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1、仿真分析仿真分析引言引言引信磁共振装定系统设计引信磁共振装定系统设计结论结论针对长距离条件下武器系统对能量和信息的高效同步传输要求，为解决感应装定传输距离短以及射频装定和激光装定中能量传输效率低等问题，结合磁共振耦合理论，建立了磁共振装定模型。同时，利用公式推导论证了磁共振技术的可行性。设计了基于磁共振技术的引信无线能量与信息同步传输工作系统。最后，利用OrCAD软件对传输系统进行了频域和时域的仿真分析。摘要摘要引言引言无线传输技术是一种利用特殊设备将能量和信息在无需电线连接的情况下直接进行传输的技术。无线传输技术大致分为三类：一、通过电磁感应耦合方式进行短距离传输，其有效传输距离最多只有几个
2、厘米； 二、以电磁波非辐射性谐振形式即磁共振形式进行中程传输， 有效传输距离可达几十厘米到几米；三、以微波或激光形式进行远程传输，其传输距离可超过几千米。无线传输已在引信装定技术上得到了广泛的应用。目前，国内技术较为成熟的是电磁感应装定，它是靠两个距离较近线圈的感应耦合实现能量和信息的同步传输。射频装定和光学装定也在引信上得到了应用，其工作原理就是利用安装在装定器和引信上的发射线圈和接收线圈，以微波或激光为载体。电磁感应装定技术存在的问题是传输距离较短。在一些武器系统中，要求进行长距离（米级）信息和能量传输时，不再适用。射频装定和光学装定，传输距离远，但系统稳定性差，传输效率低。在外弹道装定时
3、，主要是信息的传输，而且引信需要自身配备电源供电。在如海岸、岛礁或高原等一些无人值守的武器系统，迫切需要能量和信息能够达到长距离的同步传输。磁共振传输技术与电磁感应方式相比，虽然采用的磁场弱，但可以实现更长距离的传输；与微波或激光传输方式相比，能量损耗较小，传输效率高，传输性能更稳定。基于磁共振理论，提出利用一对处于磁共振耦合状态的线圈实现装定器与弹药引信间的无线能量供给与信息同步传输的装定技术。磁共振耦合技术的理论依据：如果两个振荡电路具有相同频率， 那么在波长范围内它们是通过近场瞬逝波方式耦合的。发射线圈产生的驻波在小于损耗时间的情况下，允许能量高效地从一个物体传输到另一个物体。虽然发射线
4、圈和接收线圈之间的共振耦合随两者距离有所衰减，但从理论上说，未被负载吸收的能量会返回发射线圈，从而不会对效率影响太大。1 磁共振传输模型此模型主要包括两部分：能量发射模块和能量接收模块。能量发射模块包括驱动电路、驱动线圈和发射线圈；能量接收模块包括接收线圈、拾取线圈和负载电路。工作原理：驱动电路产生高频交流信号输入驱动线圈中，发射线圈利用电磁感应从中获取能量，接收线圈与发射线圈具有相同的频率而发生谐振，从而实现能量传输，拾取线圈通过感应从中获取能量。随着能量不断聚集，经过后续电路即可供给负载。磁共振无线传输系统可以用场强公式表示2 磁共振模型理论分析若a1(t)和a2(t)分别表示发射线圈和接
5、收线圈对应的场强，则， 是发射线圈和接收线圈的固有损耗，为电路中衰减时间常数的倒数； ，是发射线圈和接收线圈 的特征频率； 为两线圈间场的耦合系数，越大，耦合越强。假设：1、线圈的耦合系数远远大于阻尼的情况下（ 即,）2、两个线圈满足谐振的条件即3、接收线圈的初始能量为零则发射线圈和接收线圈中能量随时间变化的表达式为由（3）和（4）可知：当两个线圈耦合系数远远大于线圈的固有损耗时，谐振线圈的能量传输近乎是完美的，可以将信息调制在此载波上，实现能量和信息的同步传输。3 引信磁共振装定系统设计引信能量和信息非接触传输技术包括能量非接触传输和信息非接触传输两个方面。前者为引信电路提供电能，后者实现引
