楊宏正，曹軍青，王三勝，王三成，李 華

(1. 北京航空航天大學(xué) 物理科學(xué)與核能工程學(xué)院，北京 100191； 2. 北京航空航天大學(xué) 微納測(cè)控與低維物理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191)

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線圈磁耦合模型仿真及其應(yīng)用

楊宏正1，曹軍青1，王三勝2，王三成1，李 華1

(1. 北京航空航天大學(xué) 物理科學(xué)與核能工程學(xué)院，北京 100191； 2. 北京航空航天大學(xué) 微納測(cè)控與低維物理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191)

水下通信是發(fā)展海洋技術(shù)、 充分利用海洋資源的關(guān)鍵技術(shù)之一. 本文研究和探討了基于水下通信的磁耦合模型仿真及其應(yīng)用問(wèn)題，包括磁耦合水下通信的整體系統(tǒng)模型規(guī)劃、 磁耦合模型簡(jiǎn)圖和等效電路模型，同時(shí)也研究了磁耦合模型在其它領(lǐng)域的應(yīng)用. 主要利用有限元和控制變量的方法研究了磁耦合模型的仿真問(wèn)題，系統(tǒng)的分析了通信頻率、 激勵(lì)電壓、 線圈直徑和線圈匝數(shù)對(duì)磁耦合強(qiáng)度的影響情況. 通過(guò)有效的仿真，能夠?qū)⒋篷詈贤ㄐ胚^(guò)程中的通信頻率、 激勵(lì)電壓、 線圈直徑和線圈匝數(shù)對(duì)通信距離的影響形象地描繪出來(lái). 另外，對(duì)于線圈磁耦合模型的應(yīng)用研究也加深了對(duì)磁耦合模型的認(rèn)識(shí)，此項(xiàng)工作為后續(xù)進(jìn)一步設(shè)計(jì)可靠有效的磁耦合通信系統(tǒng)，優(yōu)化通信參數(shù)提供了重要的借鑒意義.

磁耦合仿真； 通信模型； 水下無(wú)線通信

目前，在水下通信領(lǐng)域，主要采用的方式為電磁波，聲波，光波[1]. 在水下環(huán)境中，傳輸介質(zhì)不再是空氣，而相應(yīng)變成了海水，因此就增加了很多其他的動(dòng)態(tài)影響因素，如碎浪、 海洋生物、 潮汐等. 這時(shí)傳統(tǒng)的電磁波、 聲波、 光波無(wú)法高效可靠地進(jìn)行傳輸. 對(duì)于電磁波來(lái)說(shuō)，主要存在高路徑損耗和隨參信道問(wèn)題[2]，導(dǎo)致信號(hào)衰減迅速、 誤碼率急劇上升； 對(duì)于聲波來(lái)說(shuō)，聲波在水中的反射、 折射和海水中的溫度梯度[3]也限制了通信效果； 對(duì)于光波來(lái)說(shuō)，由于光波的傳輸對(duì)方向性要求非常嚴(yán)格，并且在海水中隨海水深度的不斷變化，光波也存在反射、 折射問(wèn)題，最終導(dǎo)致信號(hào)無(wú)法按要求傳輸[4].

針對(duì)以上問(wèn)題，基于磁耦合原理的水下通信技術(shù)被提出并迅速成為前沿?zé)狳c(diǎn). 尤其在海洋監(jiān)測(cè)以及海洋軍事領(lǐng)域應(yīng)用更加廣泛[5]. 目前，天津大學(xué)研制的海洋浮標(biāo)技術(shù)中的水下信息傳輸[6]，就是基于兩個(gè)線圈之間的磁耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的傳遞，再結(jié)合其他控制技術(shù)，從而完成浮標(biāo)的長(zhǎng)時(shí)間不間斷工作. 在軍事方面[5]，許多水雷戰(zhàn)在沿海地區(qū)進(jìn)行的時(shí)候，都面臨一個(gè)共同的問(wèn)題： 缺少一個(gè)可靠的無(wú)線指揮、 控制和航行信道. 采用基于磁耦合的信息傳輸技術(shù)，以上問(wèn)題將迎刃而解.

