Магнитоквазистатическое поле

Магнитоквазистатическое поле — это класс электромагнитных полей , в которых преобладает медленно осциллирующее магнитное поле. Магнитоквазистатическое поле обычно создается за счет низкочастотной индукции магнитного диполя или токовой петли. Магнитное ближнее поле такого излучателя ведет себя иначе, чем более часто используемое электромагнитное излучение дальнего поля . На низких частотах скорость изменения мгновенной напряженности поля с каждым циклом относительно медленная, что и привело к названию «магнито-квазистатическое». Ближнее поле или квазистатическая область обычно простираются не более чем на длину волны от антенны, и внутри этой области электрические и магнитные поля примерно развязаны.

Слабопроводящие немагнитные тела, в том числе тело человека и многие минеральные породы, эффективно прозрачны для магнитоквазистатических полей, что позволяет осуществлять передачу и прием сигналов через такие препятствия. Кроме того, длинноволновые (т.е. низкочастотные) сигналы лучше распространяются за углами, чем более коротковолновые сигналы. Поэтому связь не обязательно должна осуществляться в пределах прямой видимости.

Дальность связи таких сигналов зависит как от длины волны, так и от электромагнитных свойств окружающей среды на выбранной частоте и обычно ограничивается несколькими десятками метров.

Физические принципы

Основной интерес представляют законы цепи Ампера (без учета плотности тока смещения) и закон непрерывности магнитного потока. Эти законы связали с ними условия непрерывности на границах раздела. В отсутствие намагничивающихся материалов эти законы определяют напряженность магнитного поля H с учетом его источника, плотность тока J. H не везде является безвихревым. Однако он везде соленоидальный. ^[1]

Проектирование оборудования

Типичная антенна представляет собой 50-витковую катушку вокруг полиоксиметиленовой трубки диаметром 16,5 см, приводимую в движение генераторной схемой класса E. Такое устройство легко переносить при питании от батареек. Точно так же типичный приемник состоит из активной приемной петли диаметром один метр, сверхмалошумящего усилителя и полосового фильтра . ^[2]

В процессе работы генератор пропускает ток через передающий контур, создавая колеблющееся магнитное поле. Это поле индуцирует напряжение в приемном контуре, которое затем усиливается. ^[2]

Поскольку квазистатическая область определяется в пределах одной длины волны электромагнитного источника, излучатели ограничены диапазоном частот примерно от 1 кГц до 1 МГц. Уменьшение частоты колебаний увеличивает длину волны и, следовательно, дальность действия квазистатической области, но уменьшает наведенное напряжение в приемных контурах, что ухудшает соотношение сигнал/шум. В экспериментах, проведенных Технологическим институтом Карнеги, максимальная дальность, о которой сообщалось, составила 50 метров. ^[3]

Приложения

Резонансная индуктивная связь

При резонансной связи источник и приемник настраиваются на резонанс на одной и той же частоте и имеют одинаковые импедансы. Это позволяет мощности и информации передаваться от источника к приемнику. Такая связь через магнитоквазистатическое поле называется резонансной индуктивной связью и может использоваться для беспроводной передачи энергии .

Приложения включают индукционное приготовление пищи , индукционную зарядку аккумуляторов и некоторые виды RFID-меток .

Коммуникации

Обычные сигналы электромагнитной связи не могут проходить через землю. Большинство минеральных пород не являются ни электропроводными, ни магнитными, что позволяет проникать магнитным полям. Магнитоквазистатические системы успешно используются для подземной беспроводной связи, как наземной, так и между подземными объектами. ^{[ нужна ссылка ]}

На чрезвычайно низких частотах, ниже примерно 1 кГц, длина волны достаточна для связи на большие расстояния, хотя и с низкой скоростью передачи данных. Такие системы были установлены на подводных лодках, при этом местная антенна состоит из провода длиной до нескольких километров и тянется за судном, когда оно находится на поверхности или вблизи нее. ^{[ нужна ссылка ]}

