線圈磁耦合模型仿真及其應用

楊宏正，曹軍青，王三勝，王三成，李 華

(1. 北京航空航天大學 物理科學與核能工程學院，北京 100191； 2. 北京航空航天大學 微納測控與低維物理教育部重點實驗室，北京 100191)

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線圈磁耦合模型仿真及其應用

楊宏正1，曹軍青1，王三勝2，王三成1，李 華1

(1. 北京航空航天大學 物理科學與核能工程學院，北京 100191； 2. 北京航空航天大學 微納測控與低維物理教育部重點實驗室，北京 100191)

水下通信是發(fā)展海洋技術(shù)、 充分利用海洋資源的關(guān)鍵技術(shù)之一. 本文研究和探討了基于水下通信的磁耦合模型仿真及其應用問題，包括磁耦合水下通信的整體系統(tǒng)模型規(guī)劃、 磁耦合模型簡圖和等效電路模型，同時也研究了磁耦合模型在其它領(lǐng)域的應用. 主要利用有限元和控制變量的方法研究了磁耦合模型的仿真問題，系統(tǒng)的分析了通信頻率、 激勵電壓、 線圈直徑和線圈匝數(shù)對磁耦合強度的影響情況. 通過有效的仿真，能夠?qū)⒋篷詈贤ㄐ胚^程中的通信頻率、 激勵電壓、 線圈直徑和線圈匝數(shù)對通信距離的影響形象地描繪出來. 另外，對于線圈磁耦合模型的應用研究也加深了對磁耦合模型的認識，此項工作為后續(xù)進一步設計可靠有效的磁耦合通信系統(tǒng)，優(yōu)化通信參數(shù)提供了重要的借鑒意義.

磁耦合仿真； 通信模型； 水下無線通信

目前，在水下通信領(lǐng)域，主要采用的方式為電磁波，聲波，光波[1]. 在水下環(huán)境中，傳輸介質(zhì)不再是空氣，而相應變成了海水，因此就增加了很多其他的動態(tài)影響因素，如碎浪、 海洋生物、 潮汐等. 這時傳統(tǒng)的電磁波、 聲波、 光波無法高效可靠地進行傳輸. 對于電磁波來說，主要存在高路徑損耗和隨參信道問題[2]，導致信號衰減迅速、 誤碼率急劇上升； 對于聲波來說，聲波在水中的反射、 折射和海水中的溫度梯度[3]也限制了通信效果； 對于光波來說，由于光波的傳輸對方向性要求非常嚴格，并且在海水中隨海水深度的不斷變化，光波也存在反射、 折射問題，最終導致信號無法按要求傳輸[4].

針對以上問題，基于磁耦合原理的水下通信技術(shù)被提出并迅速成為前沿熱點. 尤其在海洋監(jiān)測以及海洋軍事領(lǐng)域應用更加廣泛[5]. 目前，天津大學研制的海洋浮標技術(shù)中的水下信息傳輸[6]，就是基于兩個線圈之間的磁耦合來實現(xiàn)信息的傳遞，再結(jié)合其他控制技術(shù)，從而完成浮標的長時間不間斷工作. 在軍事方面[5]，許多水雷戰(zhàn)在沿海地區(qū)進行的時候，都面臨一個共同的問題： 缺少一個可靠的無線指揮、 控制和航行信道. 采用基于磁耦合的信息傳輸技術(shù)，以上問題將迎刃而解.

1 線圈磁耦合原理

磁耦合信號不同于傳統(tǒng)的無線電信號，其產(chǎn)生于交變磁偶極子的磁感應信號有很少或者幾乎沒有電場分量. 電場分量之所以被抑制，因為感應信號頻率極低，電磁線圈天線的輻射電阻也相當小[7]. 對于傳統(tǒng)天線的輻射電阻比地表損失更大，以確保產(chǎn)生一個強電場； 對于磁耦合信號，電場分量的缺失導致磁場變?yōu)橐粋€非傳播場. 因此磁感應場沒有多徑模式. 和電磁波信號一樣，磁場能夠被調(diào)制，用于壓制磁耦合載體上的數(shù)據(jù). 在空氣中，磁耦合場強度和距離三次方成反比[8]. 由于地、 水和空氣的磁導率差距并不是太大，磁耦合場可以很好穿透水，沉積物和巖石等非磁性物質(zhì). 傳統(tǒng)的磁耦合通信系統(tǒng)整體技術(shù)模型如圖 1 所示.

