水下磁性接收天線的設計與制作*

劉凱凱　王永斌　劉　桐

(海軍工程大學電子工程學院　武漢　430033)

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水下磁性接收天線的設計與制作*

劉凱凱王永斌劉桐

(海軍工程大學電子工程學院武漢430033)

磁感應通信在地下、水下、沿岸和洞穴等特殊環境中能夠替代傳統的電磁波通信系統。論文針對水下環境中磁感應通信的特點，分析了天線結構參數對其性能的影響，制作了特低頻測試天線，并進行了靈敏度測試，驗證了天線設計方案的正確性。

磁天線; 水下通信; 低頻

Class NumberTN859

1　引言

水介質特別是海水對電磁波的衰減和吸收非常嚴重，加之水下環境十分復雜，導致電磁波通信系統在該環境中面臨信道不穩定、多徑損耗嚴重、天線尺寸過大等問題。磁感應通信系統通過將信號以磁準靜態場的形式耦合到接收天線上，能在淡水與海水等弱磁導率的傳輸介質中穩定傳播，彌補了傳統電磁波通信系統在水下等特殊環境中的缺點，具有廣闊的應用前景[1～3]。

在磁感應通信系統中，磁感應接收天線是最為關鍵的部件之一。對接收天線的結構參數進行合理設計，不僅能夠便于指導天線制作，更能有效地改善天線的接收性能，從而提高系統的通信質量。本文通過分析磁性接收天線的結構參數對接收性能的影響，提出了水下磁感應接收天線的設計方法。模擬簡易水下環境，通過接收由發射線圈產生的特低頻磁準靜態場，測試了所制作天線的靈敏度，實現了水下近距離小功率的磁感應通信。

2　磁性接收天線的參數

磁性接收天線是一種結構簡單的感應線圈傳感器，由法拉第電磁感應定律，一個磁芯線圈所產生的感應電動勢表示為

V=-μNSω·Hmcos(ωt)

(1)

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

磁天線可以等效為一個由電阻和電感串聯且與其分布電容并聯形成的線圈，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。

品質因數是天線的一個重要參數，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、外形尺寸和磁芯磁導率決定[4]：

(4)

式中lc為線圈的長度，l為磁芯的總長度。通過使用高磁導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密度可提高天線的電感值，因此在繞制線圈時導線應當緊密排布。但是當導線直徑較大、排布緊密并且線材絕緣材料強度較高時，線圈匝與匝之間會存在較大的分布電容，這會導致諧振頻率降低，降低天線工作的穩定性[5]。實際應用中通常將天線與一個經過設計的外接電容并聯，從而使天線在諧振頻率上工作。

3　磁性接收天線的設計

磁性接收天線的結構參數主要包括外形尺寸，線圈的材質、匝數、繞制方法、漆包線的漆皮介電常數，磁芯的長度、橫截面積及磁導率等[6～8]。線圈和磁芯的這些參數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性能指標。

磁信號經過一段距離的傳輸后信號強度很微弱，因此接收天線本身需要具有較高的靈敏度。可將初始靈敏度表示為

(5)

首先對線圈匝數N進行分析。設線圈的內直徑和外直徑分別為Di和D；同時定義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為內直徑與外直徑的比值。

(6)

對磁芯的磁導率進行分析。實際中，磁芯的有效相對磁導率μr低于其材料的磁導率μr，這是由于退磁因子Nd確定的退磁場效應所導致，其與磁芯的幾何形狀有關[9]，所以實際磁芯的磁導率為

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率；另一方面，如果長徑比足夠大，有效相對磁導率μc將取決于材料的磁導率。當材料磁導率很大時，有效相對磁導率μc實際上與材料的磁導率沒有關系[9]：

對橫截面積進行分析。在實際情況中，從遠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，磁性接收天線同時需要較高的信噪比性能。設磁場信號的帶寬為B，頻譜密度為ξ，則將式(1)改寫為

(11)

根據熱力學定義，天線自身的噪聲大小表示為[11]

(12)

式中k為玻爾茲曼常數(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)

當導線的電阻率為ρ時，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： 1) 為獲得較高的有效磁導率，在相同內外徑比條件下，磁芯的長徑比越大越好； 2) 為尋找最佳有效橫截面積，應該選擇合適口徑的磁芯，因為在相同天線長徑比的條件下，增大磁芯的橫截面積會減少線圈匝數，同時也會降低磁芯的有效磁導率； 3) 為增加有效線圈匝數，應該在設計尺寸內提高線圈密度，而不是無限增加線圈匝數。因此，在設計過程中最重要的結構參數為磁芯長度l、磁芯的直徑Di和天線線圈的外直徑D，天線制作前應根據要求精心地設計這三個參數。

在實際天線的制作中方法如下：首先根據可使用的磁芯材料設計其結構參數Di和l；其次合理設計線圈參數D和α大小；然后選擇導線類型和繞線方式，計算線圈匝數N；最后測量在工作頻率下天線的靈敏度和信噪比并進行調整。

4　天線的制作及驗證

為了驗證設計可行性，根據實際情況制作了接收天線，并選擇700Hz、1kHz和1.3kHz三個頻率對天線的靈敏度性能進行了測試。接收天線磁芯選用錳-鋅鐵氧體材料[12]，相對磁導率為3000，磁芯長度為38.30cm，直徑為5.00cm；線圈導線采用0.07mm×40的銅絲包線，導線緊密纏繞，匝數為1700匝，外直徑為7.81cm；線圈長度為19.23cm并位于磁芯的中心處。

該天線的相關結構參數：磁芯長徑比m=7.66，有效相對磁導率μc=46.03；線圈延伸比a=4.9，內外徑比x=0.65，線圈繞線部分占磁芯總長的比例α=50.21%。計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，品質因數分別為Q700Hz=41.33、Q1kHz=57.47、Q1.3kHz=70.13。

實驗中使用半徑為1.54cm，長度為61.0cm，匝數為63，磁芯相對磁導率為800的磁場信號發射天線作為磁場信號源；使用阻抗為50Ω的信號發生器為發射天線輸入幅值為2.00V的方波測試信號。收發天線相距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。接收天線并聯電容使其工作在諧振狀態。為檢測感應信號，設計了由PS2010超低噪聲放大器和15C5L2T低頻濾波器構成的檢測電路，信號放大增益為1000。

表1　磁天線的測試結果

5　結語

用于磁感應水下通信的磁性接收天線設計時，要綜合考慮所用磁芯的結構參數、線圈的匝數和繞法、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行計算分析，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靜態場接收環境，對制作的天線并進行了靈敏度測試，驗證了天線設計的可行性。

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

TN859

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.10.045