航信號放大接收模塊測試實驗[7] 顯示了由 LQ 對于制作的高頻信號接收電路進行測試的結果，顯示模塊大約只能在2米范圍內進行檢測。這就使得無線導航在實際應用中的效果大打折扣。

▲ LQ的導航信號放大與檢波電路原理圖

2.問題分析

針對于150kHz的導航信號的強度隨著距離的三次方衰減，這使得它在整個比賽場地內的幅度變化范圍很大。為了提高檢測信號的能力，則需要從以下幾個方面對于接收電路進行優化：

優化接收天線性能。在使用了中波天線磁棒繞制150kHz導航信號接收天線[8] ，大幅度提高了接收信號的強度。另外高達170.1的線圈品質因子Q也使得所產生的諧振電壓增益非常高。

增加放大電路信號動態范圍。使用電感扼流圈作為高頻放大漏極負載，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因素會導致電路工作不穩定：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直耦級聯放大電路：MPF102，2SK102[9] 描述的JFET直接耦合級聯方式形成放大電路；2）對作為扼流圈的電感的外部磁場對天線的耦合而產生自激振蕩。可以仿照在博文色環電感外部磁場泄露[10] 中使用高頻磁環電感、小型的色環電感、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，使用了一個+12V的鋰電池作為工作電源，使用了數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色環電感作為L2，通過調整它的方向，使得整個電路不會發生磁耦合振蕩。將L2電感放置水平位置，使得磁耦合所形成的負反饋量達到最小。

▲ 搭建的測試電路

下面對搭建好的電路進行接收信號測試。

§02 測試結果

1.電梯大廳內測試

（1）測試環境與距離

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

▲ 測量環境

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

▲ 無線發送線圈直接放置在地板上

（2）測量接收信號

手持測試測試實驗電路板，從距離發送線圈6 米的距離逐步走向無線充電發送線圈。可以觀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送線圈

（2）距離線圈5米

在距離線圈5米的距離上，移動接收線圈，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米距離移動接收線圈

（3）距離線圈三米

在距離無線發送線圈兩米的距離，測量接收電壓的變化。左右移動一米的距離范圍內，電壓變化的范圍 0.8V～3.3V 。

▲ 在距離發送線圈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 移動接收電路，放大檢波信號的變化范圍 13V～17V。

▲ 在距離線圈一米距離內的變化

3.受到地板內鋼筋影響

由于地板內存在著鋼筋框架，它對于交變磁場影響很大。特別是在遠離信標燈（5米以上），也能夠感知到磁場強度會因為在地板的不同位置發生很大的變化。

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的鋼筋影響，輸出的電磁場的變化就應該成像距離線圈中心的長度呈現單調的變化。

※ 測試結論 ※

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

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接收天線，那么可以采用車模運動加無線信標檢測的模式。如果在車模上固定多個接收線圈電路，那么車模可以根據多個接收線圈接收電壓估計出無線發送線圈所在的方位了。

編輯：jq