1 線圈磁耦合原理

磁耦合信號(hào)不同于傳統(tǒng)的無(wú)線電信號(hào)，其產(chǎn)生于交變磁偶極子的磁感應(yīng)信號(hào)有很少或者幾乎沒(méi)有電場(chǎng)分量. 電場(chǎng)分量之所以被抑制，因?yàn)楦袘?yīng)信號(hào)頻率極低，電磁線圈天線的輻射電阻也相當(dāng)小[7]. 對(duì)于傳統(tǒng)天線的輻射電阻比地表?yè)p失更大，以確保產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)； 對(duì)于磁耦合信號(hào)，電場(chǎng)分量的缺失導(dǎo)致磁場(chǎng)變?yōu)橐粋€(gè)非傳播場(chǎng). 因此磁感應(yīng)場(chǎng)沒(méi)有多徑模式. 和電磁波信號(hào)一樣，磁場(chǎng)能夠被調(diào)制，用于壓制磁耦合載體上的數(shù)據(jù). 在空氣中，磁耦合場(chǎng)強(qiáng)度和距離三次方成反比[8]. 由于地、 水和空氣的磁導(dǎo)率差距并不是太大，磁耦合場(chǎng)可以很好穿透水，沉積物和巖石等非磁性物質(zhì). 傳統(tǒng)的磁耦合通信系統(tǒng)整體技術(shù)模型如圖 1 所示.

圖 1 傳統(tǒng)磁耦合整體流程圖Fig.1 Integral flow chart of traditional magnetic coupling

本文主要研究發(fā)射線圈和接收線圈之間的耦合問(wèn)題. 此處將信號(hào)的傳輸環(huán)節(jié)簡(jiǎn)化表示為 圖 2 所示. 分析圖 2 的線圈耦合模型簡(jiǎn)圖，利用電路的相關(guān)理論，可以相應(yīng)得到其等效電路圖，如圖 3 所示.

圖 2 線圈耦合模型簡(jiǎn)圖Fig.2 Model diagram ofcoil coupling

圖 3 線圈耦合等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit diagram ofcoil coupling

對(duì)于每個(gè)線圈來(lái)說(shuō)，其各自的自感可以表示為[9]

式中：μ0=4π×10-7H/m；N1，N2分別為發(fā)射線圈和接收線圈的匝數(shù)；R1，R2分別為發(fā)射線圈和接收線圈的半徑.

兩個(gè)線圈之間的互感可以用式(3)表示[8]

式中：rmax=max{r1,r2}.

對(duì)于耦合系數(shù)的定義為[10]

將式(1)～式(3)代入到式(4)中，利用線圈半徑和兩線圈距離可以得到

對(duì)上述等效電路進(jìn)行相應(yīng)的分析，令共振頻率為ω，定義為

分別對(duì)兩個(gè)網(wǎng)口進(jìn)行分析，應(yīng)用基爾霍夫定律，可以分別得到相應(yīng)的方程

式中：V0為電源電壓值. 求解上述方程，可以得到線圈2中的電流值

因此可以得到接收功率的表達(dá)式

至此，基于等效電路的磁耦合基本理論模型建立完成.

2 線圈磁耦合模型仿真分析

對(duì)于線圈磁耦合的仿真分析是設(shè)計(jì)良好通信系統(tǒng)的必要環(huán)節(jié). 本文對(duì)磁耦合系統(tǒng)典型的單線圈發(fā)射單線圈接收共軸模型進(jìn)行了仿真分析. 分別得到了通信頻率、 激勵(lì)電壓、 線圈直徑、 線圈匝數(shù)對(duì)于特定距離的磁感應(yīng)強(qiáng)度或磁力線分布圖.

2.1 不同通信頻率的磁力線分布圖

仿真中，線圈匝數(shù)設(shè)定為10匝，線圈直徑10 cm，導(dǎo)線直徑1.0 mm，兩個(gè)線圈的最近邊緣相距10 cm，激勵(lì)電壓為正弦交流電壓，其幅值為5 V. 分別選取290 kHz和390 kHz頻率進(jìn)行仿真分析，其磁力線分布如圖 4 所示.

