地下磁感应通信天线模型及信号传播特性研究

施文娟^1,2，王亮¹，孙彦景¹，徐华²，徐胜¹，吴天琦¹

1. 中国矿业大学信息与控制工程学院2. 盐城师范学院新能源与电子工程学院

摘 要：针对磁信号传播具有显著的方向性,而目前相关研究没有充分考虑磁通信过程中天线位置、角度对传输性能影响的问题,研究了2D天线阵列模型中的双线圈阵列、四线圈阵列,以及3D线圈这3种地下磁感应通信天线模型的磁信号传播特性。首先,根据3种天线的数学模型,给出了相应的磁感应强度和收发线圈的互感表达式;其次,对磁感应强度进行仿真和特性分析,并根据磁场分布情况对接收天线的位置和角度进行了优化设置;最后,比较了3种天线模型的传输性能,给出了各发射线圈偏移量和收发线圈所在平面垂直距离对磁感应强度的影响。研究结果表明:(1)2D天线阵列模型和3D线圈模型的磁感应强度具有对称性和方向性。(2)随着收发线圈所在平面垂直距离的增大,2D天线阵列发射信号的传输方向由多个变为1个。(3)当发射线圈参数相同时,2D天线阵列模型的传输距离大于点对点通信模型和3D线圈模型。发射线圈个数越多,2D天线阵列模型的传输距离越远,但磁感应强度随收发线圈所在平面垂直距离的增加而快速衰减。(4)3D线圈模型在3个坐标轴方向上具有相同的磁感应强度分布。3D线圈模型的磁场分布范围最广,但磁感应强度模小于2D天线阵列模型。

关键词：磁感应通信;天线模型;二维天线阵列;三维线圈模型;双线圈阵列;四线圈阵列;磁感应强度;场强分布;