圖 1 傳統(tǒng)磁耦合整體流程圖Fig.1 Integral flow chart of traditional magnetic coupling

本文主要研究發(fā)射線圈和接收線圈之間的耦合問題. 此處將信號的傳輸環(huán)節(jié)簡化表示為 圖 2 所示. 分析圖 2 的線圈耦合模型簡圖，利用電路的相關(guān)理論，可以相應得到其等效電路圖，如圖 3 所示.

圖 2 線圈耦合模型簡圖Fig.2 Model diagram ofcoil coupling

圖 3 線圈耦合等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit diagram ofcoil coupling

對于每個線圈來說，其各自的自感可以表示為[9]

式中：μ0=4π×10-7H/m；N1，N2分別為發(fā)射線圈和接收線圈的匝數(shù)；R1，R2分別為發(fā)射線圈和接收線圈的半徑.

兩個線圈之間的互感可以用式(3)表示[8]

式中：rmax=max{r1,r2}.

對于耦合系數(shù)的定義為[10]

將式(1)～式(3)代入到式(4)中，利用線圈半徑和兩線圈距離可以得到

對上述等效電路進行相應的分析，令共振頻率為ω，定義為

分別對兩個網(wǎng)口進行分析，應用基爾霍夫定律，可以分別得到相應的方程

式中：V0為電源電壓值. 求解上述方程，可以得到線圈2中的電流值

因此可以得到接收功率的表達式

至此，基于等效電路的磁耦合基本理論模型建立完成.

2 線圈磁耦合模型仿真分析

對于線圈磁耦合的仿真分析是設計良好通信系統(tǒng)的必要環(huán)節(jié). 本文對磁耦合系統(tǒng)典型的單線圈發(fā)射單線圈接收共軸模型進行了仿真分析. 分別得到了通信頻率、 激勵電壓、 線圈直徑、 線圈匝數(shù)對于特定距離的磁感應強度或磁力線分布圖.

2.1 不同通信頻率的磁力線分布圖

仿真中，線圈匝數(shù)設定為10匝，線圈直徑10 cm，導線直徑1.0 mm，兩個線圈的最近邊緣相距10 cm，激勵電壓為正弦交流電壓，其幅值為5 V. 分別選取290 kHz和390 kHz頻率進行仿真分析，其磁力線分布如圖 4 所示.

圖 4 頻率為290 kHz和390 kHz磁力線分布圖Fig.4 Magnetic field distribution diagramof the frequency of 290 kHz and 390 kHz

2.2 不同激勵電壓的磁力線分布圖

仿真中，線圈匝數(shù)設定為10匝，線圈直徑10 cm，導線直徑1.0 mm，兩個線圈的最近邊緣相距10 cm，通信頻率設定為290 kHz，激勵電壓為正弦交流電壓. 激勵電壓賦值分別選取5 V和15 V進行仿真分析，其磁力線分布如圖 5 所示.

圖 5 激勵電壓幅值為5V和15V對應磁力線分布圖Fig.5 Magnetic field distribution diagram of voltage excitation for 5 V and 15 V

2.3 不同線圈直徑的磁感應強度分布圖

仿真中，線圈匝數(shù)設定為10匝，導線直徑1.0 mm，兩個線圈的最近邊緣相距2 cm，激勵電壓為正弦交流電壓，其幅值為5 V，通信頻率為290 kHz，分別對線圈直徑為10 cm和20 cm進行仿真分析，其磁感應強度分布如圖 6 所示.

圖 6 線圈直徑為10 cm和20 cm磁感應強度圖Fig.6 Magnetic induction intensity map of coil diameter for 10 cm and 20 cm

2.4 不同線圈匝數(shù)的磁感應強度分布圖

仿真中，線圈直徑10 cm，導線直徑1.0 mm，兩個線圈的最近邊緣相距2 cm，激勵電壓為正弦交流電壓，其幅值為5 V，通信頻率設定為290 kHz，線圈匝數(shù)分別設定為10和20進行仿真分析，其磁感應強度分布如圖 7 所示.

圖 7 線圈匝數(shù)為10和20對應磁感應強度圖Fig.7 Magnetic induction intensity map of the number of turns of the coil is 10 and 20

綜合分析上述圖像，可以形象地看出通信頻率、 激勵電壓、 線圈直徑、 線圈匝數(shù)對兩個線圈的耦合均有影響. 當頻率變化的時候，耦合情況變化十分明顯，頻率為290 kHz的時候磁力線分布比較均勻，當頻率增加到390 kHz的時候，磁力線基本上集中在線圈的中心位置處. 分析激勵電壓以及線圈直徑和線圈匝數(shù)對耦合強度的影響，可以看出當一個參量變化的時候，耦合情況就會相應地進行改變，并且這3者引起的耦合強度的變化都是正向相關(guān)的. 這一規(guī)律，對于將來根據(jù)具體需求設計性能優(yōu)良的線圈耦合裝置有著重要意義.

