一種海水環境下雙導體傳輸線與海水間電容求解方案制造技術

本發明專利技術公開了一種海水環境下，雙導體傳輸線與海水間電容求解方案。首先建立海水與傳輸線的幾何模型，其次，對該幾何模型進行微分，求得微分單元的電容求解表達式，然后根據幾何模型，求出各個變量之間的函數關系，最后對其分段積分。分別通過試驗和軟件仿真驗證得出使用這種技術方案，對于預估海水與雙導體傳輸線的分布電容高效，簡單，方便。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及海水中傳輸線電容參數的求解，具體的說，是涉及一種海水環境下雙導體傳輸線與海水間電容求解方案。
技術介紹
海洋通信研究是我國海洋發展戰略的重要組成部分。作為一種常用的傳輸媒介，雙導體傳輸線在海洋探測儀器中應用廣泛。不同于大氣環境，海水這種良導體充滿在傳輸線的周圍，相互之間發生耦合，對原傳輸信道的物理參數和傳輸性能造成影響。為研究海水中雙導體傳輸線的傳輸性能，對其進行合適地建模和參數求解至關重要。通過以往的研究可知，海水對雙導體傳輸線的主要影響是施加了分布電容，其信道模型如圖1所示，其中雙導體的線間電容、電感和電阻可通過經典傳輸線模型中的參數求解方法求得，而對于海水與線間電容的求解，一般基于以下三種方法。第一種方法是通過試驗測得或者是推導出海水與線間電容的值，這種方法的優點是所得值與實際值誤差較小，缺點是效率低。第二種方法是有限元數值計算方法，但是這種方法的精度取決于所建模型及網格劃分方式，并且計算時間長，計算過程復雜。第三種方法是基于保角變換法，將海水與線間的幾何模型轉換為具有對稱性的幾何模型，進而根據經典電容求解法求得海水與線之間的電容，但是這種方法不靈活，且難于理解。
技術實現思路
本專利技術的目的是為了克服現有技術中的不足，為方便、快速的求解海水對雙導體傳輸線所施加的分布電容，提出一種海水環境下雙導體傳輸線與海水間電容的求解方案。本專利技術的目的是通過以下技術方案實現的：一種海水環境下雙導體傳輸線與海水間電容求解方案，包括以下步驟：(1)建立海水與雙導體傳輸線的幾何模型，用兩個相鄰的圓表示雙導體傳輸線，忽略兩根傳輸線的鄰近效應及邊緣效應，將雙導體傳輸線等效為無限長導線，分別位于兩個圓的圓心，海水圍繞在其周圍，可得雙導體傳輸線間漆包線的等效距離是任一傳輸線半徑的兩倍，對于雙導體傳輸線與海水間的電容求解，可直接將電容求解分為三段，分別進行求解；(2)為確定海水到傳輸線距離與夾角的關系，定義海水到傳輸線的距離為r，海水到傳輸線的夾角為θ；(3)為使海水到傳輸線距離r與夾角θ的表達更加直觀，簡潔，引入中間變量γ和使得r和θ的關系更易于確定，以中間變量為橋梁即可確定傳輸線距離與夾角的關系；(4)對步驟(1)中的幾何模型進行微分，并求得其基本微分單元的電容求解公式，再采用步驟(3)中得到的海水到傳輸線距離與夾角的關系通過分段積分求得雙導體傳輸線與海水間的電容值。與現有技術相比，本專利技術的技術方案所帶來的有益效果是：(1)對于預估海水與雙導體傳輸線的分布電容高效，簡單，方便。(2)本專利技術方案計算時間短，過程簡單，且誤差很小。附圖說明圖1是海水中雙導體傳輸線的信道模型。圖2是海水與雙導體傳輸線的幾何模型。圖3是具體實施例中通過軟件仿真的模型示意圖。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術作進一步的描述：當海水這種良導體充滿在傳輸線周圍時，設海水為等勢體，其與傳輸線的橫截面如圖2所示，兩個圓表示雙導體傳輸線，忽略兩根傳輸線的鄰近效應及邊緣效應，將雙導體傳輸線等效為無限長導線，分別位于兩個圓的圓心，海水圍繞在其周圍，如圖3中雙導體傳輸線外圍深色橢圓輪廓所示。其中，r0是導線(包括漆膜)半徑，ri是線纜銅芯的半徑，b為兩漆包線的等效距離，設b＝2r0。由圖2可知，對于雙導體傳輸線與海水間的電容求解，主要分為三個部分的求解，左半圓，上下平行線和右半圓。