水下磁性接收天线的设计与制作.pdf

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1、总第２６８期舰船电子工程Ｖｏｌ．３６Ｎｏ．１０２０１６年第１０期ＳｈｉｐＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ１８１*水下磁性接收天线的设计与制作刘凯凯王永斌刘桐（海军工程大学电子工程学院武汉４３００３３）摘要磁感应通信在地下、水下、沿岸和洞穴等特殊环境中能够替代传统的电磁波通信系统。论文针对水下环境中磁感应通信的特点，分析了天线结构参数对其性能的影响，制作了特低频测试天线，并进行了灵敏度测试，验证了天线设计方案的正确性。关键词磁天线；水下通信；低频中图分类号ＴＮ８５９DOI：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２‐９７３０．２０１６．１０．０４５De

2、signandManufactureonUnderwaterMagneticReceivingAntennaLIUKaikaiWANGYongbinLIUTong（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｖａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ４３００３３）AbstractＭａｇｎｅｔｉｃＩｎｄｕｃｔｉｏｎ（ＭＩ）ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｃａｎａｌｔｅｒｎａｔｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌＥＭｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｉｎｍａｎｙｓｐｅｃｉａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ，ｓｕｃｈａｓｕｎｄｅｒｇｒｏｕ

3、ｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｃｏａｓｔｗｉｓｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄｃａｖｅｓ．ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＭＩｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｎｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｅｆｆｅｃｔｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｒｅｃｅｉｖｉｎｇａｎｔｅｎｎａ，ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｓａｒｅｃｅｉｖｉｎｇａｎｔｅｎｎａａｎｄｔｅｓｔｅｓｉｔｓｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔ

4、ｙｉｎｕｌｔｒａ‐ｌｏｗｆｒｅ‐ｑｕｅｎｃｙ，ａｎｄｖｅｒｉｆｉｅｓｉｔｓｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎｓｃｈｅｍｅｉｎｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．KeyWordsｍａｇｎｅｔｉｃａｎｔｅｎｎａ，ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｌｏｗ‐ｆｒｅｑｕｅｎｃｙClassNumberＴＮ８５９法。模拟简易水下环境，通过接收由发射线圈产生１引言的特低频磁准静态场，测试了所制作天线的灵敏水介质特别是海水对电磁波的衰减和吸收非度，实现了水下近距离小功率的磁感应通信。常严重，加之水下环境十分复杂，导致电磁波通信２磁性接收天线的

5、参数系统在该环境中面临信道不稳定、多径损耗严重、天线尺寸过大等问题。磁感应通信系统通过将信磁性接收天线是一种结构简单的感应线圈传号以磁准静态场的形式耦合到接收天线上，能在淡感器，由法拉第电磁感应定律，一个磁芯线圈所产水与海水等弱磁导率的传输介质中稳定传播，弥补生的感应电动势表示为了传统电磁波通信系统在水下等特殊环境中的缺V＝－NS・Hmｃｏｓ（t）（１）［１～３］点，具有广阔的应用前景。式中，S为线圈的面积；N为线圈的匝数；为信号在磁感应通信系统中，磁感应接收天线是最为变化的角频率，t为时间；＝０r为磁芯的磁导－７关键的部件之一。对接收天线的结构参数进行合

6、率，０＝４×１０Ｗｂ／Ａｍ为真空中磁导率，r为理设计，不仅能够便于指导天线制作，更能有效地磁芯的相对磁导率；Hmｃｏｓ（t）为外磁场在一个信改善天线的接收性能，从而提高系统的通信质量。号周期内的变化强度。本文通过分析磁性接收天线的结构参数对接收性磁天线可以等效为一个由电阻和电感串联且能的影响，提出了水下磁感应接收天线的设计方与其分布电容并联形成的线圈，所以其具有固有的*收稿日期：２０１６年４月１０日，修回日期：２０１６年５月２５日作者简介：刘凯凯，男，研究方向：无线电通信技术。王永斌，男，教授，研究方向：无线电通信技术。刘桐，男，硕士研究生，研究方向：无线

7、电通信技术。１８２刘凯凯等：水下磁性接收天线的设计与制作总第２６８期谐振频率：对磁芯的磁导率进行分析。实际中，磁芯的有１效相对磁导率r低于μ其材料的磁导率r，这是μ由f０＝（２）２LCπ于退磁因子Nd确定的退磁场效应所导致，其与磁式中L和C分别为天线的电感值和电容值。［９］芯的几何形状有关，所以实际磁芯的磁导率为品质因数是天线的一个重要参数，可表示为＝０cμμμ（７）LωQ＝（３）rμRc＝μ（８）１＋Nd（r－１）μR是磁天线的有效电阻，包括天线的直流电阻、磁m２×ｌｎ［（m＋m－１）×０．６］－１致电阻等。天线的电感值由线圈匝数、外形尺寸和２m－１Nd

8、＝２［４］m－１磁芯磁导率决定：２－３／５m＝１／DNSlμcL＝