CN114650084B - 水下磁感应通信全向收发天线电路 - Google Patents

Abstract

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。

Description

水下磁感应通信全向收发天线电路

技术领域

本发明属于水下磁感应通信技术领域，尤其涉及一种水下磁感应通信全向收发天线电路及电路参数设计方法。

背景技术

随着保护海洋生态环境和开发利用海洋资源的不断开展，对海洋环境和资源的监测和勘探日趋深入，已经出现了多种用于海洋探测的设备，如水下传感器，无人潜水器等。

水下设备之间的通信对于海洋探测十分重要，当前水下长距离无线通信主要通过声学通信手段来完成。水声通信的优点是传输距离长，缺点是信道环境复杂多变、传播时延大、通信速率低等。对水下近距离通信，除水声通信外，电磁波通信和激光通信也有一定应用。水下无线环境与陆地环境不同，电磁波在水下的高频损耗较高，需要采用较低的频段完成通信。频率越低的电磁波对应的波长就越长，相应的用于发射和接收电磁波的通信天线也越长，较难实现设备的小型化。水下激光通信的传播时延小、通信速率高，但需要窄带激光对准，不适用于移动节点的通信，且会受到背景光的干扰及障碍物阻断通信。因此，现有的水下无线通信技术或多或少存在一定局限。

磁感应通信是利用电磁感应原理完成通信过程，信号承载于发送端和接收端之间的耦合磁场中。与电磁波通信工作在远场区域不同，磁感应通信工作于电磁波的近场区域。磁感应通信作为一种新型的通信技术，具有应用于水下无线通信的优良特性。磁感应通信具有较低的传播时延、较为恒定的信道响应、较小的天线尺寸、较低的设备成本等应用优势。

磁感应通信适用于地下、水下等特殊信道情况。申请号为201410276980.8的中国发明专利公开了一种用于地下的低频磁感应通信调制方法和解调方法及相应的通信电路，其采用把发送串联谐振电容放置于“H”桥开关电路中的方法使调制信号在谐振回路中一直维持在最大谐振状态以提高调制信号的带宽，但其局限是没有考虑通信信道特性对通信电路设计的影响。申请号为202010910373.8的中国发明专利公开了一种基于地下无线传感网络的磁通信调制电路及其调制方法，但由于水下收发端存在相对方位的不确定性，当天线无法对准时，通信性能将大大下降。另外，说明了可以通过改变工作频率和天线参数满足通信距离的需要，但并未公开具体的方法和步骤。申请号为202110341942.6的中国发明专利公开了一种基于磁通信的数据发送方法和接收方法，其发送天线采用三个正交设置的铁氧体棒磁芯线圈单体，其接收天线采用由薄片铁氧体骨架及缠绕在骨架上的正交设置的三个线圈，发送端和接收端皆采用正交设置的三个线圈作为天线可以降低天线对准的要求，实现全向性通信，但其局限是未考虑优化的收发天线结构及收发天线的复用。

对水下磁感应通信，存在收发端相对位置及方向不确定的问题，因此需要一种全向通信方案；水下介质存在一定的导电性，随着通信信号工作频率的提高，接收感生电压将增大，同时，随频率增大的涡流损耗将使接收感生电压减小，因此在这两种因素的共同作用下，水下磁感应通信将存在一个最优通信信号工作频率；水下能源供给受限，需要长时间工作的设备需要通过参数设计优化性能，提升效率，降低电路功耗。

现有的磁感应通信方法解决了一些问题，但存在不足之处，如没有考虑优化的收发天线结构及收发天线的复用，没有考虑水下通信信道特性对天线工作参数的影响，没有考虑天线电路参数的设计及其对通信性能的影响等问题。因此，亟需一种既能实现全向性通信，又降低电路复杂性并且收发合制的全向收发天线电路及相应的工作参数与电路参数的设计方法，以简化水下磁感应通信天线电路，保证通信性能条件下，降低收发功耗。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种优化的实现全向性通信的磁感应收发天线电路，简化水下磁感应通信天线电路，实现全向性通信。

