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。為了彌補水聲通信的缺陷，這里采用水下電流場進(jìn)行通信。在發(fā)送端借助于兩個電極，將信號以傳導(dǎo)電流的方式輻射出去。在接收端采用另一副電極對天線進(jìn)行接收，將電流場轉(zhuǎn)化為信號。為了提高通信性能，論文著重對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，并通過實驗進(jìn)行了驗證。

2 水下電流場通信原理分析

電磁波的產(chǎn)生與傳播是因為位移電流的存在，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。

收發(fā)電極均在海水中時，由于位移電流很小，信號主要是以傳導(dǎo)電流的形式傳播，這樣形成的場稱為電流場。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，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，接收場強為［3～4］

接收信號電壓表達(dá)式為

圖1 電流場通信原理

3 增大電極對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)，因此增大信號強度可通過增大發(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。電極向整個空間輻射能量，當(dāng)電極間距比較小時，可以在電極一端加裝反射絕緣板，將電極對天線改為定向天線，如圖2所示。這樣可以改變信號傳輸?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，可利用絕緣物質(zhì)改變傳導(dǎo)電流的分布［8］，使天線獲得較強的信號，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，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心體大，因而可以按照這個規(guī)律來采取相應(yīng)的措施。

4 增大電場傳感器通信距離的實驗測試

1）定向天線法的測試。制作一對實心銅柱電極對天線，長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1.5cm，直徑1.5cm的實心銅柱電極，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，分別測量距離發(fā)射電極0cm、1cm、2.5cm、5cm、10cm、20cm時的接收信號幅度。測得數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同形狀的電極阻抗測試結(jié)果

由表1可知，在信號加裝絕緣反射板以后確實可以提高信號強度，增大通信距離，且通信距離隨著反射板距離電極對天線的遠(yuǎn)近而變化，當(dāng)反射板緊貼于天線時信號強度最大。但由于材料的缺陷和實驗裝置的不足，信號在反射板反射時也存在一定的能量損耗，因此實際應(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，接收電極對天線繞著發(fā)射天線作圓周移動可測量天線的方向圖。

圖4 測量方向圖示意圖

表2為收發(fā)電極對天線在不同角度的相對位置時收到的信號幅值（mV）：

表2 方向圖測量數(shù)據(jù)

圖5 加裝反射板方向圖

圖5為實測天線方向圖，發(fā)射電極對天線沿x方向布放，x軸的垂直平分線設(shè)為0°，當(dāng)接收電極對天線沿著發(fā)射天線作圓周運動時可測得圓周各點的信號幅值。從圖中可以看到，電極對天線的方向圖呈明顯的“8”字形，信號最大的方向位于兩個電極的中軸線上。圖中虛線“8”字圖所示為無反射板時的方向圖，外圍粗線“8”字形為加裝反射板后測得的信號幅值?？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，增大的效果會更明顯。

2）介質(zhì)盤法的測試。制作一對實心銅柱電極對天線，長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1.5cm，直徑1.5cm的實心銅柱電極，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，分別測量插入1、2、3、4、5張塑料板時的接收信號幅度。測得數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 介質(zhì)盤的厚度對接收電壓的影響

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

此外，隔板的直徑大小也會影響到接收信號的大小，表4為不同直徑隔板所測得的信號幅值大小。

表4 介質(zhì)盤的直徑對接收電壓的影響

由表4看出，不同直徑的隔板對信號產(chǎn)生的放大效果也不同。隔板直徑越大，收到的信號幅值也越大。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通信的優(yōu)勢和原理，得出了接收信號表達(dá)式。針對電極對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，制作了電極對天線并在實驗池中進(jìn)行實驗驗證，測試結(jié)果驗證了以上方法的可行性。以上方法為電極對天線在通信中的應(yīng)用提供了參考。

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