水下磁感应通信全向收发天线电路及电路参数设计方法

技术特征：
1.水下磁感应通信全向收发天线电路，其特征在于：包括全向天线、发送选择模块，以及三个收发单元；所述的全向天线co为空间球形结构，由中心重合、相互垂直的三个线圈coil1、coil2、coil3构成，三个线圈采用同一材质导线绕制而成，每个线圈具有两个端点；所述的发送选择模块包括发送选择开关s
t
和信号发生装置u
s
；信号发生装置u
s
用于输出发送调制信号，为运算放大器或功率放大器；发送选择开关s
t
具有三个开合端和一个常闭端，信号发生装置u
s
的输出端接发送选择开关s
t
的常闭端；三个收发单元的电路结构相同，每个收发单元包括发送电流调节电阻r
s
、接收带宽调节电阻r
a
、发送端串联谐振电容c
t
、接收端串联谐振电容c
r
、接收并联负载r
l
，以及两个受控切换开关；接收并联负载r
l
用于调制信号的接收放大，为小信号放大器；第一受控切换开关t1的常闭端接一个线圈的一个端点，第二受控切换开关t2的常闭端接同一线圈的另一个端点；接收并联负载r
l
与接收端串联谐振电容c
r
并联后的一端通过接收带宽调节电阻r
a
接第一受控切换开关t1的一个开合端，并联后的另一端接第二受控切换开关t2的一个开合端；第一受控切换开关t1的另一个开合端通过发送端串联谐振电容c
t
接发送电流调节电阻r
s
的一端，发送电流调节电阻r
s
的另一端接发送选择开关s
t
的一个开合端；第二受控切换开关t2的另一个开合端接地。2.水下磁感应通信全向收发天线参数设计方法，其特征在于：步骤(1)获取设计输入参数；包括：(1-1)设定指标参数，包括最大通信距离r
max
，最小接收带宽bw
min
和最小接收电压ξ；(1-2)获取水下通信信道相关参数，包括介质磁导率μ
s
，介质介电常数ε
s
和介质电导率σ
s
；(1-3)获取电路相关参数，包括构成线圈的导线的单位长度导线电阻ρ和导线半径d，信号发生装置u
s
的最大发送电压u
max
、最大发送电流i
max
和输出阻抗r
so
，以及接收并联负载的输入阻抗r
l
；步骤(2)构建全向收发天线电路的收发等效电路模型，确定待设计的工作参数与电路参数；具体如下：(2-1)构建全向收发天线电路的收发等效电路模型，发送端电路等效为一个串联电路，包括电源u
s
，电源内阻r
so
，发送端串联谐振电容c
t
，发送电流调节电阻r
s
，发送端天线线圈coil
t
电感l
t
和发送端天线线圈coil
t
电阻r
t
；接收端电路等效为接收端1、接收端2、接收端3三个完全相同的电路，包括接收端串联谐振电容c
r
，接收带宽调节电阻r
a
，接收端天线线圈coil
r1
、coil
r2
、coil
r3
的电感l
r
，接收端天线线圈coil
r1
、coil
r2
、coil
r3
的电阻r
r
和并联负载的输入阻抗r
l
；发送端天线线圈coil
t
和接收端天线线圈coil
r1
、coil
r2
、coil
r3
之间的互感分别为m
tr1
、m
tr2
、m
tr3
；(2-2)确定待设计的工作参数，包括通信信号工作频率f
o
，所需最小发送电流i
min
和所需最小发送电压u
min
；(2-3)确定待设计的发送端等效电路参数，包括发送端串联谐振电容c
t
，发送电流调节电阻r
s
，发送端天线线圈半径a
t
，匝数n
t
，线圈电感l
t
和线圈电阻r
t
；(2-4)确定待设计的接收端等效电路参数，包括接收端串联谐振电容c
r
，接收带宽调节电阻r
a
，接收端天线线圈半径a
r
，匝数n
r
，线圈电感l
r
和线圈电阻r
r
；
步骤(3)确定通信信号工作频率f
o
；具体如下：(3-1)建立球坐标系描述所述的收发等效电路模型的发送端和接收端天线线圈的空间位置及方向，置发送天线线圈coil
t
中心点与球坐标原点o重合且位于xy平面，接收全向天线线圈位于空间中p(r
max
,θ,φ)点，接收全向天线的三个线圈coil
r1
、coil
r2
、coil
r3
分别指向e
r
、e
θ
、e
φ
方向；(3-2)发送线圈中工作电流为i＝i
t
cos2πft，i
t
为电流的幅值，f为通信信号工作频率；根据电磁场原理，发送线圈等效为磁偶极子，得到发送端发送磁场强度h，h的三个分量为则h＝h
r
h
θ
h
φ
，其中，h
r
、h
θ
、h
φ
表示球坐标下的磁场矢量分量，a
t
