旋转环境下电波传播特性及其在胎压监测中的应用

　　0　引言

　　无线电数据传输是以无线电波传播的数据通信技术。在旋转部件参数测量中,采用无线电数据传输技术的测量系统称为无线电监测系统。由于无线电数据传输具有较大的通信带宽、很强的穿透能力、较远的传输距离,得到了广泛的应用,尤其在航空航天、汽车领域。典型的无线电监测系统包括汽车胎压监测系统[1-3]、航空发动机无线测量装置以及直升机悬翼无线测量装置[4]。旋转部件参数测量中,由于被测对象的特殊性,需要特种的旋转部件参数遥测系统,要求该无线电监测系统能够以无线数据传输方式将转子上测量到的参数高效、可靠地传输到固定的接收机[5]。信息测量或采集由诸如电阻应变计、热电偶、电热调节器、压力变送器、加速计等传感器[4]完成。

　　如图1所示,安装在旋转部件上的发射机包括供电模块、传感单元、信号调理模块、无线数据发射模块以及发射天线,无线电监测发射机采集旋转部件上的各项参数,进行处理并发送给附近的固定接收设备;安装在地面、建筑物或者固定设备的接收机包括接收天线、无线数据接收模块、数据处理模块、数据存储模块以及控制和显示模块。已有的很多文献主要对固定或者平移无线收发系统中的电波传播特性进行了大量研究[6-10]。该文的主要目的是研究旋转环境下的电波传播特性,并基于一种典型旋转部件无线电监测系统,即胎压监测系统进行分析和测试。

　　1　特性分析

　　1·1　旋转环境下收发空间关系

　　在空间直角坐标系xyz中,假定旋转圆周所在平面为xOy平面,Oz为旋转部件的转轴,发射机围绕轴线旋转,给出如下定义和假定[11]:在远离波源处且在小范围内观察时,观察到的电磁波是均匀平面波;发射机旋转的切线速度为v T,速度大小为vT,角速度为ωn,转速为fn,发射机离轴心的距离为RT;发射机在圆周上的位置ST处,发射机和轴心的连线与x轴方向的夹角为αT(t),在t=0时,初始角度为αT(0)=α0。在任意时刻,发射机在该平面内的旋转角为

　　由式(3)和式(4)式可见:在自由空间中,发射机和接收机之间存在完全无阻挡的直接视距路径的条件下,可得到旋转环境下任一时刻收发之间的距离和空间角,它们与旋转半径、旋转速度、旋转角度、距离以及高度有关。

　　1·2　旋转环境下多普勒频移

式中n为折射率,空气中近似等于1。

　　当β 和k 位于同一方向,即接收机背向入射波方向运动时,则接收机多普勒频移为下移。当接收机向旋转发射机靠近时,多普勒频移上移。当接收机垂直于k 运动时,有横向多普勒频移f′=γf.由上式可以看出,工作频率越高,多普勒频移的波动范围越大;转速越高,多普勒频移越大,多普勒影响越严重;半径越大,多普勒频移越大,变化范围可达几百kHz甚至数MHz.