一種基于雙頻點諧振腔的水下無線電能和信號傳輸系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種基于雙頻點諧振腔的水下無線電能和信號傳輸系統(tǒng)，涉及無線電能傳輸和近場磁通信【技術(shù)領(lǐng)域】，它是為了解決目前進行水下無線電能傳輸以及水下信號傳輸通信的速度和質(zhì)量較差的問題。本發(fā)明通過高速交變磁場來傳遞信號，將數(shù)字信號通過2FSK方式調(diào)制進高頻載波信號中，再通過功率放大及雙諧振腔電路結(jié)構(gòu)將調(diào)制后的信號轉(zhuǎn)換為高頻交變磁場發(fā)射出去，在接收端，收發(fā)一體諧振腔在接收到高頻磁場后發(fā)生諧振，遠距離情況下耦合系數(shù)較小，只能進行信號傳輸，諧振出的電流較小通過信號放大及解調(diào)就能得到發(fā)射端的原始信號，而線圈在近距離耦合諧振時，耦合系數(shù)較大，實現(xiàn)在進行信號傳輸?shù)耐瑫r進行能量傳輸。本發(fā)明適用于水下無線電能和信號傳輸。
【專利說明】一種基于雙頻點諧振腔的水下無線電能和信號傳輸系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無線電能傳輸和近場磁通信【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種水下無線輸電及信號傳輸系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]水下設備之間和水下設備與水面設備的電能傳輸通常需要將設備浮出水面進行，這無疑限制了水下設備的工作時間、工作區(qū)域和其工作的成本，而且傳統(tǒng)水下設備通信一般采用聲吶系統(tǒng)，而聲波在水中傳輸會受到溫度、鹽濃度、水流、水下噪聲等的影響，通信的速度和質(zhì)量受到很大的影響，而且很容易被人為干擾，這無疑會給水下工作設備的正常工作造成很大的困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明是為了解決目前進行水下無線電能傳輸以及水下信號傳輸通信的速度和質(zhì)量較差的問題，從而提供一種基于雙頻點諧振腔的水下無線電能和信號傳輸系統(tǒng)。
[0004]一種基于雙頻點諧振腔的水下無線電能和信號傳輸系統(tǒng)，其特征是:它包括發(fā)射電路、接收電路和雙頻點收發(fā)一體諧振腔；
[0005]收發(fā)一體諧振腔包括接收發(fā)切換開關(guān)K、諧振電容Cl、一號諧振線圈L1、諧振電容C2和二號諧振線圈L2 ；
[0006]收發(fā)切換開關(guān)K第一靜端是雙頻點收發(fā)一體諧振腔的接收端；所述收發(fā)切換開關(guān)K的第二靜端是雙頻點收發(fā)一體諧振腔的發(fā)射端；收發(fā)切換開關(guān)K的動端與諧振電容Cl的一端連接；所述諧振電容Cl的另一端與諧振線圈LI的一端連接；所述諧振線圈LI的另一端同時與諧振電容C2的一端和諧振線圈L2的一端連接；所述諧振線圈L2的另一端與諧振電容C2的另一端連接；所述諧振線圈L2的另一端是雙頻點收發(fā)一體諧振腔的公共端；
[0007]發(fā)射電路包括信號調(diào)整部分和功率放大部分；
[0008]信號調(diào)整部分包括基帶信號發(fā)生電路311、音頻或數(shù)字信號發(fā)生電路312和信號調(diào)整電路313 ；
[0009]功率放大部分包括功率三極管Q和功率高頻變壓器T ；
[0010]基帶信號發(fā)生電路311的兩路基帶信號輸出端同信號調(diào)制電路313的兩路基帶信號輸入端連接；
[0011]音頻或數(shù)字信號發(fā)生電路312的音頻或數(shù)字信號輸出端與信號調(diào)制電路313的音頻或數(shù)字信號輸入端連接；
[0012]信號調(diào)制電路313的調(diào)制信號輸出端連接功率三極管Q的基極；
