水下磁性接收天線的設(shè)計(jì)與制作*

劉凱凱　王永斌　劉　桐

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院　武漢　430033)

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水下磁性接收天線的設(shè)計(jì)與制作*

劉凱凱王永斌劉桐

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院武漢430033)

磁感應(yīng)通信在地下、水下、沿岸和洞穴等特殊環(huán)境中能夠替代傳統(tǒng)的電磁波通信系統(tǒng)。論文針對水下環(huán)境中磁感應(yīng)通信的特點(diǎn)，分析了天線結(jié)構(gòu)參數(shù)對其性能的影響，制作了特低頻測試天線，并進(jìn)行了靈敏度測試，驗(yàn)證了天線設(shè)計(jì)方案的正確性。

磁天線; 水下通信; 低頻

Class NumberTN859

1　引言

水介質(zhì)特別是海水對電磁波的衰減和吸收非常嚴(yán)重，加之水下環(huán)境十分復(fù)雜，導(dǎo)致電磁波通信系統(tǒng)在該環(huán)境中面臨信道不穩(wěn)定、多徑損耗嚴(yán)重、天線尺寸過大等問題。磁感應(yīng)通信系統(tǒng)通過將信號以磁準(zhǔn)靜態(tài)場的形式耦合到接收天線上，能在淡水與海水等弱磁導(dǎo)率的傳輸介質(zhì)中穩(wěn)定傳播，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)電磁波通信系統(tǒng)在水下等特殊環(huán)境中的缺點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景[1～3]。

在磁感應(yīng)通信系統(tǒng)中，磁感應(yīng)接收天線是最為關(guān)鍵的部件之一。對接收天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，不僅能夠便于指導(dǎo)天線制作，更能有效地改善天線的接收性能，從而提高系統(tǒng)的通信質(zhì)量。本文通過分析磁性接收天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)對接收性能的影響，提出了水下磁感應(yīng)接收天線的設(shè)計(jì)方法。模擬簡易水下環(huán)境，通過接收由發(fā)射線圈產(chǎn)生的特低頻磁準(zhǔn)靜態(tài)場，測試了所制作天線的靈敏度，實(shí)現(xiàn)了水下近距離小功率的磁感應(yīng)通信。

2　磁性接收天線的參數(shù)

磁性接收天線是一種結(jié)構(gòu)簡單的感應(yīng)線圈傳感器，由法拉第電磁感應(yīng)定律，一個(gè)磁芯線圈所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢表示為

V=-μN(yùn)Sω·Hmcos(ωt)

(1)

式中，S為線圈的面積；N為線圈的匝數(shù)；ω為信號變化的角頻率，t為時(shí)間；μ=μ0μr為磁芯的磁導(dǎo)率，μ0=4π×10-7Wb/Am為真空中磁導(dǎo)率，μr為磁芯的相對磁導(dǎo)率；Hmcos(ωt)為外磁場在一個(gè)信號周期內(nèi)的變化強(qiáng)度。

磁天線可以等效為一個(gè)由電阻和電感串聯(lián)且與其分布電容并聯(lián)形成的線圈，所以其具有固有的諧振頻率：

(2)

式中L和C分別為天線的電感值和電容值。

品質(zhì)因數(shù)是天線的一個(gè)重要參數(shù)，可表示為

(3)

R是磁天線的有效電阻，包括天線的直流電阻、磁致電阻等。天線的電感值由線圈匝數(shù)、外形尺寸和磁芯磁導(dǎo)率決定[4]：

(4)

式中l(wèi)c為線圈的長度，l為磁芯的總長度。通過使用高磁導(dǎo)率的磁芯或線圈集中靠近磁芯的中心位置、增加線圈的面積和提高線圈的匝數(shù)密度可提高天線的電感值，因此在繞制線圈時(shí)導(dǎo)線應(yīng)當(dāng)緊密排布。但是當(dāng)導(dǎo)線直徑較大、排布緊密并且線材絕緣材料強(qiáng)度較高時(shí)，線圈匝與匝之間會(huì)存在較大的分布電容，這會(huì)導(dǎo)致諧振頻率降低，降低天線工作的穩(wěn)定性[5]。實(shí)際應(yīng)用中通常將天線與一個(gè)經(jīng)過設(shè)計(jì)的外接電容并聯(lián)，從而使天線在諧振頻率上工作。

