本發(fā)明屬于無線通信，具體涉及一種利用圓柱曲面積分計(jì)算海水中天線輻射電阻的方法。

背景技術(shù)：

1、海洋是人類可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略空間，也是當(dāng)今世界各國(guó)競(jìng)相爭(zhēng)取的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，水下運(yùn)載器、海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)、水下傳感器網(wǎng)絡(luò)將為海洋信息獲取和交換提供有力的支持，無人自主潛航器（auv）、水下機(jī)器人等水下平臺(tái)間的信息交互將越來越頻繁，這些設(shè)備在海洋環(huán)境中獲取、處理和傳送信息都需要可靠高效的水下通信技術(shù)作為保障。

2、目前海洋環(huán)境中信息傳輸主要依賴于線纜、聲波、藍(lán)綠激光和電磁波等載體，水下有線通信技術(shù)成熟，速率高但鋪設(shè)困難、成本高且易受外部環(huán)境干擾，水下無線通信技術(shù)包括水聲通信、水下藍(lán)綠激光通信和水下電磁波通信，水聲通信是應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，盡管具有遠(yuǎn)距離傳輸能力，但受到傳播速度慢、噪聲干擾大、帶寬受限等問題的制約，水下藍(lán)綠激光通信速率高，隱蔽性強(qiáng)，但需要對(duì)準(zhǔn)精確且受障礙物影響大，水下電磁波通信是現(xiàn)代研究熱點(diǎn)，傳輸速度快，抗干擾能力強(qiáng)，且受環(huán)境影響小，同時(shí)，電磁波在近海洋界面附近傳播時(shí)，由于其特有的跨界面?zhèn)鞑ヌ匦裕沟闷渥饔镁嚯x相比直接在海水中傳播時(shí)大大增加。

3、受海水介質(zhì)吸收衰減的影響，電磁波載頻的選取受很多因素的限制，以往設(shè)備中僅有超長(zhǎng)波通信得到了實(shí)際應(yīng)用，但其天線體積大能耗高，通信速率極低。近年來，隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)及天線技術(shù)的發(fā)展，水下高速電磁波通信成為可能，性能高、體積小的環(huán)形天線是水下電磁波通信技術(shù)研究的重要方向。天線的輻射電阻是電磁波通信系統(tǒng)最重要的參數(shù)之一，其決定了發(fā)射系統(tǒng)向外輻射能量的大小，工作在海水中的環(huán)形天線，其輻射電阻相比空氣中會(huì)發(fā)生很大的變化，輻射電阻的變化，使得天線的輻射效率、輻射功率等相應(yīng)都會(huì)產(chǎn)生變化，因此，對(duì)水下環(huán)形天線輻射電阻的精確建模和計(jì)算將是水下電磁波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研制的關(guān)鍵。

4、關(guān)于天線輻射電阻的計(jì)算方法的研究，一直以來都是水下電磁波通信技術(shù)研究中的熱點(diǎn)問題，james?r.?wait于20世紀(jì)提出，假定導(dǎo)電介質(zhì)中的回路由一個(gè)球形絕緣腔包圍。推導(dǎo)出了在腔體內(nèi)部的場(chǎng)的積分表達(dá)式，并利用了連續(xù)性條件來確定腔體對(duì)線圈阻抗的影響，最后，得出了在給定線圈電流下，線圈向周圍輻射的功率與腔體直徑的倒數(shù)大致成反比的結(jié)論，martin?b.?kraichman在考慮了導(dǎo)線的幾何形狀和電流分布之后，通過對(duì)圓環(huán)導(dǎo)線的電流分布進(jìn)行球面積分，得到了圓環(huán)在導(dǎo)電介質(zhì)中的外部電阻和電抗的表達(dá)式。

5、現(xiàn)有方法對(duì)水下環(huán)形天線輻射電阻的計(jì)算都不夠精確，無法滿足天線和通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，因此需要一種利用圓柱曲面積分計(jì)算海水中天線輻射電阻的方法來解決上述問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種利用圓柱曲面積分計(jì)算海水中天線輻射電阻的方法，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種利用圓柱曲面積分計(jì)算海水中天線輻射電阻的方法，具體包括以下步驟：計(jì)算海水中環(huán)形天線向外輻射產(chǎn)生的功率密度平均值坡印廷矢量 s av，在以環(huán)形天線半徑 r l為半徑、以環(huán)形天線的高 h為高的圓柱曲面上對(duì)功率密度平均值 s av進(jìn)行積分：

3、??(1)

4、式中，為電磁波角頻率、和分別為衰減系數(shù)和相移系數(shù)、 n為環(huán)形天線的匝數(shù)、為環(huán)形天線通電線圈中的電流、 s為環(huán)形天線的面積、為海水電導(dǎo)率，為海水磁導(dǎo)率，和分別為圓柱坐標(biāo)系下的積分變量，積分后得到海水中環(huán)形天線的輻射功率 p的表達(dá)式，并且推導(dǎo)證明了環(huán)形天線向上、下兩底面輻射能量的功率總和為0，僅向天線側(cè)面方向輻射能量；

5、將輻射功率表達(dá)式進(jìn)行變換，得到海水中環(huán)形天線的輻射電阻表達(dá)式為：

6、??(2)；

7、通過與海上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了通過圓柱曲面積分模型計(jì)算環(huán)形天線在海水中的輻射電阻方法的可行性和準(zhǔn)確性。

