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水下近距射频通信中环形天线概述

第1章绪论

1.1水下无线通信技术的种类及优缺点分析

随着当今社会的迅速发展，人们在海洋、河流等水下环境的活动也

越来越广泛，这对水下通信也就提出了一定的要求，传统的有缆通信方式

和陆上无线电通信显然不能满足人们的需求，这就要求助于特定环境下的

水下无线通信技术。按照信息载体的种类划分，水下无线通信技术可分为

水声通信、蓝绿激光通信、电磁射频通信和中微子通信。迄今为止，大多

数水下无线通信使用水声通信技术，它的通信距离较其他水下通信方式较

远，技术比较成熟，也是现在大部分水下无线通信技术工作者的研究方向

。水声通信技术现阶段的研究方向主要是探讨新的调制解调技术[1,2]，

水声信道估计[3]和利用仿生学原理进行隐蔽通信[4]，但是要实现更大的

突破则显得十分困难。水声信号在水中的衰减较小，频率在200Hz

以下的声波能在水中传输至少上百千米，20Hz

的声波在水中传播时的衰减只有2-

3dB/m。但是，水声通信技术也存在很多的缺点。首先，水声信道的带宽

是严重受限的，通常可用的频带宽度只有几兆

Hz，另外水声信道不只在时－空－频上会有变化，还存在着严重的码间干

扰、随机噪声[5]。其次，多径效应明显，海面、海底以及海水分层介质

对声波的反射都会干扰声波的传播，加重了多径效应带来的码间干扰和幅

度上的衰减。再次，传输延迟较大，声音信号在水中传播的速度约为

1500m/s，这就导致了收发信机即使距离在几千米的范围内，也要产生几

秒的延迟[6]。再次，水声通信在浅水区的性能表现通常很差强人意。综

上，水声通信适宜在几百米至几十千米的距离的深海，且噪声不太强烈的

海水中进行通信。

……….

1.2水下射频通信的研究意义

水下射频通信主要存在的问题是衰减特别大，这是由于海水的导电

系数大(通常为3-

5S/m)，故而电磁波在水下的应用也是在甚低频，极低频波段。对于近距

离水下通信系统，从可靠性的方面看，射频通信方式较水声通信、激光通

信抗干扰能力强，不会受到海浪、船舶等产生的噪声的影响，也不会受到

自然光的干扰，也不用担心没有精确对准而接收不到信号，在浑浊嘈杂的

的水下环境中优势十分明显；从有效性的方面看，电磁波的传播速度比声

波快近5

个数量级，可用频带宽，受多径效应和多普勒效应的影响远小于水声通信

，在近距离的水下环境中，在允许的衰减范围内，射频通信的优势是显著

的。从必威体育官网网址性的方面看，正是由于水下射频的衰减十分大，导致了在较远

距离处是几乎没有信号的，这反而促进了水下射频通信良好的必威体育官网网址性能。

另外，水下射频通信对海洋生物无任何影响，且通信系统功耗低，供电方

便。从应用方面来看，水下射频通信在水下传感网络，定位，导航，远程

控制等方面有巨大的应用前景，而且在这些方面目前还没有成熟的技术及

可推广的产品。另外若将水下射频通信系统与水声通信系统集成在一个模

块中，即可集两者的优点与一身，可根据不同的应用环境和需求实现自由

切换。

………..

第2章海水中电磁场传播的特性分析

2.1理想介质中电磁场的传播

理想介质即为线性各向同性的均匀无耗介质。无耗媒质是一种理想

情况，许多真实媒质的电导率并不严格是零，但电磁波在其中传播时，损

耗很小，此时绝缘媒质就可以看作无耗媒质。对于均匀、线性，各向同性

的无耗媒质，介电常数和磁导率都是一个常数。在实际情况中，均匀平面

波是电磁波的一种理想情况，其分析方法简单，其他形式的波均是均匀平

面波的叠加形式。在此，以均匀平面波作为电磁波的传输形式。电场、磁

场随时间作正弦变化的规律，是最典型的电磁场时变规律[32]。电磁场随

时间作正弦规律变化的称为时谐场。由于正弦变化的电磁波容易产生，且

在理想媒质中，正弦电磁波可组合成其他任意形式的电磁波，因而普遍应

用在实际工程中。

……….

2.2平面电磁波在海水媒质中的传播特性

从图2-1

中可以看出，同频率下的的电磁波在空气中的波长远远大于海水中的波长

，以500kHz的电磁波为例，空气中的波长为

600m，而在海水中的波长仅为

2.2m。水下电磁场的这一特点在某些方面给水下天线的设计带来的极大的

优势，比如同一频率下的天线尺寸，由于海水中的电磁波长很小，在使得

天线有效辐射的情况下，水下天线的尺寸会远远小于空气中的天线尺寸，

这对于水下射频通信天线的小型化反倒是