[0013]功率三極管Q的集電極與功率高頻變壓器T原邊的一端連接；所述功率高頻變壓器T原邊的另一端接入電源；功率高頻變壓器T副邊的一端接入雙頻點收發(fā)一體諧振腔的發(fā)射端；功率高頻變壓器T副邊的另一端接入雙頻點收發(fā)一體諧振腔的公共端；
[0014]接收電路包括高頻整流單元41、限幅單元42、穩(wěn)壓輸出電路43、高頻小信號放大電路44和信號解調(diào)電路45 ；
[0015]所述高頻整流單元41的兩個能量輸入端分別接入收發(fā)一體諧振腔的公共端和收發(fā)一體諧振腔的接收端；
[0016]所述高頻整流單元41的兩個能量輸出端接入穩(wěn)壓輸出電路43的兩個輸入端；
[0017]限幅單元包括二極管D1、二極管D2、電感L、電容C和可調(diào)限流電阻RL ；
[0018]所述二極管Dl的陽極同時與收發(fā)一體諧振腔的公共端、二極管D2的陰極、電感L的一端、電容C的一端和高頻小信號放大的電路44的一個輸入端連接；
[0019]可調(diào)限流電阻RL的一端與收發(fā)一體諧振腔的接收端連接；所述可調(diào)限流電阻RL的另一端同時與可調(diào)限流電阻RL的控制端、二極管Dl的陰極、二極管D2的陽極、電感L的另一端、電容C的另一端和高頻小信號放大電路44的另一個輸入端連接；
[0020]所述高頻小信號放大電路44的輸出端與信號解調(diào)電路45的信號輸入端連接；所述信號解調(diào)電路45的信號輸出端是接收電路的數(shù)據(jù)輸出端。
[0021]信號調(diào)制電路313為2FSK調(diào)制電路；信號解調(diào)電路45為2FSK解調(diào)電路。
[0022]一號諧振線圈LI和二號諧振線圈L2的結(jié)構(gòu)相同，所述一號諧振線圈LI包括柱形磁芯和勵磁線，所述勵磁線纏繞在柱形磁芯的外部。
[0023]一號諧振線圈LI和二號諧振線圈L2均豎直安裝在水下設備上。
[0024]本發(fā)明的目的在于提供一種水下無線電能傳輸及通信的系統(tǒng)，在水下環(huán)境中電場被完全屏蔽，但是磁場可以很好的傳播，可以通過高速交變磁場來傳遞信號，可以將數(shù)字信號通過2FSK方式調(diào)制進高頻載波信號中，再通過功率放大及雙諧振腔電路結(jié)構(gòu)將調(diào)制后的信號轉(zhuǎn)換為高頻交變磁場發(fā)射出去，在接收端，收發(fā)一體諧振腔在接收到高頻磁場后發(fā)生諧振，遠距離情況下耦合系數(shù)較小，只能進行信號傳輸，諧振出的電流較小通過信號放大及解調(diào)就能得到發(fā)射端的原始信號，而線圈在近距離耦合諧振時，耦合系數(shù)較大，可以在進行信號傳輸?shù)耐瑫r進行能量傳輸。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有以下優(yōu)點:
[0026]1、利用雙頻點諧振腔電路可以實現(xiàn)同一發(fā)射電路有發(fā)射多頻率信號的能力，只需要將諧振腔電路的諧振頻率和2FSK調(diào)制的兩個頻點對應就能利用2FSK調(diào)制后信號為雙頻點不斷變換的特點使諧振腔連續(xù)工作，在信號傳輸?shù)倪^程中不會影響能量的傳輸。
[0027]2、可以避免傳統(tǒng)水下聲吶通信的容易受到水溫、水流、鹽濃度、噪聲干擾等的缺點，提高通信的速度和質(zhì)量，均同比提高15%以上；
[0028]3、解決傳統(tǒng)磁通信距離近，速度慢、受能量傳輸影響大的缺點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1是本發(fā)明中線圈結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖2為收發(fā)一體諧振天線及收發(fā)切換電路連接示意圖。
[0031]圖3為發(fā)射電路的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖4為接收電路的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖5為水下設備應用的原理示意圖，其中標記A為水面；51為水上設備，52為水下設備?！揪唧w實施方式】