圖 4 頻率為290 kHz和390 kHz磁力線分布圖Fig.4 Magnetic field distribution diagramof the frequency of 290 kHz and 390 kHz

2.2 不同激勵(lì)電壓的磁力線分布圖

仿真中，線圈匝數(shù)設(shè)定為10匝，線圈直徑10 cm，導(dǎo)線直徑1.0 mm，兩個(gè)線圈的最近邊緣相距10 cm，通信頻率設(shè)定為290 kHz，激勵(lì)電壓為正弦交流電壓. 激勵(lì)電壓賦值分別選取5 V和15 V進(jìn)行仿真分析，其磁力線分布如圖 5 所示.

圖 5 激勵(lì)電壓幅值為5V和15V對(duì)應(yīng)磁力線分布圖Fig.5 Magnetic field distribution diagram of voltage excitation for 5 V and 15 V

2.3 不同線圈直徑的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖

仿真中，線圈匝數(shù)設(shè)定為10匝，導(dǎo)線直徑1.0 mm，兩個(gè)線圈的最近邊緣相距2 cm，激勵(lì)電壓為正弦交流電壓，其幅值為5 V，通信頻率為290 kHz，分別對(duì)線圈直徑為10 cm和20 cm進(jìn)行仿真分析，其磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖 6 所示.

圖 6 線圈直徑為10 cm和20 cm磁感應(yīng)強(qiáng)度圖Fig.6 Magnetic induction intensity map of coil diameter for 10 cm and 20 cm

2.4 不同線圈匝數(shù)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖

仿真中，線圈直徑10 cm，導(dǎo)線直徑1.0 mm，兩個(gè)線圈的最近邊緣相距2 cm，激勵(lì)電壓為正弦交流電壓，其幅值為5 V，通信頻率設(shè)定為290 kHz，線圈匝數(shù)分別設(shè)定為10和20進(jìn)行仿真分析，其磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖 7 所示.

圖 7 線圈匝數(shù)為10和20對(duì)應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度圖Fig.7 Magnetic induction intensity map of the number of turns of the coil is 10 and 20

綜合分析上述圖像，可以形象地看出通信頻率、 激勵(lì)電壓、 線圈直徑、 線圈匝數(shù)對(duì)兩個(gè)線圈的耦合均有影響. 當(dāng)頻率變化的時(shí)候，耦合情況變化十分明顯，頻率為290 kHz的時(shí)候磁力線分布比較均勻，當(dāng)頻率增加到390 kHz的時(shí)候，磁力線基本上集中在線圈的中心位置處. 分析激勵(lì)電壓以及線圈直徑和線圈匝數(shù)對(duì)耦合強(qiáng)度的影響，可以看出當(dāng)一個(gè)參量變化的時(shí)候，耦合情況就會(huì)相應(yīng)地進(jìn)行改變，并且這3者引起的耦合強(qiáng)度的變化都是正向相關(guān)的. 這一規(guī)律，對(duì)于將來(lái)根據(jù)具體需求設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的線圈耦合裝置有著重要意義.

3 線圈磁耦合模型應(yīng)用

線圈磁耦合模型不僅應(yīng)用于水下通信領(lǐng)域，還成功地應(yīng)用于其他領(lǐng)域.

