電極對天線增大通信距離的方法研究＊

路洋洋 王永斌 周思同

（海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033）

1 引言

在當今社會中，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行通信。在發送端借助于兩個電極，將信號以傳導電流的方式輻射出去。在接收端采用另一副電極對天線進行接收，將電流場轉化為信號。為了提高通信性能，論文著重對增加通信距離的方法進行了研究。理論分析了多種方式的可行性，并通過實驗進行了驗證。

2 水下電流場通信原理分析

電磁波的產生與傳播是因為位移電流的存在，位移電流的表達式為［1～2］

其中D成為電位移或電通量密度，傳導電流的表達式為

因此

而E＝E0ejωt，所以

在海水中，σ＝4S／m，ε＝7.083·10－10F／m，位移電流與傳導電流比值很小，所以海水中的位移電流可以忽略不計。

收發電極均在海水中時，由于位移電流很小，信號主要是以傳導電流的形式傳播，這樣形成的場稱為電流場。如圖1所示，發射電極A1、B1相距d1，接收電極A2、B2相距d2，收發電極距離為r，在發射電極上加上電壓U時，根據歐姆定律，可在導線與海水形成的回路中產生電流I0，當收發電極平行排列時，接收場強為［3～4］

接收信號電壓表達式為

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大通信距離。發射電極與海水形成的回路滿足歐姆定律，發射電流的大小與發射電壓、電極與海水的接觸阻抗有關，因此增大信號強度可通過增大發射功率、減小接觸阻抗的方式進行，接觸阻抗可以通過改變電極材料和接觸面積來實現［6］。下面是幾種增大通信距離的新方法，主要應用于發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的方向［7］，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）介質盤法。在海水這類導電媒質中，傳導電流占優勢，可利用絕緣物質改變傳導電流的分布［8］，使天線獲得較強的信號，這就是構成介質盤天線的基本思想。如圖3所示，當一塊絕緣板插入收發電極之間時，傳導電流的傳播路徑加大了，相當于增加了電極間距，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律來采取相應的措施。

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。發射電極間距5cm，收發距離10cm，發射信號頻率為5kHz，幅度為5V。采用一塑料板作為反射板，置于發射電極之后，分別測量距離發射電極0cm、1cm、2.5cm、5cm、10cm、20cm時的接收信號幅度。測得數據如表1所示。

表1 不同形狀的電極阻抗測試結果

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近而變化，當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，因此實際應用中增大的通信距離達不到一倍遠。

將反射板貼于發射電極對天線上，收發電極間距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 方向圖測量數據

圖5 加裝反射板方向圖

圖5為實測天線方向圖，發射電極對天線沿x方向布放，x軸的垂直平分線設為0°，當接收電極對天線沿著發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。可以看到，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。發射電極間距5cm，收發距離10cm，發射信號頻率為5kHz，幅度為5V。采用塑料板（厚度為1cm）作為介質盤，置于發射電極之間，分別測量插入1、2、3、4、5張塑料板時的接收信號幅度。測得數據如表3所示。

表3 介質盤的厚度對接收電壓的影響

表3表明加裝介質盤確實可以提高信號強度，增加通信距離。并且介質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 結語

以上分析了水下電流場通信的優勢和原理，得出了接收信號表達式。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行實驗驗證，測試結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用提供了參考。

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