电磁信号跨介质无线传输系统设计与实现

发布时间：2020-09-25 16:16

　　 21世纪以来通信技术的高速发展不断满足着人们日益增长的各种各样的需求,手机,对讲机等常用通信方式以电磁波为载体,在空气中进行无线通信。随着工业的发展与生产资源的紧缺,近年来人们开始研究能够穿透岩层、冰层、海水等媒质的跨介质通信技术,用于矿井应急通信、水下无线传感器网络通信、水面遥控水下无人艇、潜艇通信等方面。为了有效实现跨介质通信,对其进行深入研究具有十分重要的意义。本文将从基本理论着手,首先对有耗媒质中电磁参量,偶极子天线等进行研究,设计一套用于测量电磁参数的硬件系统,在此基础上,基于2DPSK调制解调方式设计了一套跨介质通信系统。本文主要研究内容有以下几个方面。(1)首先介绍了有耗媒质中的几种基本电磁参量,在此基础上,建立了无限大有耗媒质中的电偶极子与磁偶极子模型,仿真分析了电磁场在有耗媒质中的传播特性。(2)根据海水中水平电偶极子在空气中产生的含有贝塞尔积分的各个分量电磁场积分表达式,利用海水中的电磁参量特点进行了公式化简的工作,建立了其传播特性数学模型,为后续实现跨介质通信提供了理论依据。(3)针对海水-空气两层媒质进行了物理实验测试系统的设计工作,包括水密外壳设计、功率放大器设计、天线优化设计与阻抗匹配方案设计等,在此基础上,采用不同形式天线进行了海水-空气两层媒质电磁场传播特性的测试工作,并与理论结果进行了比较和分析,为实现有耗媒质中的无线通信提供了理论和实验依据。(4)针对海水-空气两层媒质信道设计实现了一套无线通信系统,包括调制、解调、信道编码与译码、同步系统及模拟电路系统等,并进行了外场无线通信测试工作,实现了跨介质无线信息传输,达到了预期的效果,验证了利用电磁信号进行跨介质通信的可行性。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN914
【部分图文】：

曲线,角度,感应场,场强

哈尔滨工程大学硕士学位论文8按21/r变化的项被称为感应场；按31/r变化的项被称为静态场，感应场与静态场主要作用于近场区。三个场强强度均与发射电流成正比。利用MATLAB软件对上式进行仿真，在发射电流I等于1安培，偶极子间距为10米的情况下，从左到右分别得到rE、Eθ、H与角度θ及距离r的关系，如下图2.3所示。图2.3rE、Eθ、H与角度θ及距离r的关系可以看到在θ=90°时，Eθ和H具有最大值，θ=0°时rE具有最大值。当θ=0°、θ=90°时rE、Eθ的幅值曲线如下所示，可以看到同一距离下Eθ大于rE。图2.4当θ=0°、θ=90°时rE、Eθ的幅值曲线电场强度Eθ与信号频率的关系如图2.5所示，其中电偶极子的间距为10m，电导率4S/m，电流1安培。三条曲线分别是在与电偶极子相距20m、30m、40m处电场强度Eθ随频率变化的场强值。可以看出，在其他参数不变的情况下，场强会随着频率的变化而变化。电场强度在某一频率附近会有一个峰值点，且均小于2kHz，经过峰值点后，随

曲线,幅值,曲线,感应场

电场强度,频率,水平电偶极子,电偶极子

第2章电磁信号跨介质传播特性建模与仿真9着频率的增大，场强会有很快的衰减。同时，随着距离的增大，峰值点对应的频率逐渐降低，这对电磁信号从水中传播到空气中适宜的频率范围具有一定的参考意义。图2.5三种距离下电场强度随频率的变化对于无限大有耗媒质中的水平电偶极子，可以将其看作把图2.2中的垂直电偶极子水平放置，如图2.6所示。Idlxyz图2.6水平电偶极子如果以上图方式放置，即电偶极子与x轴方向平行且中心位于球坐标系原点，则可获得矢量磁位A[17]4sjtrIdlAerωγμπ=(2-13)用分量表示为=sincoscoscossinrrAAAAAAθθθθ=++++rθφAeeeeee(2-14)

【参考文献】