[0034]【具體實施方式】一、結(jié)合圖1說明本【具體實施方式】，一種基于雙頻點諧振腔的水下無線電能和信號傳輸系統(tǒng)，其特征是:它包括發(fā)射電路、接收電路和雙頻點收發(fā)一體諧振腔；
[0035]收發(fā)一體諧振腔包括接收發(fā)切換開關(guān)K、諧振電容Cl、一號諧振線圈L1、諧振電容C2和二號諧振線圈L2 ；
[0036]收發(fā)切換開關(guān)K的第一靜端是雙頻點收發(fā)一體諧振腔的接收端；所述收發(fā)切換開關(guān)K的第二靜端是雙頻點收發(fā)一體諧振腔的發(fā)射端；收發(fā)切換開關(guān)K的動端與諧振電容Cl的一端連接；所述諧振電容Cl的另一端與諧振線圈LI的一端連接；所述諧振線圈LI的另一端同時與諧振電容C2的一端和諧振線圈L2的一端連接；所述諧振線圈L2的另一端與諧振電容C2的另一端連接；所述諧振線圈L2的另一端是雙頻點收發(fā)一體諧振腔的公共端；
[0037]發(fā)射電路包括信號調(diào)整部分和功率放大部分；
[0038]信號調(diào)整部分包括基帶信號發(fā)生電路311、音頻或數(shù)字信號發(fā)生電路312和信號調(diào)整電路313 ；
[0039]功率放大部分包括功率三極管Q和功率高頻變壓器T ；
[0040]基帶信號發(fā)生電路311的兩路基帶信號輸出端同時信號調(diào)制電路313的兩路基帶信號輸入端連接；
[0041]音頻或數(shù)字信號發(fā)生電路312的音頻或數(shù)字信號輸出端與信號調(diào)制電路313的音頻或數(shù)字信號輸入端連接；
[0042]信號調(diào)制電路313的調(diào)制信號輸出端連接功率三極管Q的基極；
[0043]功率三極管Q的集電極與功率高頻變壓器T原邊的一端連接；所述功率高頻變壓器T原邊的另一端接入電源；功率高頻變壓器T副邊的一端接入雙頻點收發(fā)一體諧振腔的發(fā)射端；功率高頻變壓器T副邊的另一端接入雙頻點收發(fā)一體諧振腔的公共端；
[0044]接收電路包括高頻整流單元41、限幅單元42、穩(wěn)壓輸出電路43、高頻小信號放大電路44和信號解調(diào)電路45 ；
[0045]所述高頻整流單元41的兩個能量輸入端分別接入收發(fā)一體諧振腔的公共端和收發(fā)一體諧振腔的接收端；
[0046]所述高頻整流單元41的兩個能量輸出端接入穩(wěn)壓輸出電路43的兩個輸入端；
[0047]限幅單元包括二極管D1、二極管D2、電感L、電容C和RL ;
[0048]所述二極管Dl的陽極同時與收發(fā)一體諧振腔的公共端、二極管D2的陰極、電感L的一端、電容C的一端和高頻小信號放大的電路44的一個輸入端連接；
[0049]RL的一端與收發(fā)一體諧振腔的接收端連接；所述RL的另一端同時與RL的控制端、二極管Dl的陰極、二極管D2的陽極、電感L的另一端、電容C的另一端和高頻小信號放大電路44的另一個輸入端連接；
[0050]所述高頻小信號放大電路44的輸出端與信號解調(diào)電路45的信號輸入端連接；所述信號解調(diào)電路45的信號輸出端是接收電路的數(shù)據(jù)輸出端。
[0051]【具體實施方式】二、本【具體實施方式】與【具體實施方式】一所述的一種基于雙頻點諧振腔的水下無線電能和信號傳輸系統(tǒng)的區(qū)別在于，信號調(diào)制電路313為2FSK調(diào)制電路；信號解調(diào)電路45為2FSK解調(diào)電路。[0052]【具體實施方式】三、本【具體實施方式】與【具體實施方式】一所述的一種基于雙頻點諧振腔的水下無線電能和信號傳輸系統(tǒng)的區(qū)別在于，一號諧振線圈LI和二號諧振線圈L2的結(jié)構(gòu)相同，所述一號諧振線圈LI包括柱形磁芯和勵磁線，所述勵磁線纏繞在柱形磁芯的外部。
[0053]【具體實施方式】四、本【具體實施方式】與【具體實施方式】三所述的一種基于雙頻點諧振腔的水下無線電能和信號傳輸系統(tǒng)的區(qū)別在于，一號諧振線圈LI和二號諧振線圈L2均豎直安裝在水下設備上。