3 線圈磁耦合模型應用

線圈磁耦合模型不僅應用于水下通信領(lǐng)域，還成功地應用于其他領(lǐng)域.

在磁耦合應用的諸多領(lǐng)域當中，基于線圈的無線充電是目前熱點研究方向之一. 自從2007年，MIT的團隊宣布成功實現(xiàn)了磁耦合共振的無線電力傳輸之后[11]，國內(nèi)外有很多的研究機構(gòu)及科研團隊進行了相應的跟蹤. 不僅在理論上取得了相應的成功，在實際應用中也實現(xiàn)了部分的商業(yè)化. 在國內(nèi)諸多科研機構(gòu)中，中國科學院電工所，哈爾濱工業(yè)大學，重慶大學等單位都進行了相應的研究，并發(fā)表了一系列的文章[12-16]； 在國外的相關(guān)研發(fā)中，通用公司的研發(fā)人員開發(fā)出了能夠為汽車進行無線充電的設備，飛利浦公司研發(fā)出了第一款支持無線充電的99系列手機，日本的最大的電信運營商NTT DOCOMO夏普正式發(fā)售了世界首個自帶無線充電功能的智能手機“AQUOS PHONE fSH-13”.

在目前醫(yī)療健康領(lǐng)域的文獻中，提到了一種植入非接觸式提供能量和信號的方法，人體外置設備以不同頻率向體內(nèi)發(fā)送電能和信號，體內(nèi)的線圈進行接收相應的電能和信號，從而完成電能和信號的非接觸傳輸； 在健康監(jiān)測方面，為了獲取身體的相關(guān)信息，將建立微型人體網(wǎng)絡的芯片植入人體內(nèi)，磁耦合技術(shù)將用于兩個芯片之間的通信，同時也為這些芯片提供工作所必須的能量[17-20].

在鐵路交通方面，在通信系統(tǒng)中采用無線感應方式，具有鋪設及維護簡單，使用壽命長，成本低，對地形及天氣適應性強等優(yōu)點，是一種較理想的磁浮列車通信方式[21].

另外在射頻識別方面[22]，礦井內(nèi)信息傳輸方面[23]，磁耦合模型亦有相應的應用. 若干線圈可以組成無線傳感器網(wǎng)絡[24]，線圈組的通信也將極大地拓展磁感應通信的應用領(lǐng)域.

4 結(jié)束語

本文介紹了磁耦合通信的概念、 原理模型. 并對線圈磁耦合模型進行了建模以及仿真分析，通過仿真分析，設計者可以更加形象地了解磁耦合通信，并對設計效率更高的設備提供了一個參考. 最后介紹了磁耦合模型目前的應用. 未來磁耦合模型的應用必將會更加小型化、 模塊化.

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Simulation and Applications of Coil Magnetic Coupling Model

YANG Hongzheng1, CAO Junqing1, WANG Sansheng2, WANG Sancheng1, LI Hua1

(1. School of Physics and Nuclear Energy Engineering,Beihang University, Beijing 100191, China； 2. Key Laboratory of Micro-Nano Measurement and PhysicsMinistry of Education, Beihang University, Beijing 100191, China)

Underwater communication is one of the key technologies to develop marine technology and make full use of marine resources. This paper studied and discussed the magnetic coupling model simulation and applications based on the underwater communication including the overall planning system model of underwater communication in magnetic coupling system, magnetic coupling model, equivalent circuit model and the applications of magnetic coupling model . The simulation of the magnetic coupling model was researched by using the finite element and the control variable method, and systematically analyzed the effects of the communication frequency, excitation voltage, coil diameter and the number of turns on the magnetic coupling strength. Through effective simulation, the communication frequency, excitation voltage, coil diameter and number of turns of the magnetic field can be described as a picture of the influence of the communication distance. In addition, it deepens the understanding of the magnetic coupling model because of the applications of coil magnetic coupling model, this work provides an important reference to the further design of reliable and effective magnetic coupling communication system and optimize the communication parameters.

magnetic coupling simulation; communication model; underwater wireless communication

1671-7449(2016)06-0471-07

2016-06-07

楊宏正(1991-)，男，碩士生，主要從事磁耦合通信研究.

TN91

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2016.06.003