С.Д. Креков1, Н.М. Боев2

1,2 Сибирский федеральный университет (г. Красноярск, Россия)

1,2 Институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения РАН (г. Красноярск, Россия)

1 sdk@kirensky.ru, 2 boev@iph.krasn.ru

Постановка проблемы. В ближнепольных магнитных системах связи передача сигнала осуществляется с помощью модулируемого переменного магнитного поля. Ключевым преимуществом данных систем, в отличие от электромагнитных систем связи, является меньшая зависимость коэффициента затухания сигнала от проводимости и диэлектрической проницаемости среды, однако общее затухание магнитного поля на пути распространения в сравнении с электромагнитной волной значительно выше. Поэтому ближнепольные магнитные системы связи применяются для организации каналов связи в подземных и подводных пространствах. В сравнение с акустическими и оптическими системами связи магнитные обладают следующими преимуществами: малая величина задержек распространения сигнала; возможность одновременной передачи информации и энергии для питания приемной части канала.

Цель. Разработать программно-аппаратный комплекс для проектирования ближнепольных магнитных систем связи, образованный программой расчета бюджета канала и демонстрационным макетом.

Результаты. Проведена обработка накопленных знаний и составлена методика расчета бюджета канала, реализованная в программе с графическим интерфейсом пользователя. Достоверность результатов расчета подтверждена с помощью разработанного и изготовленного макета односторонней голосовой системы связи с частотной манипуляцией. Макет включает в себя два модема и обеспечивает передачу голоса на расстояниях до 5 м при диаметре антенны 17 см.

Практическая значимость. При помощи разработанных программы и макета можно судить о возможности реализации ближнепольной магнитной системы связи для конкретных условий связи.

Креков С.Д., Боев Н.М. Программно-аппаратный комплекс для проектирования ближнепольных магнитных систем связи // Успехи современной радиоэлектроники. 2023. T. 77. № 12. С. 60–72. DOI: https://doi.org/10.18127/j20700784-202312-08

1. Sun Z., Akyildiz I.F. Magnetic induction based communications for wireless underground sensor networks // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2010. V. 58. № 7. P. 2426–2435.
2. Lou Y., Ahmed N. Textbooks in telecommunication engineering. Underwater communications and networks. Springer. 2022.
3. Sharma A.K., Yadav S., Dandu S.N., Kumar V., Sengupta J., Dhok S.B., Kumar S. Magnetic induction-based non-conventional
   media communications: a review // IEEE Sensor Journal. 2017. V. 17. № 4. P. 926–940.
4. Liu L., Zhou S., Cui J.H. Prospects and problems of wireless communication for underwater sensor networks // Wireless Communications and Mobile computing. 2008. V. 8. № 8. P. 977–994.
5. Zhang Z., Pang H., Georgiadis A., Cecati C. Wireless power transfer an overview // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2019. V. 66. № 2. P. 1044–1058.
6. Kisseleff S., Akyildiz I.F., Gerstacker W.H. Magnetic induction based simultaneous wireless information and power transfer for single information and multiple power receivers // IEEE Transactions and Communications 2017. V. 65, № 3. P. 1396–1410.
7. Li Y., Wang C., Jin C., Zhang Y., Jiang T. A survey of underwater magnetic induction communications: fundamental issues, recent advances, and challenges // IEEE Communications Surveys & Tutorials. 2019. V. 21. № 3. P. 2466–2487.
8. Akyilidiz I.F., Wang P., Sun Z. Realizing underwater communication through magnetic induction // IEEE Communications Magazine 2015. V. 53. № 11. P. 42–48.
9. Markham A., Trigoni N. Magneto–inductive networked rescue system (miners): taking sensor networks underground // IPSN'12: The 11th International Conference on Information Processing in Sensor Networks. Beijing, China, 2012. P. 317–328.
10. Kisseleff S., Akyildiz I.F., Grestacker W.H. Survey on advances in magnetic induction based wireless underground sensor networks // IEEE Internet of Things Journal. 2018. V. 5. № 6. P. 4843–4856.
11. Yu X., Wu P., Han W., Zhang Z. A survey on wireless sensor network infrastructure for agriculture // Computer Standarts and Interfaces. 2013. V. 35. № 1. P. 59–64.
12. Markham A., Trigoni N., Ellwood S.A., Macdonald D.W. Revealing the hidden lives of underground animals using magneto–inductive tracking // SenSys'10: Proceedings of the 8th ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems. Zurich, Switzerland. 2010. P. 281–294.
13. Kim H.J., Hirayama H., Kim S., Han J.K., Zhang R., Choi J. Review of near–field wireless power and communication for biomedical applications // IEEE Access. 2017. V. 5. P. 21264–21285.
14. Werner D.H. An exact integration procedure for vector potentials of thin circular loop antennas // IEEE Transactions on Antennas and Propagation 1996. V. 44. № 2. P. 157–165.
15. Pellicer-Guirdi R., Vigel M.W., Reutens D.C., Vegh V. Towards ultimate low frequency air–core magnetometer sensitivity // Scientific Reports. 2017. V. 7:2269. p. 12.
16. Savukov I.M., Seltzer S.J., Romalis M.V. Detection of NMR signals with radio–frequency atomic magnetometer // Journal of Magnetic Resonance. 2007. V. 185. № 2. P. 214–220.
17. Tuscott T.T., Beal D.N., Pantic Z. Review of wireless charging systems for autonomous underwater vehicles // IEEE Journal of Oceanic Engineering. 2019. V. 44. № 1. P. 68–87.
18. Kraichman M.B. Impedance of a circular loop in an infinite conducting medium // Journal of Research of the National Bureau of Standards, Section D: Radio Propagation. 1962. V. 66. № 4. P. 499–503.
19. Fraser-Smith A.C. ULF magnetic fields generated by electrical storms and their significance to geomagnetic pulsation generation // Geophysical Research Letters. 1993. V. 20. № 6. P. 467–470.
20. Боев Н.М. Разработка и исследование широкополосного магнитометра слабых магнитных полей на основе микрополоскового резонатора // Дисс. … к.ф.-м.н. Красноярск. 2019. URL: http://kirensky.ru/zdoc/diss_boev.pdf.
21. Программа ЭВМ №2022669574 РФ. Программа автоматизированного расчета бюджета канала ближнепольной магнитной системы связи / Креков С.Д., Боев Н.М. Заявл. 10.10.2022. Опубл. 21.10.2022. Бюл. № 8.
22. Креков С.Д., Боев Н.М., Изотов А.В. Методика автоматизированного расчета бюджета канала ближнепольной магнитной системы связи // Материалы XXVI Междунар. науч.-практич. конф. «Решетневские чтения»: [в 2 томах]. Красноярск:
    Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева. 2022. Т. 1. С. 349–351.