3　磁性接收天線的設(shè)計(jì)

磁性接收天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括外形尺寸，線圈的材質(zhì)、匝數(shù)、繞制方法、漆包線的漆皮介電常數(shù)，磁芯的長度、橫截面積及磁導(dǎo)率等[6～8]。線圈和磁芯的這些參數(shù)綜合決定了磁天線的接收特性和工作性能。對于接收天線而言，靈敏度和信噪比是最主要的兩個(gè)性能指標(biāo)。

磁信號經(jīng)過一段距離的傳輸后信號強(qiáng)度很微弱，因此接收天線本身需要具有較高的靈敏度?？蓪⒊跏检`敏度表示為

(5)

首先對線圈匝數(shù)N進(jìn)行分析。設(shè)線圈的內(nèi)直徑和外直徑分別為Di和D；同時(shí)定義a=1/D為天線的延伸比，α為天線線圈繞線部分在磁芯總長中所占的比例，x=Di/D為內(nèi)直徑與外直徑的比值。

(6)

對磁芯的磁導(dǎo)率進(jìn)行分析。實(shí)際中，磁芯的有效相對磁導(dǎo)率μr低于其材料的磁導(dǎo)率μr，這是由于退磁因子Nd確定的退磁場效應(yīng)所導(dǎo)致，其與磁芯的幾何形狀有關(guān)[9]，所以實(shí)際磁芯的磁導(dǎo)率為

μ=μ0μc

(7)

(8)

m=1/Dc

式中Dc為磁芯的直徑，在一般情況下Dc=Di；m為鐵芯長度與直徑的比值(又稱長徑比)。磁芯長徑比m的選擇非常的重要，決定了退磁因子Nd的大小。一方面，足夠長的磁芯可以減小退磁因子從而提高材料的有效相對磁導(dǎo)率；另一方面，如果長徑比足夠大，有效相對磁導(dǎo)率μc將取決于材料的磁導(dǎo)率。當(dāng)材料磁導(dǎo)率很大時(shí)，有效相對磁導(dǎo)率μc實(shí)際上與材料的磁導(dǎo)率沒有關(guān)系[9]：

對橫截面積進(jìn)行分析。在實(shí)際情況中，從遠(yuǎn)離磁芯的線匝穿過的磁通相對于從磁芯中集中穿過的磁通相比是很小的[10]。因此，起到作用的截面積主要為磁芯的橫截面積，可表示為

(9)

綜合以上分析，將μ、N和S代入式(5)，則磁性接收天線的初始靈敏度可表示為

(10)

除了較高的靈敏度之外，磁性接收天線同時(shí)需要較高的信噪比性能。設(shè)磁場信號的帶寬為B，頻譜密度為ξ，則將式(1)改寫為

(11)

根據(jù)熱力學(xué)定義，天線自身的噪聲大小表示為[11]

(12)

式中k為玻爾茲曼常數(shù)(k=1.38×10-23J/K)；T為絕對溫度；DCR為天線的直流電阻。則信噪比表示為

(13)

當(dāng)導(dǎo)線的電阻率為ρ時(shí)，天線的直流電阻DCR則表示為

式中R0表示單位長度的電阻值。再將N、μ、S、R代入式(13)，則天線信噪比表示為

(14)

由式(9)和式(13)可看出，工作在低頻的磁感應(yīng)天線，若要顯著地提高天線的靈敏度和信噪比，需要盡可能地提高μ、N、S的取值，具體方法有以下幾點(diǎn)： 1) 為獲得較高的有效磁導(dǎo)率，在相同內(nèi)外徑比條件下，磁芯的長徑比越大越好； 2) 為尋找最佳有效橫截面積，應(yīng)該選擇合適口徑的磁芯，因?yàn)樵谙嗤炀€長徑比的條件下，增大磁芯的橫截面積會(huì)減少線圈匝數(shù)，同時(shí)也會(huì)降低磁芯的有效磁導(dǎo)率； 3) 為增加有效線圈匝數(shù)，應(yīng)該在設(shè)計(jì)尺寸內(nèi)提高線圈密度，而不是無限增加線圈匝數(shù)。因此，在設(shè)計(jì)過程中最重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)為磁芯長度l、磁芯的直徑Di和天線線圈的外直徑D，天線制作前應(yīng)根據(jù)要求精心地設(shè)計(jì)這三個(gè)參數(shù)。