[0054]【具體實施方式】五、本【具體實施方式】與【具體實施方式】一所述的一種基于雙頻點諧振腔的水下無線電能和信號傳輸系統(tǒng)的區(qū)別在于，基帶信號發(fā)生電路311發(fā)出的兩路基帶信號的頻率分別為Π和f2的正弦信號作為載波，所述fl和f2的范圍均為IOKHz?10MHz。
[0055]本發(fā)明的主要技術(shù)要點包括:
[0056]A:本發(fā)明主要由發(fā)射電路、接收電路和雙諧振腔收發(fā)一體電路組成，發(fā)射電路由信號調(diào)制和功率放大兩大部分電路組成，接收電路由限幅、高頻小信號放大、信號解調(diào)和信號輸出幾部分電路組成。而雙諧振腔收發(fā)一體電路包括兩個帶有磁芯的諧振線圈和兩組與線圈匹配的電容組和一個收發(fā)切換開關(guān)組成。諧振電容組2與諧振線圈2并聯(lián)后于諧振電容組I和諧振線圈I串聯(lián)構(gòu)成雙諧振腔結(jié)構(gòu)。雙諧振腔電路結(jié)構(gòu)具有兩個諧振頻率點，在這兩個頻點上電路都能正常工作，收發(fā)切換開關(guān)的功能是切換諧振電路分別與發(fā)射電路或者是與接收電路相連接，控制系統(tǒng)工作在發(fā)射或者接收狀態(tài)。
[0057]B:基帶信號發(fā)生電路產(chǎn)生兩路頻率為Π和f2的正弦信號作為載波，Π和f2的范圍為IOKHz?IOMHz。
[0058]C:信號調(diào)制電路調(diào)制方式為2FSK方式，根據(jù)調(diào)制原理會產(chǎn)生不同的頻點分時傳輸，即在信號傳輸過程中調(diào)制后信號會在兩個頻點根據(jù)要發(fā)送的數(shù)字信號快速的切換，此時兩個諧振腔可以不同時的分別工作在不同的兩個頻點。
[0059]D:在發(fā)射端和接收端距離較近時，兩組諧振腔的耦合系數(shù)會增大，此時可以進行信號和能量的同時傳輸，收發(fā)兩端的兩組線圈中發(fā)射端的兩個線圈會分別和接收端頻點對應的線圈發(fā)生耦合諧振，分時傳輸信號和能量。
[0060]E:限幅電路由一個可調(diào)的限流電阻、兩個并聯(lián)限流二極管和一個頻帶很寬的帶通濾波器組成，目的是限制幅度較大的信號通過而造成小信號放大部分電路損壞同時濾除帶通濾波器通頻帶以外的噪音信號。
[0061]F:信號解調(diào)電路負責將收到的2FSK信號進行解調(diào)。
[0062]G:兩個線圈豎直放置在水下設備中，最好放置在設備外側(cè)避免屏磁材料的影響。
[0063]H:應用于水面上設備與水面下設備互相通信作為實例說明:
[0064]水面上設備的線圈組安裝在底部位置，水面下設備的線圈組安裝在設備上部，如圖5所示。水上設備通過安裝在底部的線圈組向外輻射載有信號的高頻磁場，在水下設備上方安裝的線圈組與發(fā)射端輻射的高頻磁場發(fā)生耦合諧振，在距離較近時耦合程度高可以進行電能傳輸，而無論在近距離或者遠距離由于在接收端電路中有高頻小信號放大都可以進行信號傳輸，水下設備之間同理也可以進行能量和數(shù)據(jù)傳輸。
【權(quán)利要求】
1.一種基于雙頻點諧振腔的水下無線電能和信號傳輸系統(tǒng)，其特征是:它包括發(fā)射電路、接收電路和雙頻點收發(fā)一體諧振腔； 收發(fā)一體諧振腔包括接收發(fā)切換開關(guān)(K)、諧振電容Cl、一號諧振線圈(LI)、諧振電容C2和二號諧振線圈(L2)； 收發(fā)切換開關(guān)(K)的第一靜端是雙頻點收發(fā)一體諧振腔的接收端；所述收發(fā)切換開關(guān)(K)的第二靜端是雙頻點收發(fā)一體諧振腔的發(fā)射端；收發(fā)切換開關(guān)(K)的動端與諧振電容Cl的一端連接；所述諧振電容Cl的另一端與諧振線圈LI的一端連接；所述諧振線圈LI的另一端同時與諧振電容C2的一端和諧振線圈L2的一端連接；所述諧振線圈L2的另一端與諧振電容C2的另一端連接；所述諧振線圈L2的另一端是雙頻點收發(fā)一體諧振腔的公共端; 