在磁耦合應(yīng)用的諸多領(lǐng)域當(dāng)中，基于線圈的無(wú)線充電是目前熱點(diǎn)研究方向之一. 自從2007年，MIT的團(tuán)隊(duì)宣布成功實(shí)現(xiàn)了磁耦合共振的無(wú)線電力傳輸之后[11]，國(guó)內(nèi)外有很多的研究機(jī)構(gòu)及科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了相應(yīng)的跟蹤. 不僅在理論上取得了相應(yīng)的成功，在實(shí)際應(yīng)用中也實(shí)現(xiàn)了部分的商業(yè)化. 在國(guó)內(nèi)諸多科研機(jī)構(gòu)中，中國(guó)科學(xué)院電工所，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，重慶大學(xué)等單位都進(jìn)行了相應(yīng)的研究，并發(fā)表了一系列的文章[12-16]； 在國(guó)外的相關(guān)研發(fā)中，通用公司的研發(fā)人員開(kāi)發(fā)出了能夠?yàn)槠囘M(jìn)行無(wú)線充電的設(shè)備，飛利浦公司研發(fā)出了第一款支持無(wú)線充電的99系列手機(jī)，日本的最大的電信運(yùn)營(yíng)商N(yùn)TT DOCOMO夏普正式發(fā)售了世界首個(gè)自帶無(wú)線充電功能的智能手機(jī)“AQUOS PHONE fSH-13”.

在目前醫(yī)療健康領(lǐng)域的文獻(xiàn)中，提到了一種植入非接觸式提供能量和信號(hào)的方法，人體外置設(shè)備以不同頻率向體內(nèi)發(fā)送電能和信號(hào)，體內(nèi)的線圈進(jìn)行接收相應(yīng)的電能和信號(hào)，從而完成電能和信號(hào)的非接觸傳輸； 在健康監(jiān)測(cè)方面，為了獲取身體的相關(guān)信息，將建立微型人體網(wǎng)絡(luò)的芯片植入人體內(nèi)，磁耦合技術(shù)將用于兩個(gè)芯片之間的通信，同時(shí)也為這些芯片提供工作所必須的能量[17-20].

在鐵路交通方面，在通信系統(tǒng)中采用無(wú)線感應(yīng)方式，具有鋪設(shè)及維護(hù)簡(jiǎn)單，使用壽命長(zhǎng)，成本低，對(duì)地形及天氣適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是一種較理想的磁浮列車通信方式[21].

另外在射頻識(shí)別方面[22]，礦井內(nèi)信息傳輸方面[23]，磁耦合模型亦有相應(yīng)的應(yīng)用. 若干線圈可以組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[24]，線圈組的通信也將極大地拓展磁感應(yīng)通信的應(yīng)用領(lǐng)域.

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了磁耦合通信的概念、 原理模型. 并對(duì)線圈磁耦合模型進(jìn)行了建模以及仿真分析，通過(guò)仿真分析，設(shè)計(jì)者可以更加形象地了解磁耦合通信，并對(duì)設(shè)計(jì)效率更高的設(shè)備提供了一個(gè)參考. 最后介紹了磁耦合模型目前的應(yīng)用. 未來(lái)磁耦合模型的應(yīng)用必將會(huì)更加小型化、 模塊化.

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Simulation and Applications of Coil Magnetic Coupling Model

YANG Hongzheng1, CAO Junqing1, WANG Sansheng2, WANG Sancheng1, LI Hua1

(1. School of Physics and Nuclear Energy Engineering,Beihang University, Beijing 100191, China； 2. Key Laboratory of Micro-Nano Measurement and PhysicsMinistry of Education, Beihang University, Beijing 100191, China)

Underwater communication is one of the key technologies to develop marine technology and make full use of marine resources. This paper studied and discussed the magnetic coupling model simulation and applications based on the underwater communication including the overall planning system model of underwater communication in magnetic coupling system, magnetic coupling model, equivalent circuit model and the applications of magnetic coupling model . The simulation of the magnetic coupling model was researched by using the finite element and the control variable method, and systematically analyzed the effects of the communication frequency, excitation voltage, coil diameter and the number of turns on the magnetic coupling strength. Through effective simulation, the communication frequency, excitation voltage, coil diameter and number of turns of the magnetic field can be described as a picture of the influence of the communication distance. In addition, it deepens the understanding of the magnetic coupling model because of the applications of coil magnetic coupling model, this work provides an important reference to the further design of reliable and effective magnetic coupling communication system and optimize the communication parameters.

magnetic coupling simulation; communication model; underwater wireless communication

1671-7449(2016)06-0471-07

2016-06-07

楊宏正(1991-)，男，碩士生，主要從事磁耦合通信研究.

TN91

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2016.06.003