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算海水中天線輻射電阻的方法。

背景技術：

1、海洋是人類可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略空間，也是當今世界各國競相爭取的戰(zhàn)略制高點，水下運載器、海底觀測網絡、水下傳感器網絡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）、水下機器人等水下平臺間的信息交互將越來越頻繁，這些設備在海洋環(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、藍綠激光和電磁波等載體，水下有線通信技術成熟，速率高但鋪設困難、成本高且易受外部環(huán)境干擾，水下無線通信技術包括水聲通信、水下藍綠激光通信和水下電磁波通信，水聲通信是應用最廣泛的技術，盡管具有遠距離傳輸能力，但受到傳播速度慢、噪聲干擾大、帶寬受限等問題的制約，水下藍綠激光通信速率高，隱蔽性強，但需要對準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，傳輸速度快，抗干擾能力強，且受環(huán)境影響小，同時，電磁波在近海洋界面附近傳播時，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大大增加。

3、受海水介質吸收衰減的影響，電磁波載頻的選取受很多因素的限制，以往設備中僅有超長波通信得到了實際應用，但其天線體積大能耗高，通信速率極低。近年來，隨著數(shù)字信號處理技術及天線技術的發(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、輻射功率等相應都會產生變化，因此，對水下環(huán)形天線輻射電阻的精確建模和計算將是水下電磁波通信系統(tǒng)設計和研制的關鍵。

4、關于天線輻射電阻的計算方法的研究，一直以來都是水下電磁波通信技術研究中的熱點問題，james?r.?wait于20世紀提出，假定導電介質中的回路由一個球形絕緣腔包圍。推導出了在腔體內部的場的積分表達式，并利用了連續(xù)性條件來確定腔體對線圈阻抗的影響，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)大致成反比的結論，martin?b.?kraichman在考慮了導線的幾何形狀和電流分布之后，通過對圓環(huán)導線的電流分布進行球面積分，得到了圓環(huán)在導電介質中的外部電阻和電抗的表達式。

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

技術實現(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算海水中天線輻射電阻的方法，以解決上述背景技術中提出的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：一種利用圓柱曲面積分計算海水中天線輻射電阻的方法，具體包括以下步驟：計算海水中環(huán)形天線向外輻射產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功率密度平均值 s av進行積分：

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、為海水電導率，為海水磁導率，和分別為圓柱坐標系下的積分變量，積分后得到海水中環(huán)形天線的輻射功率 p的表達式，并且推導證明了環(huán)形天線向上、下兩底面輻射能量的功率總和為0，僅向天線側面方向輻射能量；

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

6、??(2)；

7、通過與海上實測數(shù)據(jù)對比，驗證了通過圓柱曲面積分模型計算環(huán)形天線在海水中的輻射電阻方法的可行性和準確性。

8、本發(fā)明主要對海水中的環(huán)形天線的輻射功率和輻射電阻進行分析，提出了一種新的方法和思路，通過圓柱曲面積分模型計算環(huán)形天線在海水中的輻射電阻，為準確計算環(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，推導電磁波在海水中的傳播常數(shù)，同時計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)形天線僅在球坐標系的 r方向向外輻射能量，依據(jù)幾何關系，把在球坐標系下推導出的坡印廷矢量平均值 s av正交分解至柱坐標系下，進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算帶來的影響；依據(jù)電流、電阻以及功率三者之間的關系，對海水中環(huán)形天線的輻射功率表達式進行相應變換，進而得出其輻射電阻。

12、作為一種優(yōu)選的方案，通過將計算機仿真與海上實測實驗相結合的方式，對計算所獲結果展開對比，以此來驗證該方法的有效性以及準確性。

13、與現(xiàn)有技術相比，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，可以更為準確的計算環(huán)形天線在海水中的輻射電阻，其技術途徑和實施方案經過了計算機仿真和海上實驗驗證，該方法可以更準確地計算水下環(huán)形天線的輻射電阻，從而對天線性能和通信系統(tǒng)的性能進行精確評估和優(yōu)化。

技術特征：

1.一種利用圓柱曲面積分計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算環(huán)形天線在海水中的輻射電阻，為準確計算環(huán)形天線的輻射電阻提供了新的途徑，具體包括以下步驟：計算海水中環(huán)形天線向外輻射產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為高的圓柱曲面上對功率密度平均值sav進行積分：

2.根據(jù)權利要求1所述的一種利用圓柱曲面積分計算海水中天線輻射電阻的方法，其特征在于：推導電磁波在海水中的傳播常數(shù)，同時計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)權利要求1所述的一種利用圓柱曲面積分計算海水中天線輻射電阻的方法，其特征在于：鑒于環(huán)形天線僅在球坐標系的r方向向外輻射能量，依據(jù)幾何關系，把在球坐標系下推導出的坡印廷矢量平均值sav正交分解至柱坐標系下，進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式。

4.根據(jù)權利要求1所述的一種利用圓柱曲面積分計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算帶來的影響；依據(jù)電流、電阻以及功率三者之間的關系，對海水中環(huán)形天線的輻射功率表達式進行相應變換，進而得出其輻射電阻。

5.根據(jù)權利要求1所述的一種利用圓柱曲面積分計算海水中天線輻射電阻的方法，其特征在于：通過將計算機仿真與海上實測實驗相結合的方式，對計算所獲結果展開對比，以此來驗證該方法的有效性以及準確性。

技術總結
本發(fā)明公開了一種利用圓柱曲面積分計算海水中天線輻射電阻的方法，屬于無線通信技術領域，通過圓柱曲面積分模型計算環(huán)形天線在海水中的輻射電阻，為準確計算環(huán)形天線的輻射電阻提供了新的途徑，具體包括以下步驟：計算海水中環(huán)形天線向外輻射產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為高的圓柱曲面上對功率密度平均值S<subgt;av</subgt;進行積分，得到了海水中環(huán)形天線的輻射功率的表達式。本發(fā)明，提出的使用圓柱曲面積分計算海水中環(huán)形天線輻射電阻的模型，其技術途徑和實施方案經過了計算機仿真和海上實驗驗證，該方法可以更準確地計算水下環(huán)形天線的輻射電阻，從而對天線性能和通信系統(tǒng)的性能進行精確評估和優(yōu)化。

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