發(fā)射電路包括信號調(diào)整部分和功率放大部分； 信號調(diào)整部分包括基帶信號發(fā)生電路(311)、音頻或數(shù)字信號發(fā)生電路(312)和信號調(diào)整電路(313)； 功率放大部分包括功率三極管(Q)和功率高頻變壓器(T)； 基帶信號發(fā)生電路(311)的兩路基帶信號輸出端同信號調(diào)制電路(313)的兩路基帶信號輸入端連接； 音頻或數(shù)字信號發(fā)生電路(312)的音頻或數(shù)字信號輸出端與信號調(diào)制電路(313)的音頻或數(shù)字信號輸入端連接； 信號調(diào)制電路(313)的調(diào)制信號輸出端連接功率三極管(Q)的基極； 功率三極管(Q)的集電極與功`率高頻變壓器(T)原邊的一端連接；所述功率高頻變壓器(T)原邊的另一端接入電源；功率高頻變壓器(T)副邊的一端接入雙頻點收發(fā)一體諧振腔的發(fā)射端；功率高頻變壓器(T)副邊的另一端接入雙頻點收發(fā)一體諧振腔的公共端；接收電路包括高頻整流單元(41)、限幅單元(42)、穩(wěn)壓輸出電路(43)、高頻小信號放大電路(44)和信號解調(diào)電路(45)； 所述高頻整流單元(41)的兩個能量輸入端分別接入收發(fā)一體諧振腔的公共端和收發(fā)一體諧振腔的接收端； 所述高頻整流單元(41)的兩個能量輸出端接入穩(wěn)壓輸出電路(43)的兩個輸入端； 限幅單元包括二極管D1、二極管D2、電感L、電容C和可調(diào)限流電阻(RL)； 所述二極管Dl的陽極同時與收發(fā)一體諧振腔的公共端、二極管D2的陰極、電感L的一端、電容C的一端和高頻小信號放大的電路(44)的一個輸入端連接； 可調(diào)限流電阻(RL)的一端與收發(fā)一體諧振腔的接收端連接；所述可調(diào)限流電阻(RL)的另一端同時與可調(diào)限流電阻(RL)的控制端、二極管Dl的陰極、二極管D2的陽極、電感L的另一端、電容C的另一端和高頻小信號放大電路(44)的另一個輸入端連接； 所述高頻小信號放大電路(44)的輸出端與信號解調(diào)電路(45)的信號輸入端連接；所述信號解調(diào)電路(45)的信號輸出端是接收電路的數(shù)據(jù)輸出端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙頻點諧振腔的水下無線電能和信號傳輸系統(tǒng)，其特征在于信號調(diào)制電路(313)為2FSK調(diào)制電路；信號解調(diào)電路(45)為2FSK解調(diào)電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙頻點諧振腔的水下無線電能和信號傳輸系統(tǒng)，其特征在于一號諧振線圈(LI)和二號諧振線圈(L2)的結(jié)構(gòu)相同，所述一號諧振線圈(LI)包括柱形磁芯和勵磁線，所述勵磁線纏繞在柱形磁芯的外部。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于雙頻點諧振腔的水下無線電能和信號傳輸系統(tǒng)，其特征在于一號諧振線圈(LI)和二號諧振線圈(L2)均豎直安裝在水下設備上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙頻點諧振腔的水下無線電能和信號傳輸系統(tǒng)，其特征在于基帶信號發(fā)生電路(311)發(fā)出的兩路基帶信號的頻率分別為fl和f2的正弦信號作為載波，所述fl和f2的范圍均為IOKHz~IOMHz。`
【文檔編號】H04B13/02GK103701487SQ201410015970
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2014年1月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月14日
【發(fā)明者】朱春波, 姜金海, 魏國, 宋凱, 逯仁貴 申請人:哈爾濱工業(yè)大學