8、本發(fā)明主要對(duì)海水中的環(huán)形天線的輻射功率和輻射電阻進(jìn)行分析，提出了一種新的方法和思路，通過圓柱曲面積分模型計(jì)算環(huán)形天線在海水中的輻射電阻，為準(zhǔn)確計(jì)算環(huán)形天線的輻射電阻提供了新的途徑；

9、作為一種優(yōu)選的方案，推導(dǎo)電磁波在海水中的傳播常數(shù)，同時(shí)計(jì)算垂直磁偶極子模型下，海水中環(huán)形天線的輻射功率密度。

10、作為一種優(yōu)選的方案，鑒于環(huán)形天線僅在球坐標(biāo)系的 r方向向外輻射能量，依據(jù)幾何關(guān)系，把在球坐標(biāo)系下推導(dǎo)出的坡印廷矢量平均值 s av正交分解至柱坐標(biāo)系下，進(jìn)而通過圓柱曲面積分得出海水中環(huán)形天線的輻射功率表達(dá)式。

11、作為一種優(yōu)選的方案，選取的積分曲面能夠最大程度降低海水衰減給天線輻射功率計(jì)算帶來的影響；依據(jù)電流、電阻以及功率三者之間的關(guān)系，對(duì)海水中環(huán)形天線的輻射功率表達(dá)式進(jìn)行相應(yīng)變換，進(jìn)而得出其輻射電阻。

12、作為一種優(yōu)選的方案，通過將計(jì)算機(jī)仿真與海上實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，對(duì)計(jì)算所獲結(jié)果展開對(duì)比，以此來驗(yàn)證該方法的有效性以及準(zhǔn)確性。

13、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

14、本發(fā)明，提出的圓柱曲面積分模型，可以更為準(zhǔn)確的計(jì)算環(huán)形天線在海水中的輻射電阻，其技術(shù)途徑和實(shí)施方案經(jīng)過了計(jì)算機(jī)仿真和海上實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法可以更準(zhǔn)確地計(jì)算水下環(huán)形天線的輻射電阻，從而對(duì)天線性能和通信系統(tǒng)的性能進(jìn)行精確評(píng)估和優(yōu)化。

技術(shù)特征：

1.一種利用圓柱曲面積分計(jì)算海水中天線輻射電阻的方法，其特征在于：通過圓柱曲面積分模型計(jì)算環(huán)形天線在海水中的輻射電阻，為準(zhǔn)確計(jì)算環(huán)形天線的輻射電阻提供了新的途徑，具體包括以下步驟：計(jì)算海水中環(huán)形天線向外輻射產(chǎn)生的功率密度平均值坡印廷矢量sav，在以環(huán)形天線半徑rl為半徑、以環(huán)形天線的高h(yuǎn)為高的圓柱曲面上對(duì)功率密度平均值sav進(jìn)行積分：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用圓柱曲面積分計(jì)算海水中天線輻射電阻的方法，其特征在于：推導(dǎo)電磁波在海水中的傳播常數(shù)，同時(shí)計(jì)算垂直磁偶極子模型下，海水中環(huán)形天線的輻射功率密度。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用圓柱曲面積分計(jì)算海水中天線輻射電阻的方法，其特征在于：鑒于環(huán)形天線僅在球坐標(biāo)系的r方向向外輻射能量，依據(jù)幾何關(guān)系，把在球坐標(biāo)系下推導(dǎo)出的坡印廷矢量平均值sav正交分解至柱坐標(biāo)系下，進(jìn)而通過圓柱曲面積分得出海水中環(huán)形天線的輻射功率表達(dá)式。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用圓柱曲面積分計(jì)算海水中天線輻射電阻的方法，其特征在于：選取的積分曲面能夠最大程度降低海水衰減給天線輻射功率計(jì)算帶來的影響；依據(jù)電流、電阻以及功率三者之間的關(guān)系，對(duì)海水中環(huán)形天線的輻射功率表達(dá)式進(jìn)行相應(yīng)變換，進(jìn)而得出其輻射電阻。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用圓柱曲面積分計(jì)算海水中天線輻射電阻的方法，其特征在于：通過將計(jì)算機(jī)仿真與海上實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，對(duì)計(jì)算所獲結(jié)果展開對(duì)比，以此來驗(yàn)證該方法的有效性以及準(zhǔn)確性。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種利用圓柱曲面積分計(jì)算海水中天線輻射電阻的方法，屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，通過圓柱曲面積分模型計(jì)算環(huán)形天線在海水中的輻射電阻，為準(zhǔn)確計(jì)算環(huán)形天線的輻射電阻提供了新的途徑，具體包括以下步驟：計(jì)算海水中環(huán)形天線向外輻射產(chǎn)生的功率密度平均值坡印廷矢量S<subgt;av</subgt;；在以環(huán)形天線半徑r<subgt;L</subgt;為半徑、以環(huán)形天線的高h(yuǎn)為高的圓柱曲面上對(duì)功率密度平均值S<subgt;av</subgt;進(jìn)行積分，得到了海水中環(huán)形天線的輻射功率的表達(dá)式。本發(fā)明，提出的使用圓柱曲面積分計(jì)算海水中環(huán)形天線輻射電阻的模型，其技術(shù)途徑和實(shí)施方案經(jīng)過了計(jì)算機(jī)仿真和海上實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法可以更準(zhǔn)確地計(jì)算水下環(huán)形天線的輻射電阻，從而對(duì)天線性能和通信系統(tǒng)的性能進(jìn)行精確評(píng)估和優(yōu)化。

技術(shù)研發(fā)人員：王宏磊,魏雨龍,楊益新
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西北工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19