6、信信息装定。两者之间是按一种时序进行运作的，即系统只有在获得足够的能量后， 才能进行信息传输。工作原理：1、高频信号发生电路产生驱动信号，经过功率放大电路和发射模块传输能量，为引信电路工作提供电能。2、火控计算机或装定器自身键盘作为输入设备输入装定信号给装定器微处理器，微处理器将输入信号进行编码后发送给调制器，调制器对装定信号进行调制，已调信号经过功率放大器放大后通过发射线圈发送出去。3、引信控制电路包括能量接收电路和信息接收电路，引信控制电路在能量非接触传输过程中接收到的能量通过储能电容储存起来，在接下来的信息传输过程中为引信电路供能。4、为了保证装定正确，引信控制电路需要将接收到的装定信号
7、反向传输给装定器，并在显示屏上显示，以确定装定的正确性。信息反馈电路中的引信控制处理单元将接收到的装定信号经调制解调器反向发送出去，装定器电路中的解调电路对接收到的反馈信号处理后发送给微处理器，微处理器驱动显示屏显示出反馈信号， 从而判定装定是否正确。3.1 磁共振耦合模块的设计驱动线圈和发射线圈可设置在装定器上，拾取线圈设置在引信体上。至于接收线圈的位置，可以根据实际装定的方式进行设计。注意：1、处于谐振的两个线圈，共振频率一般在0.0550MHz之间。共振频率越高，传输效率越高。频率越高对电路器件要求就越高，故一般选取频率不宜超过10MHz；2、两谐振线圈的中轴线应尽量在同一条线上，共振耦
8、合效率更高； 3、对于线圈本身，其工作频率接近半波长的整数倍时传输效率会提高，且线圈的直径加大也会提高线圈的效率；传输距离不要超过感应线圈的倍远，否则由于感应磁场不够强，相同振动频率的线圈就无法高效地接收电能。3.2 信息调制和解调的方法调制方法分为调幅、调频和调相三种方式。信号的解调有相干解调和非相干解调两种。引信控制电路的体积小，要求接收设备简单，故在引信装定中采用非相干解调， 相干解调接收设备要比非相干解调复杂得多。磁共振装定技术中发射线圈和接收线圈在同一特定的频率下， 系统对工作频率的变化较为敏感，故不能采用调频方式。由于功率放大器的开关频率较敏感，开关频率应保持稳定。调幅方式相对于调
9、相方式，载波频率稳定，适宜能量和信息的传输。通过综合比较，引信磁共振装定中信息调制可采用调幅方式。信息接收采用非相干解调。对于信息的反向传输，可以采用负载调制技术，通过对负载调制信号进行解调就可获得反馈信息。3.3 基带信号编码数字信号的编码分为信源编码和信道编码两种。信源编码侧重于信息的有效性，信道编码侧重于信息的可靠性。装定过程要求：信息传输过程中尽最大可能保证装定器到引信板的能量供给；编码和解码方式要安全可靠；尽可能提高传输效率，提高频带利用率。根据上述要求，磁共振装定仍可以采用目前在感应装定中应用比较成熟的编码技术占空比。4 仿真分析仿真分析对图磁共振的无线传输系统建立仿真模型并采用
10、OrCAD软件仿真分析。图为磁共振系统等效电路仿真模型。因驱动线圈与和距离相对较远，耦合比较弱，故可忽略与和间的直接耦合作用，同理与和间的直接耦合也忽略。驱动线圈输入的是交流信号，线圈可以等效为电阻和电感串联。仿真条件：激励电源为sinwt，幅值为1；各线圈等效电阻和电感的大小如图所示。图中，C2和C3为调节发射线圈和接收线圈工作在共振频率时的外接电容，其值取3pF；负载为，阻值为50。线圈与，与以及和的耦合系数取值分别为：12 =0.4， 23 =0.005， 34=0.4。对无线能量传输系统在频域和时域内的传输特性仿真如图和所示。图中，负载4 中电流输出幅值随系统工作频率的变化十分明显，而
11、且工作频率在共振频率为7.090MHz时，电流输出最大。在设计系统时尽量使系统的工作频率与共振频率接近，从而提高系统的能量传输效率。系统在共振频率为7.090MHz工作条件下，负载中电流输出幅值随时间的变化如图所示。负载中电流变化十分规则。故可采用调幅方式将装定的信息加载到能量波中，实现信息和能量的同步传输。仿真结果论证了磁共振装定技术的可行性。5 结论结论本文基于磁共振无线传输理论，建立了无线传输模型，设计了基于磁共振技术的引信无线能量和信息同步传输系统。引信磁共振装定技术可以实现长距离能量和信息的高效传输，而且其阻碍小，可以穿过不同的障碍物而不影响传输效率。磁共振不但在引信装定技术上具有十分重要的应用价值， 而且在机器人、 电器无线供能、 电动汽车等方面具有光明的应用前景。