在實(shí)際天線的制作中方法如下：首先根據(jù)可使用的磁芯材料設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)Di和l；其次合理設(shè)計(jì)線圈參數(shù)D和α大小；然后選擇導(dǎo)線類型和繞線方式，計(jì)算線圈匝數(shù)N；最后測量在工作頻率下天線的靈敏度和信噪比并進(jìn)行調(diào)整。

4　天線的制作及驗(yàn)證

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)可行性，根據(jù)實(shí)際情況制作了接收天線，并選擇700Hz、1kHz和1.3kHz三個(gè)頻率對天線的靈敏度性能進(jìn)行了測試。接收天線磁芯選用錳-鋅鐵氧體材料[12]，相對磁導(dǎo)率為3000，磁芯長度為38.30cm，直徑為5.00cm；線圈導(dǎo)線采用0.07mm×40的銅絲包線，導(dǎo)線緊密纏繞，匝數(shù)為1700匝，外直徑為7.81cm；線圈長度為19.23cm并位于磁芯的中心處。

該天線的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)：磁芯長徑比m=7.66，有效相對磁導(dǎo)率μc=46.03；線圈延伸比a=4.9，內(nèi)外徑比x=0.65，線圈繞線部分占磁芯總長的比例α=50.21%。計(jì)算得到天線靈敏度理論值σ700Hz=0.88mV/nT、σ1kHz=1.25mV/nT、σ1.3kHz=1.63mV/nT。通過測量儀器測出直流電阻R=43.57Ω，品質(zhì)因數(shù)分別為Q700Hz=41.33、Q1kHz=57.47、Q1.3kHz=70.13。

實(shí)驗(yàn)中使用半徑為1.54cm，長度為61.0cm，匝數(shù)為63，磁芯相對磁導(dǎo)率為800的磁場信號發(fā)射天線作為磁場信號源；使用阻抗為50Ω的信號發(fā)生器為發(fā)射天線輸入幅值為2.00V的方波測試信號。收發(fā)天線相距1.5m，兩者在同一平面上相互平行放置以獲得最佳傳輸效果。接收天線并聯(lián)電容使其工作在諧振狀態(tài)。為檢測感應(yīng)信號，設(shè)計(jì)了由PS2010超低噪聲放大器和15C5L2T低頻濾波器構(gòu)成的檢測電路，信號放大增益為1000。

表1　磁天線的測試結(jié)果

5　結(jié)語

用于磁感應(yīng)水下通信的磁性接收天線設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合考慮所用磁芯的結(jié)構(gòu)參數(shù)、線圈的匝數(shù)和繞法、工作頻率等多種因素。本文通過對磁性接收天線靈敏度性能進(jìn)行計(jì)算分析，提出了天線制作的方法。模擬了近距離、低功率條件下的水下特低頻磁準(zhǔn)靜態(tài)場接收環(huán)境，對制作的天線并進(jìn)行了靈敏度測試，驗(yàn)證了天線設(shè)計(jì)的可行性。

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Design and Manufacture on Underwater Magnetic Receiving Antenna

LIU KaikaiWANG YongbinLIU Tong

(College of Electronic Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan430033)

Magnetic Induction(MI)communication system can alternate traditional EM communication in many special environments,such as underground environment,underwater environment,coastwise environment and caves. According to the characteristics of MI communication system in underwater environment,this paper analyzes the effect between the structural parameters and performance of receiving antenna, manufactures a receiving antenna and testes its sensitivity in ultra-low frequency, and verifies its correctness of the design scheme in underwater environment.

magnetic antenna, underwater communication, low-frequency

2016年4月10日,

2016年5月25日

劉凱凱，男，研究方向：無線電通信技術(shù)。王永斌，男，教授，研究方向：無線電通信技術(shù)。劉桐，男，碩士研究生，研究方向：無線電通信技術(shù)。

TN859

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.10.045