水下近距射频通信中环形天线概述
第 1 章 绪 论
1.1水下无线通信技术的种类及优缺点分析
随着当今社会的迅速发展，人们在海洋、河流等水下环境的活动也越来越广泛，这对水下通信也就提出了一定的要求，传统的有缆通信方式和陆上无线电通信显然不能满足人们的需求，这就要求助于特定环境下的水下无线通信技术。按照信息载体的种类划分，水下无线通信技术可分为水声通信、蓝绿激光通信、电磁射频通信和中微子通信。迄今为止，大多数水下无线通信使用水声通信技术，它的通信距离较其他水下通信方式较远，技术比较成熟稳重，也是现在大部分水下无线通信技术工作者的研究方向。水声通信技术现阶段的研究方向主要是探讨新的调制解调技术[1,2]，水声信道估计[3]和利用仿生学原理进行隐蔽通信[4]，但是要实现更大的突破则显得十分困难。水声信号在水中的衰减较小，频率在 200Hz 以下的声波能在水中传输至少上百千米，20Hz 的声波在水中传播时的衰减只有 2-3dB/m。但是，水声通信技术也存在很多的缺点。首先，水声信道的带宽是严重受限的，通常可用的频带宽度只有几兆 Hz，另外水声信道不只在时－空－频上会有变化，还存在着严重的码间干扰、随机噪声[5]。其次，多径效应明显，海面、海底以及海水分层介质对声波的反射都会干扰声波的传播，加重了多径效应带来的码间干扰和幅度上的衰减。再次，传输延迟较大，声音信号在水中传播的速度约为 1500m/s，这就导致了收发信机即使距离在几千米的范围内，也要产生几秒的延迟[6]。再次，水声通信在浅水区的性能表现通常很差强人意。综上，水声通信适宜在几百米至几十千米的距离的深海，且噪声不太强烈的海水中进行通信。
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1.2水下射频通信的研究意义
水下射频通信主要存在的问题是衰减特别大，这是由于海水的导电系数大(通常为 3-5S/m)，故而电磁波在水下的应用也是在甚低频，极低频波段。对于近距离水下通信系统，从可靠性的方面看，射频通信方式较水声通信、激光通信抗干扰能力强，不会受到海浪、船舶等产生的噪声的影响，也不会受到自然光的干扰，也不用担心没有精确对准而接收不到信号，在浑浊嘈杂的的水下环境中优势十分明显；从有效性的方面看，电磁波的传播速度比声波快近 5 个数量级，可用频带宽，受多径效应和多普勒效应的影响远小于水声通信，在近距离的水下环境中，在允许的衰减范围内，射频通信的优势是显著的。从保密性的方面看，正是由于水下射频的衰减十分大，导致了在较远距离处是几乎没有信号的，这反而促进了水下射频通信良好的保密性能。另外，水下射频通信对海洋生物无任何影响，且通信系统功耗低，供电方便。从应用方面来看，水下射频通信在水下传感网络，定位，导航，远程控制等方面有巨大的应用前景，而且在这些方面目前还没有成熟稳重的技术及可推广的产品。另外若将水下射频通信系统与水声通信系统集成在一个模块中，即可集两者的优点与一身，可根据不同的应用环境和需求实现自由切换。
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第 2 章 海水中电磁场传播的特性分析
2.1 理想介质中电磁场的传播
理想介质即为线性各向同性的均匀无耗介质。无耗媒质是一种理想情况，许多真实媒质的电导率并不严格是零，但电磁波在其中传播时，损耗很小，此时绝缘媒质就可以看作无耗媒质。对于均匀、线性，各向同性的无耗媒质，介电常数和磁导率都是一个常数。在实际情况中，均匀平面波是电磁波的一种理想情况，其分析方法简易，其他形式的波均是均匀平面波的叠加形式。在此，以均匀平面波作为电磁波的传输形式。电场、磁场随时间作正弦变化的规律，是最典型的电磁场时变规律[32]。电磁场随时间作正弦规律变化的称为时谐场。由于正弦变化的电磁波容易产生，且在理想媒质中，正弦电磁波可组合成其他任意形式的电磁波，因而普遍应用在实际工程中。
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2.2 平面电磁波在海水媒质中的传播特性
从图 2-1 中可以看出，同频率下的的电磁波在空气中的波长远远大于海水中的波长，以 500Hz 的电磁波为例，空气中的波长为 600m，而在海水中的波长仅为 2.2m。水下电磁场的这一特点在某些方面给水下天线的设计带来的极大的优势，比如同一频率下的天线尺寸，由于海水中的电磁波长很小，在使得天线有效辐射的情况下，水下天线的尺寸会远远小于空气中的天线尺寸，这对于水下射频通信天线的小型化反倒是十分有利。由式(2-20)可以看出，电磁波在海水中的传播速度与在空气中传播的传播速度有很大差别。由图 2-2 可见，电磁场在水中的传播速度比在空气中的小，且随着频率的增加，电磁波传播的速度也在增加，虽然在低频段，电磁波在水中的传播速度比在空气中的小很多，但却远远大于声波。以 500Hz 为例，电磁波的传播速度为1*10*6m/s，但声波在水中的传播速度只有 1500m/s，在这一点上，水下电磁射频通信技术比水声通信技术在信息传递延迟，信息传递的实时性上更有优势，受到多普勒频移的影响也相对小很多。