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用于水下射频通信的环形天线研究

作　者: 王岳
导　师: 赵明山
学　校: 大连理工大学
专　业: 光学工程
关键词: 环形天线水下通信电磁波磁耦合
分类号: TN823.15
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 266次
引　用: 2次
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内容摘要

水下通信技术广泛应用于潜航器之间、潜水员之间的信息交换,水下无人设备的导航与控制,以及水下传感网等领域。随着功能的不断扩展,水下平台间的声频、图像以及综合数据实时交换应用,对水下无线通信技术的传输速率提出了更高的要求。在复杂的浅水环境中,传统的水声技术受噪声和干涉影响大,无法克服多径效应,通信速率低,延时大,且带宽有限；水下蓝绿激光通信技术由于散射和吸收的限制以及高精度对准的要求,应用受到局限。由于电磁波在水中的传播衰减较大,仅有超长波通信得到了实际应用,但其天线体积大能耗高,通信速率极低。近年来,随着数字信号处理技术及天线技术的发展,水下高速射频通信成为可能,性能高、体积小的天线是水下射频通信技术研究的重要方向。目前,国外已经开展了水下近距离射频通信天线的研究,并取得了一定的进展,我国亟需进行自主的研发。本文的重点工作是用于水下射频通信的环形天线的理论分析、设计和制备,以及水下通信的初步实验验证。首先介绍了水下通信的现状、问题和射频通信的发展形势,讨论了无损媒质中的电磁波传播,详细论述了水下射频传播特性,指出了水下利用磁场进行通信的优势,分析了有利于水下通信的表面波效应,讨论了用于电磁场计算的矩量法及仿真软件。设计了用于水下近距离射频通信的环形天线,推导了水下天线发射的能量场,结合仿真计算对比了电偶极子和磁偶极子两种基本的天线形式,选择了发射磁场能量强、接收信噪比高、外形尺寸小的环形天线,分析了水下小环天线的关键参数及影响因素,优化选取了天线半径、圈数等结构参数并进行了天线的制备。在天线调试与测试的基础上,初步设计了采用QPSK调制方式的水下射频通信实验,讨论了衡量接收质量的误差向量幅度(EVM)等关键指标,在大型水池中进行了水下射频发射与接收测试,并验证了水下数据传输的有效性及可靠性,分析了不同通信距离及传输速率对通信性能的影响。结果表明在60米距离内,可以实现32kbps以上的数据通信。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
1 绪论  8-16
  1.1 水下无线通信的应用  8-9
  1.2 水下无线通信的基本类型  9-12
    1.2.1 水声通信技术  9-10
    1.2.2 水下蓝绿激光通信技术  10
    1.2.3 传统水下电磁通信  10-11
    1.2.4 水下无线射频通信  11-12
  1.3 水下射频通信的国内外发展情况  12-14
  1.4 本文的主要内容  14-16
2 水下射频传输原理  16-29
  2.1 无损耗媒质中的射频通信  16-19
    2.1.1 无损媒质中的电磁波传播  16-17
    2.1.2 自由空间传播特性分析  17-19
  2.2 水下电磁波的传播  19-25
    2.2.1 导电媒质中的电磁波传播  19-20
    2.2.2 水媒质中的射频传播特性  20-25
  2.3 水下表面波(surface wave)传播  25-27
  2.4 电磁场仿真计算原理  27-29
    2.4.1 矩量法  27-28
    2.4.2 电磁场分析软件  28-29
3 水下天线设计  29-55
  3.1 水下天线的基本原理  29-31
    3.1.1 天线基本特征  29-30
    3.1.2 天线发射场原理  30-31
  3.2 水下电偶极子与磁偶极子特性  31-40
    3.2.1 电偶极子  31-33
    3.2.2 磁偶极子  33-35
    3.2.3 电偶极子与磁偶极子的选择  35-40
  3.3 环形天线  40-44
    3.3.1 大环天线  41-43
    3.3.2 小环天线  43-44
  3.4 小环天线设计与制备  44-55
    3.4.1 小环天线的主要参数分析及设计  44-51
    3.4.2 天线结构参数的选择  51-53
    3.4.3 环形天线的参数计算与制备  53-55
4 基于环形天线的水下通信测试实验与分析  55-68
  4.1 天线调试与测试  55-56
  4.2 水下射频通信测试原理  56-60
    4.2.1 水下射频通信调制方式  56-58
    4.2.2 解调分析方法  58-60
  4.3 水下实验方案  60-62
  4.4 射频传输测试与结果分析  62-64
  4.5 调制解调测试与结果与分析  64-68
结论  68-70
参考文献  70-73
附录A Ansys FEKO模拟软件界面  73-74
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  74-75
致谢  75-76

用于水下射频通信的环形天线研究

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