路洋洋 王永斌 周思同

（海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

在當(dāng)今社會(huì)中，水下通信起著越來越重要的作用，目前水下通信主要采用水聲通信的方式。但水聲通信方式傳輸速率低，易受噪聲的影響。為了彌補(bǔ)水聲通信的缺陷，這里采用水下電流場(chǎng)進(jìn)行通信。在發(fā)送端借助于兩個(gè)電極，將信號(hào)以傳導(dǎo)電流的方式輻射出去。在接收端采用另一副電極對(duì)天線進(jìn)行接收，將電流場(chǎng)轉(zhuǎn)化為信號(hào)。為了提高通信性能，論文著重對(duì)增加通信距離的方法進(jìn)行了研究。理論分析了多種方式的可行性，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 水下電流場(chǎng)通信原理分析

電磁波的產(chǎn)生與傳播是因?yàn)槲灰齐娏鞯拇嬖?，位移電流的表達(dá)式為［1～2］

其中D成為電位移或電通量密度，傳導(dǎo)電流的表達(dá)式為

因此

而E＝E0ejωt，所以

在海水中，σ＝4S／m，ε＝7.083·10－10F／m，位移電流與傳導(dǎo)電流比值很小，所以海水中的位移電流可以忽略不計(jì)。

收發(fā)電極均在海水中時(shí)，由于位移電流很小，信號(hào)主要是以傳導(dǎo)電流的形式傳播，這樣形成的場(chǎng)稱為電流場(chǎng)。如圖1所示，發(fā)射電極A1、B1相距d1，接收電極A2、B2相距d2，收發(fā)電極距離為r，在發(fā)射電極上加上電壓U時(shí)，根據(jù)歐姆定律，可在導(dǎo)線與海水形成的回路中產(chǎn)生電流I0，當(dāng)收發(fā)電極平行排列時(shí)，接收?qǐng)鰪?qiáng)為［3～4］

接收信號(hào)電壓表達(dá)式為

圖1 電流場(chǎng)通信原理

3 增大電極對(duì)天線通信距離的理論分析

水下無線通信不同于自由空間的通信，其通信距離受到了很大的限制［3］。從式（6）可以看出，降低頻率和增大收發(fā)電極間距可以在一定程度上增大通信距離，然而受到信息傳輸速率和攜帶方便性的影響，這兩種方式不適合用來擴(kuò)大通信距離。發(fā)射電極與海水形成的回路滿足歐姆定律，發(fā)射電流的大小與發(fā)射電壓、電極與海水的接觸阻抗有關(guān)，因此增大信號(hào)強(qiáng)度可通過增大發(fā)射功率、減小接觸阻抗的方式進(jìn)行，接觸阻抗可以通過改變電極材料和接觸面積來實(shí)現(xiàn)［6］。下面是幾種增大通信距離的新方法，主要應(yīng)用于發(fā)射電極間距比較小的情況。

1）定向天線法。電極向整個(gè)空間輻射能量，當(dāng)電極間距比較小時(shí)，可以在電極一端加裝反射絕緣板，將電極對(duì)天線改為定向天線，如圖2所示。這樣可以改變信號(hào)傳輸?shù)姆较颍?］，使射向另一方向的電波反射回接收天線的方向，從而提高了信號(hào)傳輸距離。從理論上講，圖2能夠極大地增大通信距離，而通過改善材料特性，并且絕緣板緊貼電極布局的話能夠提高一倍的通信距離。

圖2 定向天線法示意圖

2）介質(zhì)盤法。在海水這類導(dǎo)電媒質(zhì)中，傳導(dǎo)電流占優(yōu)勢(shì)，可利用絕緣物質(zhì)改變傳導(dǎo)電流的分布［8］，使天線獲得較強(qiáng)的信號(hào)，這就是構(gòu)成介質(zhì)盤天線的基本思想。如圖3所示，當(dāng)一塊絕緣板插入收發(fā)電極之間時(shí)，傳導(dǎo)電流的傳播路徑加大了，相當(dāng)于增加了電極間距，從而天線接收到更大的電壓。在一定條件下，絕緣板越大，兩電極之間的電位差越大。

圖3 介質(zhì)盤法示意圖

3）改變電極形狀。電極形狀的改變可以改變電極的阻抗［9］，因此利用這個(gè)性質(zhì)可以改變電極的形狀來增加通信距離。比如在相同體積下球形的表面積最大［10］，空心體的表面積比實(shí)心體大，因而可以按照這個(gè)規(guī)律來采取相應(yīng)的措施。

4 增大電場(chǎng)傳感器通信距離的實(shí)驗(yàn)測(cè)試

1）定向天線法的測(cè)試。制作一對(duì)實(shí)心銅柱電極對(duì)天線，長(zhǎng)3cm，直徑1.5cm，將它們作為發(fā)射電極來研究，接收電極采用長(zhǎng)1.5cm，直徑1.5cm的實(shí)心銅柱電極，電極間距10cm。發(fā)射電極間距5cm，收發(fā)距離10cm，發(fā)射信號(hào)頻率為5kHz，幅度為5V。采用一塑料板作為反射板，置于發(fā)射電極之后，分別測(cè)量距離發(fā)射電極0cm、1cm、2.5cm、5cm、10cm、20cm時(shí)的接收信號(hào)幅度。測(cè)得數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同形狀的電極阻抗測(cè)試結(jié)果