首先對圖2的幾何模型進行微分，并求得其基本微分單元的電容求解公式：采用經典平板電容求解模型，基本求解公式為其中dS為平板電容的面積，x是平板之間的距離，建立直角標系，海水與線之間電容求解的基本微分單元為：dC=ϵrldθdr---(1)]]>其中r導線與海水之間的距離，l是導線的長度，ε為漆膜介電常數。θ是r與x軸之間的弧度。其次，求得r與θ的關系表達式。由圖2的模型可知，r為θ的函數，r可分為三個部分，根據幾何關系，r與θ之間的關系為其中θ，γ的表示如圖2所示。然后，將和γ必須轉化為θ的表達式，可得最后，將(2)(3)式的代入(1)式，根據圖2分段得其進行積分，可得雙導體傳輸線與海水間的電容值為由于海水與線之間的電容求解，其本質是非圓橫截面同軸線分布電容求解，因此，對于其他任意形狀橫截面的電容求解，這種分析方法仍然適用。通過具體試驗的方法對本專利技術方案進行驗證如下：(1)將平行雙導體傳輸線置于模擬海水中，使用U2818系列精密LCR電橋，對海水與線之間的電容值進行測試，然后與技術方案中理論求解結果進行對比，結果見表1，表1為平行雙線的理論值與實測值之間的對比：表1參數實測值理論值相對誤差線與海水間電容/pF685686.160.001在試驗中，平行雙導體傳輸線的長度l＝1m，單股漆包線線半徑r0＝0.65mm，銅芯半徑ri＝0.45mm，漆膜的介電常數εr＝4.5。由表1可知，理論與實驗之間的誤差較小，本技術方案求解海水與線間的電容理論求解是有效的。(2)采用軟件仿真進行驗證使用有限元仿真軟件建立，如圖3所示模型，其中一根導體賦予電壓1V，另一導體賦予電壓-1V，選取邊界海水賦電壓0V，通過仿真可得海水與線之間的電容值680.81pF，理論值與仿真值一致，說明本技術方案是可行且準確可靠的。本專利技術并不限于上文描述的實施方式。以上對具體實施方式的描述旨在描述和說明本專利技術的技術方案，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，并不是限制性的。在不脫離本專利技術宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，本領域的普通技術人員在本專利技術的啟示下還可做出很多形式的具體變換，這些均屬于本專利技術的保護范圍之內。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種海水環境下雙導體傳輸線與海水間電容求解方案，其特征在于，包括以下步驟：(1)建立海水與雙導體傳輸線的幾何模型，用兩個相鄰的圓表示雙導體傳輸線，忽略兩根傳輸線的鄰近效應及邊緣效應，將雙導體傳輸線等效為無限長導線，分別位于兩個圓的圓心，海水圍繞在其周圍，可得雙導體傳輸線間漆包線的等效距離是任一傳輸線半徑的兩倍，對于雙導體傳輸線與海水間的電容求解，可直接將電容求解分為三段，分別進行求解；(2)為確定海水到傳輸線距離與夾角的關系，定義海水到傳輸線的距離為r，海水到傳輸線的夾角為θ；(3)為使海水到傳輸線距離r與夾角θ的表達更加直觀，簡潔，引入中間變量γ和使得r和θ的關系更易于確定，以中間變量為橋梁即可確定傳輸線距離與夾角的關系；(4)對步驟(1)中的幾何模型進行微分，并求得其基本微分單元的電容求解公式，再采用步驟(3)中得到的海水到傳輸線距離與夾角的關系通過分段積分求得雙導體傳輸線與海水間的電容值。

【技術特征摘要】
1.一種海水環境下雙導體傳輸線與海水間電容求解方案，其特征在于，包括以下步驟：(1)建立海水與雙導體傳輸線的幾何模型，用兩個相鄰的圓表示雙導體傳輸線，忽略兩根傳輸線的鄰近效應及邊緣效應，將雙導體傳輸線等效為無限長導線，分別位于兩個圓的圓心，海水圍繞在其周圍，可得雙導體傳輸線間漆包線的等效距離是任一傳輸線半徑的兩倍，對于雙導體傳輸線與海水間的電容求解，可直接將電容求解分為三段，分別進行求解；(2)為確定...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張如彬，金杰，
申請(專利權)人：天津大學，
類型：發明
國別省市：天津;12