电极对天线增大通信距离的方法研究＊

路洋洋 王永斌 周思同

（海军工程大学电子工程学院 武汉 430033）

1 引言

在当今社会中，水下通信起着越来越重要的作用，目前水下通信主要采用水声通信的方式。但水声通信方式传输速率低，易受噪声的影响。为了弥补水声通信的缺陷，这里采用水下电流场进行通信。在发送端借助于两个电极，将信号以传导电流的方式辐射出去。在接收端采用另一副电极对天线进行接收，将电流场转化为信号。为了提高通信性能，论文着重对增加通信距离的方法进行了研究。理论分析了多种方式的可行性，并通过实验进行了验证。

2 水下电流场通信原理分析

电磁波的产生与传播是因为位移电流的存在，位移电流的表达式为［1～2］

其中D成为电位移或电通量密度，传导电流的表达式为

因此

而E＝E0ejωt，所以

在海水中，σ＝4S／m，ε＝7.083·10－10F／m，位移电流与传导电流比值很小，所以海水中的位移电流可以忽略不计。

收发电极均在海水中时，由于位移电流很小，信号主要是以传导电流的形式传播，这样形成的场称为电流场。如图1所示，发射电极A1、B1相距d1，接收电极A2、B2相距d2，收发电极距离为r，在发射电极上加上电压U时，根据欧姆定律，可在导线与海水形成的回路中产生电流I0，当收发电极平行排列时，接收场强为［3～4］

接收信号电压表达式为

图1 电流场通信原理

3 增大电极对天线通信距离的理论分析

水下无线通信不同于自由空间的通信，其通信距离受到了很大的限制［3］。从式（6）可以看出，降低频率和增大收发电极间距可以在一定程度上增大通信距离，然而受到信息传输速率和携带方便性的影响，这两种方式不适合用来扩大通信距离。发射电极与海水形成的回路满足欧姆定律，发射电流的大小与发射电压、电极与海水的接触阻抗有关，因此增大信号强度可通过增大发射功率、减小接触阻抗的方式进行，接触阻抗可以通过改变电极材料和接触面积来实现［6］。下面是几种增大通信距离的新方法，主要应用于发射电极间距比较小的情况。

1）定向天线法。电极向整个空间辐射能量，当电极间距比较小时，可以在电极一端加装反射绝缘板，将电极对天线改为定向天线，如图2所示。这样可以改变信号传输的方向［7］，使射向另一方向的电波反射回接收天线的方向，从而提高了信号传输距离。从理论上讲，图2能够极大地增大通信距离，而通过改善材料特性，并且绝缘板紧贴电极布局的话能够提高一倍的通信距离。

图2 定向天线法示意图

2）介质盘法。在海水这类导电媒质中，传导电流占优势，可利用绝缘物质改变传导电流的分布［8］，使天线获得较强的信号，这就是构成介质盘天线的基本思想。如图3所示，当一块绝缘板插入收发电极之间时，传导电流的传播路径加大了，相当于增加了电极间距，从而天线接收到更大的电压。在一定条件下，绝缘板越大，两电极之间的电位差越大。

图3 介质盘法示意图

3）改变电极形状。电极形状的改变可以改变电极的阻抗［9］，因此利用这个性质可以改变电极的形状来增加通信距离。比如在相同体积下球形的表面积最大［10］，空心体的表面积比实心体大，因而可以按照这个规律来采取相应的措施。

4 增大电场传感器通信距离的实验测试

1）定向天线法的测试。制作一对实心铜柱电极对天线，长3cm，直径1.5cm，将它们作为发射电极来研究，接收电极采用长1.5cm，直径1.5cm的实心铜柱电极，电极间距10cm。发射电极间距5cm，收发距离10cm，发射信号频率为5kHz，幅度为5V。采用一塑料板作为反射板，置于发射电极之后，分别测量距离发射电极0cm、1cm、2.5cm、5cm、10cm、20cm时的接收信号幅度。测得数据如表1所示。

表1 不同形状的电极阻抗测试结果

由表1可知，在信号加装绝缘反射板以后确实可以提高信号强度，增大通信距离，且通信距离随着反射板距离电极对天线的远近而变化，当反射板紧贴于天线时信号强度最大。但由于材料的缺陷和实验装置的不足，信号在反射板反射时也存在一定的能量损耗，因此实际应用中增大的通信距离达不到一倍远。

将反射板贴于发射电极对天线上，收发电极间距20cm，以此为半径，如图4所示，接收电极对天线绕着发射天线作圆周移动可测量天线的方向图。

图4 测量方向图示意图

表2为收发电极对天线在不同角度的相对位置时收到的信号幅值（mV）：

表2 方向图测量数据

图5 加装反射板方向图

图5为实测天线方向图，发射电极对天线沿x方向布放，x轴的垂直平分线设为0°，当接收电极对天线沿着发射天线作圆周运动时可测得圆周各点的信号幅值。从图中可以看到，电极对天线的方向图呈明显的“8”字形，信号最大的方向位于两个电极的中轴线上。图中虚线“8”字图所示为无反射板时的方向图，外围粗线“8”字形为加装反射板后测得的信号幅值。可以看到，加装反射板后可以明显地改变天线的方向性，使能量集中于一个方向上，这样可以增大通信距离。如果改善反射板的特性，增大的效果会更明显。

2）介质盘法的测试。制作一对实心铜柱电极对天线，长3cm，直径1.5cm，将它们作为发射电极来研究，接收电极采用长1.5cm，直径1.5cm的实心铜柱电极，电极间距10cm。发射电极间距5cm，收发距离10cm，发射信号频率为5kHz，幅度为5V。采用塑料板（厚度为1cm）作为介质盘，置于发射电极之间，分别测量插入1、2、3、4、5张塑料板时的接收信号幅度。测得数据如表3所示。

表3 介质盘的厚度对接收电压的影响

表3表明加装介质盘确实可以提高信号强度，增加通信距离。并且介质盘的厚度对信号的强度有一定的影响，厚度越大，信号强度越大，增大通信距离的效果越明显。

此外，隔板的直径大小也会影响到接收信号的大小，表4为不同直径隔板所测得的信号幅值大小。

表4 介质盘的直径对接收电压的影响

由表4看出，不同直径的隔板对信号产生的放大效果也不同。隔板直径越大，收到的信号幅值也越大。这是由于大直径的隔板使得电极间距增大的更多，因而信号幅值提高的更明显，通信距离增大的也越多。

图6 电极加装反射绝缘板

图7 电极加装间隔绝缘板

5 结语

以上分析了水下电流场通信的优势和原理，得出了接收信号表达式。针对电极对天线水下通信距离近的问题，提出了多种增大通信距离的方法，包括定向天线法、介质盘法和改变传感器的形状。通过理论分析了以上方法的可行性，制作了电极对天线并在实验池中进行实验验证，测试结果验证了以上方法的可行性。以上方法为电极对天线在通信中的应用提供了参考。

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