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摘要:磁感应通信方式由于其传播特性不受介质电学特性影响、无多径效应、天线尺寸小等优点,非常适合在地层介质中或水下环境传输信号使用.然而其在近场衰减快的特点,也限制了传输距离.为增加通信距离,在Zhi Sun超材料天线模型的基础上,提出了一种改进的小型超材料天线模型,即在螺旋线圈内部增加铁氧体棒,随后又对球形超材料壳内用弱磁材料进行了填充.用Comsol对此模型进行了仿真,并比较了大半径线圈模型、大半径铁氧体模型、小半径超材料模型以及改进的小半径超材料模型在不同的填充物条件下接收端天线感应的磁场强度.仿真结果表明相同传播距离条件下,改进的小半径超材料天线方案的磁通信系统的接收端天线处的磁场强度最高;如果只对接收磁天线超材料壳内加填充材料而发送端天线壳内不加填充材料的情况下,改进的小型超材料天线模型的接收天线处耦合磁场强度相比大半径的线圈模型时接收天线的磁耦合强度提高了约20 dB....
[硕士论文] 牟永飞
信号与信息处理 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:电磁波在地下的传播与在空气中相比,最主要的区别就是衰减严重,极大地限制了通信距离。为了克服大地的衰减作用,需要采用甚低频或者超低频电磁波进行通信,但这样不但使得信道容量很小,而且需要尺寸很大的天线。本文的研究是基于负磁导率超材料特性设计并优化天线结构,依据主要是磁感应通信原理,着重于解决天线面积过大、通信距离过短两个问题。
  本课题主要研究内容是在2MHz工作频率的前提下,对半径为0.05m、匝数为8匝的线圈天线结构进行优化,优化天线的内部线圈半径为0.015m,优化后天线球的半径为0.05m。论文工作主要分为三个阶段为:(1)选择合适的线圈类型、验证超材料壳的材料增强作用,并确定超材料壳的厚度。仿真分别采用了圆形、方形线圈进行分析,验证了圆形线圈的磁场分布更均匀;然后从理论分析了超材料壳的最佳厚度,并验证了半径为0.05m的超材料天线球,其超材料外壳的最佳厚度为0.025m。(2)通过加入铁氧体和钢棒的方式对内部线圈进行优化。铁氧体选择了镍锌铁氧体,钢棒选择了不锈钢棒,然后基于FEKO软件建立了相关模型进行了优化,得出了最佳尺寸;最后将完整优化模型带入到Comsol软件中进行地下模型的仿真,仿真结果验证了优化后的天线较同尺寸的天线,磁场强度提升了约两个数量级,在磁场强度高于10?10/的前提下,优化的天线将传输距离由3m提升至5m。(3)分析天线性能。根据之前得出的天线模型分析整体系统特征,分析了天线放置方向对通信强度的影响,天线放置方向与信号传播方向一致时效果更佳;然后对超材料天线进行了点对点和磁中继建模仿真,验证了磁中继通信的优越性,以及发射端采用优化结构的优势;最后分析了天线匹配的作用、原理,并基于2MHz进行了天线的匹配,得到了匹配电路。
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