Отслеживание положения и ориентации

Беспроводное отслеживание местоположения все чаще используется в таких приложениях, как навигация, безопасность и отслеживание активов . Обычные устройства отслеживания местоположения используют высокие частоты или микроволны, в том числе системы глобального позиционирования (GPS), системы сверхширокополосной связи (UWB) и системы радиочастотной идентификации (RFID), но эти системы могут быть легко заблокированы препятствиями на их пути. Магнитоквазистатическое позиционирование использует тот факт, что поля в основном не нарушаются в присутствии людей и физических структур, и может использоваться как для отслеживания положения, так и для отслеживания ориентации на расстоянии до 50 метров.

Чтобы точно определить ориентацию и положение диполя/излучателя, необходимо учитывать не только диаграмму поля, генерируемую излучателем, но и вихревые токи, которые они индуцируют в земле, которые создают вторичные поля, обнаруживаемые приемниками. Используя сложную теорию изображений для коррекции генерации поля с Земли и используя частоты порядка нескольких сотен килогерц для получения требуемого отношения сигнал/шум (SNR), можно проанализировать положение диполя с помощью азимутальная ориентация, $\theta$ и ориентация наклона , $\phi$ .

Исследовательская группа Диснея использовала эту технологию для эффективного определения положения и ориентации американского футбольного мяча, что невозможно отследить с помощью традиционных методов распространения волн из-за препятствий человеческого тела. Они вставили катушку с генераторным приводом вокруг диаметра центра шара, чтобы создать магнитоквазистатическое поле. Сигнал мог беспрепятственно проходить через несколько игроков.

Ссылки

Примечания

^ Хаус, Герман А.; Мельчер, Джеймс Р. (1989). «Магнитоквазистатические поля: точки зрения интеграла суперпозиции и граничных значений» (PDF) . Электромагнитные поля и энергия . Прентис Холл. стр. 310–370. ISBN 978-0-13-249020-7 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Арумугам, Д.Д.; Гриффин, доктор юридических наук; Стэнсил, Д.Д.; Рикеттс, DS (2011). «Двумерное измерение положения с использованием магнитоквазистатических полей». Тематическая конференция IEEE-APS 2011 г. по антеннам и распространению сигнала в беспроводной связи . стр. 1193–1196. дои : 10.1109/APWC.2011.6046832 . ISBN 978-1-4577-0046-0 . S2CID 35664600 .
^ Арумугам, Дарминдра Д. (2011). Измерения положения и ориентации с использованием магнитоквазистатических полей (Диссертация). п. 159. ПроКвест 1027933791 .

Библиография

Маркус Зан. «Глава 8: Магнитоквазистатические поля: точки зрения интеграла суперпозиции и граничных значений» MIT OpenCourseWare , 10 октября 2008 г.
Дарминдра Д. Арумугам «Беспроводное определение ориентации с использованием магнитоквазистатических полей и теории сложных изображений» 2012 г.

[1] Хаус, Герман А.; Мельчер, Джеймс Р. (1989). «Магнитоквазистатические поля: точки зрения интеграла суперпозиции и граничных значений» (PDF) . Электромагнитные поля и энергия . Прентис Холл. стр. 310–370. ISBN 978-0-13-249020-7 .

[arumugam2014-2] Перейти обратно: ^а ^б Арумугам, Д.Д.; Гриффин, доктор юридических наук; Стэнсил, Д.Д.; Рикеттс, DS (2011). «Двумерное измерение положения с использованием магнитоквазистатических полей». Тематическая конференция IEEE-APS 2011 г. по антеннам и распространению сигнала в беспроводной связи . стр. 1193–1196. дои : 10.1109/APWC.2011.6046832 . ISBN 978-1-4577-0046-0 . S2CID 35664600 .

[3] Арумугам, Дарминдра Д. (2011). Измерения положения и ориентации с использованием магнитоквазистатических полей (Диссертация). п. 159. ПроКвест 1027933791 .

[1]

[2]

[3]