为发送线圈的面积，传播常数的实部α和虚部β相等，j为虚数单位；根据电磁感应定律分别计算接收端天线线圈coil
r1
,coil
r2
中产生的感生电压其中a
r
为接收线圈面积；(3-3)根据基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律，计算所述收发等效电路模型中接收端1中并联负载r
l
两端的电压强度接收端2中并联负载r
l
两端的电压强度其中，接收端电路阻抗z
r
＝r
a
r
r
jωl
r
z
cl
，电容并联负载的阻抗(3-4)分别计算u
lr
和u
lθ
关于通信信号工作频率f的导数，并进行参数代换g＝αr
max
，得到两个极值点其中g
r
为方程2g
3-8g
2-8g-4＝0的唯一实数根，g
θ
为方程g
5-5g
4-5g
3-2g
2-2g 1＝0的唯一实数根；(3-5)确定通信信号最优工作频率步骤(4)确定电路参数c
t
、c
r
、l
t
、l
r
、r
t
、r
r
；具体如下：(4-1)根据并联负载电路工作要求r
l
＞＞ω
o
l
r
＝2πf
o
l
r
，确定l
r
的最大值l
max
；(4-2)根据电路谐振条件确定谐振电容c
min
，选取最接近c
min
的标称电容值c
o
，c
t
＝c
r
＝c
o
；
(4-3)根据电路谐振条件得到修正后最大电感l
max
；a
t
＝a
r
＝a
o
，根据得到天线线圈匝数n，选取最接近n的整数n
o
，n
t
＝n
r
＝n
o
；(4-4)根据l
t
＝l
r
＝l
o
；(4-5)确定参数r
t
和r
r
，r
t
＝r
r
＝2πa
o
n
o
ρ；步骤(5)根据电路谐振条件确定修正后参数f
o
；步骤(6)确定发送电流调节电阻r
s
，所需最小发送电压u
min
和所需最小发送电流i
min
；具体如下：(6-1)发送电流调节电阻(6-2)计算当收发端距离为r
max
时，发送天线线圈coil
t
和接收全向天线的三个线圈coil
r1
、coil
r2
、coil
r3
之间的等效最小互感m
min
；等效最小互感m
min
的取值条件是：接收全向天线位于坐标轴z轴正半轴p(r
max
,θ＝0,φ)点；接收全向天线的三个线圈coil
r1
、coil
r2
、coil
r3
分别指向e
r
、e
θ
、e
φ
方向，即接收天线线圈coil
r1
与发送天线线圈coil
t
对准，接收天线线圈coil
r2
和coil
r3
与发送天线线圈coil
t
垂直；根据电磁场原理和电磁感应定律，得到m
tr2
＝m
tr3
＝0；其中确定m
min
＝m
tr1
；(6-3)构建所述收发等效电路模型的简化等效电路模型，即只包含发送端和接收端1的等效电路，确定接收带宽调节电阻r
a
＝0ω；(6-4)根据基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律，得到接收端电路电流为根据负载两端电压强度u
l
需大于最小接收电电压强度ξ，即u
l
＝|i
r
|z
cl
＞ξ，其中确定所需最小发送电压u
min
和所需最小发送电流i
min
；步骤(7)计算发送端电路谐振品质因数接收端电路谐振品质因数得到等效品质因数步骤(8)计算接收端带宽bw＝ω
o
/q
equal
/2π；如果接收端带宽bw大于设定最小带宽bw
min
，则参数设计完成；否则，令接收带宽调节电阻r
a
＝r
a
1ω，返回步骤(6-4)。

技术总结
本发明公开了水下磁感应通信全向收发天线电路及电路参数设计方法。现有的磁感应通信方法没有考虑优化的收发天线结构和收发天线的复用，以及水下通信信道特性和天线参数的设计。本发明基于磁场在水下通信信道中的传播特性，提供一种优化的全向收发天线电路，发送信号采用单向线圈天线而无需采用三个正交的线圈构成的全向天线，接收信号采用三个正交的线圈构成的全向天线，收发天线可以复用并自由切换，发送电路可根据需要自由选择天线线圈进行发送，实现了全向性通信，并降低了电路的复杂性。本发明还提供一种通信信号最优工作频率、最小发送电压与相关全向收发天线参数的设计方法，通过参数设计，可提高全向收发天线电路的效率，降低收发功耗。降低收发功耗。降低收发功耗。


技术研发人员：陈惠芳 张嘉辉 谢磊
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2022.04.06
技术公布日：2022/6/21