基于材料增强的埋地式无线传感器天线结构优化研究

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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摘 要

ABSTRACT

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Contents

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 研究目的及意义

1.3 国内外研究概况

1.4 论文主要工作和结构安排

2 基于材料增强埋地天线的相关机理

2.1 引言

2.2 基于埋地环形天线的基本原理

2.3 磁通信原理

2.4 球贝塞尔方程

2.5 电磁场数值计算方法

2.6 本章小结

3 材料增强天线的基本机理及其结构

3.1 环形天线

3.2 超材料天线结构配置

3.3 负磁导率超材料的增强作用

3.4 本章小结

4 埋地天线的结构优化

4.1 基于FEKO软件建模的理论基础

4.2 基于铁氧体的天线模型建立与仿真

4.3 基于铁氧体的天线结构优化

4.4 基于钢棒的天线结构优化

4.5 优化验证

4.6 本章小结

5 埋地天线特性分析

5.1 天线放置问题

5.2 磁中继通信

5.3 匹配问题

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致 谢