FEO 是德语 FEldberechnung bei orpern mit beliebiger Oberflache 的缩写，是指复杂的电磁场计算，它是一款强大的三维全波电磁仿真软件。由 EMSS 公司在 80 年代开发，起初将当时流行的矩量法作为该仿真软件的核心算法，后又相继引入了多种电磁算法，如多层快速多极子算法、有限元方法、物理光学法、一致性绕射理论[42]。FEO 界面主要有三个组成部分：CADFEO、EDITFEO、POSTFEO。其中，CADFEO 用于几何模型的建立、设置网格剖分，在 FEO5.5 版及以后的版本中，还将功能加以扩展，如添加激励源类型和设置求解的参数，使得 FEO 的应用更加方便快捷。文件编辑器 EDITFEO 用来详细设置求解参数，另外，它还可以通过编写必要的命令来建立几何模型，在高级版本中，这部分的功能逐渐弱化，其功能渐被 CADFEO 所替代。剖分器 POSTFEO 用来处理 EDITFEO 生成的文件，并生成 FEO 实际计算的代码，并在计算结束后显示 FEO 的几何模型、网格剖分细节、激励源以及求解后得到的场值和电流，其显示更有 3D 图形形式，十分形象人性化。
第 3 章 水下天线理论与设计.........17
3.1 水下天线理论基础.....17
3.1.1 水下天线的辐射场 .........17
3.1.2 天线参数 .......20
3.2 基本天线形式及对比.......22
3.2.1 电偶极子 .......23
3.2.2 磁偶极子 .......26
3.2.3 电偶极子与磁偶极子的对比 .....28
3.3 海水中环形天线的设计.........31
3.3.1 小环天线 .......33
3.3.2 大环天线 .......37
3.3.3 环形天线参数的选取 .....39
3.4 本章小结.........42
第 4 章 水下环形天线实验.......43
4.1 天线的匹配.....43
4.2 收发信机的设计与实现.........43
4.3 海水环境中的电磁射频收发实验.....45
4.3.1 实验室水箱中的实验 .....45
4.3.2 实验水池中的实验 .........46
4.4 本章小结.........47
第 4 章 水下环形天线实验
4.1 天线的匹配
阻抗匹配是指负载阻抗和激励源阻抗相适配，达到输出功率最大的一种工作现实。针对特性不同的电路，其匹配方式也是迥然不同的。在纯电阻电路中，要达到良好的匹配效果，只需使激励源内阻与负载相同就可。当负载电路中既含有阻抗成分也还有电抗成分时，则要在负载与激励源中间加入阻抗匹配网络，使得激励源阻抗的共轭值与负载值相等，这就是共轭匹配的条件。匹配的目的是使传到负载的信号能量最大化，因此匹配能提高能量的利用率。在低频电路中，传输线与信号源、传输线与负载之间的匹配是基本不考虑的。因为此时传输线的长度是远远小于低频信号的波长，故而传输线可看作一条短线;，反射可以不考虑。在低频电路中，当天线的阻抗不匹配时，通常是利用史密斯圆图计算匹配的参数，利用并联短截线的方法或者使用 L-C 电路的方法进行天线的阻抗匹配。在实验中，由于天线输入阻抗小，工作频率低(700Hz)，使用并联短截线的方法显然要引出很长的同轴线，这样的方法不切实际，其次由于试验条件的限制，无法精确测量出实际天线的输入阻抗，故而只能通过软件仿真给出大概的参数范围，然后在实验中进行实际调试，这样，串并联 L-C 电路的方法也就不能进行实际操作。针对本文设计的天线特点，宜使用变压器来作阻抗变换，再连接一个可变电容进行天线的匹配。
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结 论
水下无线射频通信在水下传感网络、障碍物的发现及防避撞、水下目标定位、数据及语音通信等方面有着巨大的应用前景，它的主要特点是通信速率高、传输延迟小、抗噪能力强、保密性好，适用于各种复杂的水下环境。但是由于电磁场在水下传播时，电场能量衰减极大，故本论文在充分分析电偶极子和磁偶极子在水下的辐射场能量构成的前提下，研究并选用了磁性天线作为水下电磁射频通信天线，设计了适用于本课题的水下射频通信的环形天线。本论文的主要研究成果如下：
(1)推导了平面电磁波在海水媒质中的传播规律。研究了水下电磁波的波长、传播速度与传播频率、海水电导率的关系，推导了平面电磁波在传播过程中磁场能量与电场能量的比值关系，同时也研究了平面电磁波在海水中传播单位距离所消耗的能量。
(2)通过理论推导与电磁软件 FEO 仿真，得出利用磁偶极子比电偶极子更适宜作为水下天线的结论。通过对麦克斯韦方程的求解，解出了水下天线辐射场的矢量势函数，进而求得电偶极子和磁偶极子的水下辐射场，从公式的形式可得出：电偶极子的中垂面上和磁偶极子的中轴线上，磁场能量远大于电场能量。对这两种天线形式的仿真得出：磁偶极子在水下辐射的电磁场能量远大于电偶极子的。故而得出结论：磁偶极子形式的天线更适宜于水下无线射频通信。
参考文献（略）