本发明的全向收发天线电路包括全向天线、发送选择模块，以及三个收发单元。

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。

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。

本发明的另一个目的是提供该电路参数的设计方法。

构成全向天线Co的三个线圈的物理参数完全一致：空间球形结构的半径为a_o，每个线圈的匝数为N_o，构成线圈的导线的单位长度导线电阻为ρ，导线半径为d。

步骤(1)获取设计输入参数；具体如下：

(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∈_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和接收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，所需最小发送电压U_min和所需最小发送电流I_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_tcos2πft，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)根据微积分定理，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 2G³-8G²-8G-4＝0的唯一实数根，G_θ为方程G⁵-5G⁴-5G³-2G²-2G+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_oL_r＝2πf_oL_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，根据电感计算公式

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)根据电感计算公式

(4-5)确定参数R_t,R_r，R_t＝R_r＝2πa_oN_oρ。

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)根据欧姆定律，发送电流调节电阻

(6-2)计算发送端和接收端距离为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

根据M_min＝M_tr1，确定M_min；

(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)。

本发明的有益效果是：

(1)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。其中，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，发送电路采用串联谐振模式，接收电路采用电容并联负载模式，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。

(2)本发明还提供一种通信信号最优工作频率、最小发送电压、最小发送电流与相关全向收发天线电路参数的设计方法，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。

附图说明

图1为本发明实施例的全向收发天线电路原理图；

图2为图1所示实施例中的全向天线模块的结构示意图；

图3为图1所示实施例的全向收发天线电路收发信号时的工作方式示意图；

图4示为本发明一个方面所提供的工作参数及电路参数的设计方法流程图；

图5为图1所示实施例的收发等效电路模型原理图；

图6为图5所示收发等效电路模型原理图的发送端天线线圈和接收端天线线圈的空间位置及方向示意图；

图7为图5所示收发等效电路模型的一种特殊情况等效电路模型原理图。

具体实施方式

以下结合附图并举实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种优化的全向收发天线电路，包括全向天线模块，收发切换模块，发送电路模块和接收电路模块。

如图1和图2所示，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；构成全向天线Co的三个线圈的物理参数完全一致：空间球形结构的半径为a_o，每个线圈的匝数为N_o，构成线圈的导线的单位长度导线电阻为ρ，导线半径为d。

如图1和图3所示，发送信号时，将选择全向天线Co中的一个线圈进行信号发送；接收信号时，将采用全向天线Co的所有线圈进行接收。

如图1所示，收发切换模块由六个受控切换开关T₁₁,T₁₂,T₂₁,T₂₂,T₃₁,T₃₂构成，用于控制全向天线Co的收发切换，受控切换开关为继电器或半导体开关器件；受控切换开关T₁₁,T₁₂的端点3分别与线圈Coil₁的端点1、2连接，T₁₁,T₁₂控制线圈Coil₁的收发切换；受控切换开关 T₂₁,T₂₂的端点3分别与线圈Coil₂的端点1、2连接，T₂₁,T₂₂控制线圈Coil₂的收发切换；受控切换开关T₃₁,T₃₂的端点3分别与线圈Coil₃的端点1、2连接，T₃₁,T₃₂控制线圈Coil₃的收发切换。发送信号时，T₁₁,T₁₂,T₂₁,T₂₂,T₃₁,T₃₂的端点3从内部连接端点1，使Coil₁、Coil₂、Coil₃处于发送状态；接收信号时，T₁₁,T₁₂,T₂₁,T₂₂,T₃₁,T₃₂的端点3从内部连接端点2，使Coil₁、Coil₂、 Coil₃处于接收状态。

如图1所示，发送电路模块，包括发送端串联谐振电容C_t1,C_t2,C_t3，发送电流调节电阻 R_s1,R_s2,R_s3，发送选择开关S₁,S₂,S₃和信号发生装置U_s；发送端串联谐振电容、发送电流调节电阻、发送选择开关分别位于线圈Coil₁、Coil₂、Coil₃的电路回路中；电容C_t1一端连接T₁₁的端点1，另一端连接R_s1；电阻R_s1一端连接C_t1，另一端连接S₁；开关S₁一端连接R_s1，另一端连接U_s；电容C_t2一端连接T₂₁的端点1，另一端连接R_s2；电阻R_s2一端连接C_t2，另一端连接S₂；开关S₂一端连接R_s2，另一端连接U_s；电容C_t3一端连接T₃₁的端点1，另一端连接R_s3；电阻R_s3一端连接C_t3，另一端连接S₃；开关S₃一端连接R_s3，另一端连接U_s；信号发生装置U_s输出端连接S₁,S₂,S₃；电容为聚丙烯电容；发送选择开关S₁,S₂,S₃用于选择发送天线线圈，为多路复用器，S₁,S₂,S₃不会同时处于闭合状态，S₁闭合选择Coil₁发送，S₂闭合选择Coil₂发送，S₃闭合选择Coil₃发送；信号发生装置U_s用于输出发送调制信号，为运算放大器。

