Магнитоквазистатическое поле - Magnetoquasistatic field

А магнитоквазистатическое поле это класс электромагнитное поле в котором доминирует медленно колеблющееся магнитное поле. Магнитоквазистатическое поле обычно создается Низкая частота индукция от магнитного диполя или токовой петли. Магнитное поле в ближней зоне такого эмиттера отличается от более часто используемого поля в дальней зоне. электромагнитное излучение. На низких частотах скорость изменения мгновенной напряженности поля с каждым циклом относительно мала, отсюда и название «магнитоквазистатический». Ближнее поле или квазистатическая область обычно простирается не более чем на длину волны от антенны, и в этой области электрическое и магнитное поля приблизительно разделены.

Слабо проводящие немагнитные тела, в том числе человеческое тело и многие минеральные породы, эффективно прозрачны для магнитоквазистатических полей, что позволяет передавать и принимать сигналы через такие препятствия. Кроме того, длинноволновые (то есть низкочастотные) сигналы лучше способны распространяться по углам, чем более коротковолновые сигналы. Следовательно, связь не обязательно должна быть прямой видимости.

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

Физические принципы

Законы, представляющие основной интерес: Обходной закон Ампера (без учета плотности тока смещения) и закон непрерывности магнитного потока. Эти законы связали с собой условия непрерывности на интерфейсах. В отсутствие намагничиваемых материалов эти законы определяют напряженность магнитного поля H с учетом его источника, плотность тока J. H не везде является безвихревой. Однако везде соленоидально.^[1]

Дизайн оборудования

Типичная антенна представляет собой катушку на 50 витков вокруг полиоксиметиленовой трубки диаметром 16,5 см, управляемую классом E. осциллятор схема. Такое устройство легко переносить при питании от батареек. Точно так же типичный приемник состоит из активного приемного контура диаметром один метр, сверхмалошумящего усилителя и полосовой фильтр.^[2]

В процессе работы генератор пропускает ток через передающий контур, чтобы создать 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, диапазон квазистатической области, но снижает наведенное напряжение в приемных контурах, что ухудшает отношение сигнал / шум. В экспериментах, проведенных Технологическим институтом Карнеги, максимальная дальность составила 50 метров.^[3]

Приложения

Резонансная индуктивная связь

Основная статья: Резонансная индуктивная связь

При резонансной связи источник и приемник настроены на резонанс на одной и той же частоте и имеют одинаковые импедансы. Это позволяет энергии, а также информации течь от источника к приемнику. Такая связь через магнитоквазистатическое поле называется резонансная индуктивная связь и может использоваться для беспроводная передача энергии.

Приложения включают индукционное приготовление, индукционная зарядка аккумуляторов и некоторых видов RFID-метка.

Связь

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

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 представляет собой провод длиной до нескольких километров и тянется за судном на поверхности или вблизи поверхности.^{[нужна цитата ]}

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), сверхширокая полоса (СШП) системы и определение радиочастоты системы (RFID), но эти системы могут быть легко заблокированы препятствиями на их пути. Магнитоквазистатическое позиционирование использует тот факт, что поля в значительной степени не нарушаются в присутствии людей и физических структур, и может использоваться как для отслеживания положения, так и для отслеживания ориентации на дальностях до 50 метров.

Чтобы точно определить ориентацию и положение диполя / эмиттера, необходимо учитывать не только диаграмму поля, создаваемую эмиттером, но и вихревые токи они индуцируют в земле, которые создают вторичные поля, обнаруживаемые приемниками. Используя сложную теорию изображений для коррекции этого поля, генерируемого землей, и частоты порядка нескольких сотен килогерц для получения необходимого соотношение сигнал шум (SNR), можно проанализировать положение диполя через азимутальный ориентация, ${\displaystyle \theta }$, и склонность ориентация, ${\displaystyle \phi }$.

А Дисней Исследовательская группа использовала эту технологию для эффективного определения положения и ориентации американского футбола, что невозможно отследить с помощью обычных методов распространения волн из-за препятствий на пути человеческого тела. Они вставили катушку, управляемую осциллятором, вокруг диаметра центра шара, чтобы создать магнитоквазистатическое поле. Сигнал мог беспрепятственно проходить через нескольких игроков.

Рекомендации

Примечания

1. Хаус, Германн А. и Джеймс Р. Мельчер, Электромагнитные поля и энергия. (Массачусетский технологический институт: MIT OpenCourseWare). http://ocw.mit.edu [1] (по состоянию на 18 июня 2014 г.).
2. Д. Арумугам, Двумерное измерение положения с использованием магнитоквазистатических полей. http://disneyresearch.com [2] стр.2 (по состоянию на 17 июня 2014 г.).
3. Арумугам, Д. Д. (2011). Измерения положения и ориентации с использованием магнитоквазистатических полей. (Приказ № 3516108, Университет Карнеги-Меллона). ProQuest Dissertations and Theses, 159. Получено с http://search.proquest.com/docview/1027933791

Библиография

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