由表1可知，在信號(hào)加裝絕緣反射板以后確實(shí)可以提高信號(hào)強(qiáng)度，增大通信距離，且通信距離隨著反射板距離電極對(duì)天線的遠(yuǎn)近而變化，當(dāng)反射板緊貼于天線時(shí)信號(hào)強(qiáng)度最大。但由于材料的缺陷和實(shí)驗(yàn)裝置的不足，信號(hào)在反射板反射時(shí)也存在一定的能量損耗，因此實(shí)際應(yīng)用中增大的通信距離達(dá)不到一倍遠(yuǎn)。

將反射板貼于發(fā)射電極對(duì)天線上，收發(fā)電極間距20cm，以此為半徑，如圖4所示，接收電極對(duì)天線繞著發(fā)射天線作圓周移動(dòng)可測(cè)量天線的方向圖。

圖4 測(cè)量方向圖示意圖

表2為收發(fā)電極對(duì)天線在不同角度的相對(duì)位置時(shí)收到的信號(hào)幅值（mV）：

表2 方向圖測(cè)量數(shù)據(jù)

圖5 加裝反射板方向圖

圖5為實(shí)測(cè)天線方向圖，發(fā)射電極對(duì)天線沿x方向布放，x軸的垂直平分線設(shè)為0°，當(dāng)接收電極對(duì)天線沿著發(fā)射天線作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)可測(cè)得圓周各點(diǎn)的信號(hào)幅值。從圖中可以看到，電極對(duì)天線的方向圖呈明顯的“8”字形，信號(hào)最大的方向位于兩個(gè)電極的中軸線上。圖中虛線“8”字圖所示為無反射板時(shí)的方向圖，外圍粗線“8”字形為加裝反射板后測(cè)得的信號(hào)幅值?？梢钥吹?，加裝反射板后可以明顯地改變天線的方向性，使能量集中于一個(gè)方向上，這樣可以增大通信距離。如果改善反射板的特性，增大的效果會(huì)更明顯。

2）介質(zhì)盤法的測(cè)試。制作一對(duì)實(shí)心銅柱電極對(duì)天線，長(zhǎng)3cm，直徑1.5cm，將它們作為發(fā)射電極來研究，接收電極采用長(zhǎng)1.5cm，直徑1.5cm的實(shí)心銅柱電極，電極間距10cm。發(fā)射電極間距5cm，收發(fā)距離10cm，發(fā)射信號(hào)頻率為5kHz，幅度為5V。采用塑料板（厚度為1cm）作為介質(zhì)盤，置于發(fā)射電極之間，分別測(cè)量插入1、2、3、4、5張塑料板時(shí)的接收信號(hào)幅度。測(cè)得數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 介質(zhì)盤的厚度對(duì)接收電壓的影響

表3表明加裝介質(zhì)盤確實(shí)可以提高信號(hào)強(qiáng)度，增加通信距離。并且介質(zhì)盤的厚度對(duì)信號(hào)的強(qiáng)度有一定的影響，厚度越大，信號(hào)強(qiáng)度越大，增大通信距離的效果越明顯。

此外，隔板的直徑大小也會(huì)影響到接收信號(hào)的大小，表4為不同直徑隔板所測(cè)得的信號(hào)幅值大小。

表4 介質(zhì)盤的直徑對(duì)接收電壓的影響

由表4看出，不同直徑的隔板對(duì)信號(hào)產(chǎn)生的放大效果也不同。隔板直徑越大，收到的信號(hào)幅值也越大。這是由于大直徑的隔板使得電極間距增大的更多，因而信號(hào)幅值提高的更明顯，通信距離增大的也越多。

圖6 電極加裝反射絕緣板

圖7 電極加裝間隔絕緣板

5 結(jié)語

以上分析了水下電流場(chǎng)通信的優(yōu)勢(shì)和原理，得出了接收信號(hào)表達(dá)式。針對(duì)電極對(duì)天線水下通信距離近的問題，提出了多種增大通信距離的方法，包括定向天線法、介質(zhì)盤法和改變傳感器的形狀。通過理論分析了以上方法的可行性，制作了電極對(duì)天線并在實(shí)驗(yàn)池中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了以上方法的可行性。以上方法為電極對(duì)天線在通信中的應(yīng)用提供了參考。

［1］張惠娟，楊文榮，李玲玲.工程電磁場(chǎng)與電磁波基礎(chǔ)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：105－107.

［2］沈熙寧.電磁場(chǎng)與電磁波［M］.第一版.北京：科學(xué)出版社，2006：68－70.

［3］梁高權(quán).甚低頻波和超低頻波的輻射與傳播［M］.武漢：海軍工程大學(xué)出版社，2002：262－263.

［4］Momma H，Tsuchiya T.Underwater Communication by Electric current［C］／／IEEE Position Japan Marine Science and Technology Center，2012.

［5］Joe J，Toh S H.Digital Underwater Communication Using Electric Current Method［C］／／IEEE Position，2007.

［6］胡道平.接地電阻的計(jì)算［J］.河北能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，11（2）：17－19.

［7］宋麗麗，韓建峰.濕度和頻率對(duì)濕敏元件電學(xué)特性的影響［J］.電子器件，2012，35（4）：387－389.

［8］李攀峰，高云婷，陳富安.電流場(chǎng)通信技術(shù)在黃河小浪底水文作業(yè)的應(yīng)用［J］.人民黃河，2011，33（7）：45－48.

［9］李松.電場(chǎng)測(cè)量傳感器類型選擇［J］.水雷戰(zhàn)與艦船防護(hù)，2008，16（1）：72－76.

［10］梁奎端.綜合通信大樓基礎(chǔ)接地電阻值的計(jì)算［J］.郵電設(shè)計(jì)技術(shù)，1994（4）：42－47.