如图1所示，接收电路模块，包括接收端串联谐振电容C_r1,C_r2,C_r3，接收带宽调节电阻 R_a1,R_a2,R_a3和接收并联负载R_L1,R_L2,R_L3；接收端串联谐振电容、接收带宽调节电阻、并联负载分别位于线圈Coil₁、Coil₂、Coil₃的电路回路中；电阻R_a1一端连接T₁₁的端点2，另一端连接C_r1；电容C_r1一端连接R_a1，另一端连接T₁₂的端点2；并联负载R_L1并联于C_r1两端；电阻R_a2一端连接T₂₁的端点2，另一端连接C_r2；电容C_r2一端连接R_a2，另一端连接T₂₂的端点2；并联负载R_L2并联于C_r2两端；电阻R_a3一端连接T₃₁的端点2，另一端连接C_r3；电容C_r3一端连接R_a3，另一端连接T₃₂的端点2；并联负载R_L3并联于C_r3两端。电容为聚丙烯电容；接收并联负载R_L1,R_L2,R_L3用于调制信号的接收放大，为高精度运算放大器。

如图4所示，在该实施例中，提供图1所示实施例的工作参数与电路参数的设计方法。

具体步骤如下：

步骤(1)获取设计输入参数；具体如下：

(1-1)设定指标参数，包括最大通信距离r_max＝5m，最小接收带宽BW_min＝2kHz和最小接收电压ξ＝10^-5V；

(1-2)获取水下通信信道相关参数，包括介质磁导率μ_s＝4π×10^-7H/m，介质介电常数∈_s＝81×8.854×10^-12F/m和介质电导率σ_s＝4S/m；

(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＝0.0350Ω/m和导线半径d＝0.3890mm，信号发生装置U_s的最大发送电压U_max＝3V、最大发送电流I_max＝130mA和输出阻抗R_so＝0.2Ω，以及接收并联负载的输入阻抗R_L＝500kΩ。

步骤(2)构建图1所示的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：

如图5所示，(2-1)构建图1所示的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：

如图6所示，(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_tcos2πft，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)根据微积分定理，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 2G³-8G²-8G-4＝0的唯一实数根，G_θ为方程G⁵-5G⁴-5G³-2G²-2G+1＝0的唯一实数根；选取G_r,G_θ的近似值，G_r≈4.8997，G_θ≈5.9132；

(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_oL_r＝2πf_oL_r，令

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＝43nF；

(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＝10cm，根据电感计算公式

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＝10；

(4-4)根据电感计算公式

L_t＝L_r＝L_o≈95μH；

(4-5)根据电阻计算公式R_t＝R_r＝2πa_oN_oρ，确定参数R_t＝R_r≈0.2200Ω。

步骤(5)根据电路谐振条件

确定修正后参数f_o≈78kHz；

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)根据欧姆定律，发送电流调节电阻

(6-2)计算发送端和接收端距离为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

根据M_min＝M_tr1，确定M_min；

如图7所示，(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≈0.4206V和所需最小发送电流I_min≈18.2mA。

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)。最终确定R_a＝1Ω，U_min≈2.3327V和BW≈2.0267kHz＞BW_min，参数设计完成。

上述实施例所述的内容仅仅是对本发明实现形式的列举，本发明的保护范围不应限于实施例中所陈述的具体形式，本发明的保护范围也应包含在本发明基础上所构思的同类发明方法。

Claims (1)

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；

全向收发天线参数按以下方法设计：

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∈_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_tcos2πft，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2G³-8G²-8G-4＝0的唯一实数根，G_θ为方程G⁵-5G⁴-5G³-2G²-2G+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_oL_r＝2πf_oL_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_oN_oρ；

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)。

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