解读全距离测量150kHz导航信号放大检波

§01 导航电磁信号

1.背景介绍

导航电磁信号是频率为150kHz的电磁场信号，它是由全国大学生智能车竞赛[1] 中的节能信标组的无线充电线圈[2] 发送的高频电磁信号。由于该频率较低，在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[3] 中将该线圈所产生的交变磁场按照磁偶极子的磁场分布来进行分析。在超过线圈半径三倍距离以上，按照文献Magnetic Dipoles[4] 中的分析方式，磁场强度将随着距离的三次方进行衰减。

在测试基于2SK241的150kHz的导航信号高频放大器[5] 中提出了利用JFET组成的高频放大检波电路对有工字型电感组成的天线[6] 所接收到的导航信号产生的感应电动势进行放大检波的方法。在对于150kHz导航信号放大接收模块测试实验[7] 显示了由 LQ 对于制作的高频信号接收电路进行测试的结果，显示模块大约只能在2米范围内进行检测。这就使得无线导航在实际应用中的效果大打折扣。

▲ LQ的导航信号放大与检波电路原理图

2.问题分析

针对于150kHz的导航信号的强度随着距离的三次方衰减，这使得它在整个比赛场地内的幅度变化范围很大。为了提高检测信号的能力，则需要从以下几个方面对于接收电路进行优化：

优化接收天线性能。在使用了中波天线磁棒绕制150kHz导航信号接收天线[8] ，大幅度提高了接收信号的强度。另外高达170.1的线圈品质因子Q也使得所产生的谐振电压增益非常高。

增加放大电路信号动态范围。使用电感扼流圈作为高频放大漏极负载，替代普通的电阻，可以提高电源电压范围利用效率。这其中需要避免两个因素会导致电路工作不稳定：1）避免由于JFET的反向电容引起电路自激振荡，可以采用在JFET直耦级联放大电路：MPF102，2SK102[9] 描述的JFET直接耦合级联方式形成放大电路；2）对作为扼流圈的电感的外部磁场对天线的耦合而产生自激振荡。可以仿照在博文色环电感外部磁场泄露[10] 中使用高频磁环电感、小型的色环电感、表贴电感等。在配合正常的方向可以一直电路振荡；

适当增加倍压整流输出阻抗，将原来的10k增加到51k可以提高输出电压范围。

3.测试电路

下面给出了测试电路的原理图。为了便于移动，使用了一个+12V的锂电池作为工作电源，使用了数字万用表测量放大检波后的直流输出电压。

▲ 测试电路的原理图

整个测试电路搭建在简单的面包板上，其中的工字型的天线电感使用0.1×10股的Litz线绕制。用于信号放大的JFET使用为MPF102，它可以由2SK241替代。

使用了10mH色环电感作为L2，通过调整它的方向，使得整个电路不会发生磁耦合振荡。将L2电感放置水平位置，使得磁耦合所形成的负反馈量达到最小。

▲ 搭建的测试电路

下面对搭建好的电路进行接收信号测试。

§02 测试结果

1.电梯大厅内测试

（1）测试环境与距离

测试环境是在中央主楼6层的电梯口大厅。将发送线圈摆放在远处的楼梯口，使用激光测距仪测量线圈的距离大约是六米。

▲ 测量环境

将无线发送线圈直接放置在地板上。地面是水泥地面，其内部存在着钢筋，这对于无线发送磁场会有一定的影响。这方面可以从后面测量的结果中得到验证。

▲ 无线发送线圈直接放置在地板上

（2）测量接收信号

手持测试测试实验电路板，从距离发送线圈6 米的距离逐步走向无线充电发送线圈。可以观察到接收到的放大检波后的直流电压信号从最初的0.007V逐步增加到大于17V。

 

2.走廊测试

（1）测试的环境

利用办公室前面的走廊，来测量接收电路的效果。走廊的总长度大约在7米，无线充电线圈摆放在走廊的一端。

▲ 放置在走廊一端的发送线圈

（2）距离线圈5米

在距离线圈5米的距离上，移动接收线圈，可以看到接收到的直流电压在  0.07V～0.12V 之间变化。随着模块距离接收线圈靠近，接收的电压就越大。

▲ 在距离5米距离移动接收线圈

（3）距离线圈三米

在距离无线发送线圈两米的距离，测量接收电压的变化。左右移动一米的距离范围内，电压变化的范围  0.8V～3.3V 。

▲ 在距离发送线圈2米距离接收信号

（4）距离线圈1米

在距离线圈1米距离内 移动接收电路，放大检波信号的变化范围  13V～17V 。

▲ 在距离线圈一米距离内的变化

3.受到地板内钢筋影响

由于地板内存在着钢筋框架，它对于交变磁场影响很大。特别是在远离信标灯（5米以上），也能够感知到磁场强度会因为在地板的不同位置发生很大的变化。

这种影响也许将来在正式的比赛场地中，比如在室外普通操场上，如果没有地板水泥内的钢筋影响，输出的电磁场的变化就应该成像距离线圈中心的长度呈现单调的变化。

※ 测试结论 ※

通过搭建在面包板上的直接放大检波的无线电导航信号接收电路，测试了这个电路在接收导航信号方面的可行性以及相关的性能。通过观察可以看到地板内的钢筋会对磁场产生较大的影响。

文中所使用的接受天线线圈采用的为14×19mm的铁氧体磁骨架，如果进一步加大接收线圈的长度可以提高信号接收的灵敏度。

如果车模上只安装有一个接收天线，那么可以采用车模运动加无线信标检测的模式。如果在车模上固定多个接收线圈电路，那么车模可以根据多个接收线圈接收电压估计出无线发送线圈所在的方位了。

编辑：jq