一种海水环境下双导体传输线与海水间电容求解方案制造技术

本发明专利技术公开了一种海水环境下，双导体传输线与海水间电容求解方案。首先建立海水与传输线的几何模型，其次，对该几何模型进行微分，求得微分单元的电容求解表达式，然后根据几何模型，求出各个变量之间的函数关系，最后对其分段积分。分别通过试验和软件仿真验证得出使用这种技术方案，对于预估海水与双导体传输线的分布电容高效，简单，方便。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及海水中传输线电容参数的求解，具体的说，是涉及一种海水环境下双导体传输线与海水间电容求解方案。
技术介绍
海洋通信研究是我国海洋发展战略的重要组成部分。作为一种常用的传输媒介，双导体传输线在海洋探测仪器中应用广泛。不同于大气环境，海水这种良导体充满在传输线的周围，相互之间发生耦合，对原传输信道的物理参数和传输性能造成影响。为研究海水中双导体传输线的传输性能，对其进行合适地建模和参数求解至关重要。通过以往的研究可知，海水对双导体传输线的主要影响是施加了分布电容，其信道模型如图1所示，其中双导体的线间电容、电感和电阻可通过经典传输线模型中的参数求解方法求得，而对于海水与线间电容的求解，一般基于以下三种方法。第一种方法是通过试验测得或者是推导出海水与线间电容的值，这种方法的优点是所得值与实际值误差较小，缺点是效率低。第二种方法是有限元数值计算方法，但是这种方法的精度取决于所建模型及网格划分方式，并且计算时间长，计算过程复杂。第三种方法是基于保角变换法，将海水与线间的几何模型转换为具有对称性的几何模型，进而根据经典电容求解法求得海水与线之间的电容，但是这种方法不灵活，且难于理解。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术中的不足，为方便、快速的求解海水对双导体传输线所施加的分布电容，提出一种海水环境下双导体传输线与海水间电容的求解方案。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种海水环境下双导体传输线与海水间电容求解方案，包括以下步骤：(1)建立海水与双导体传输线的几何模型，用两个相邻的圆表示双导体传输线，忽略两根传输线的邻近效应及边缘效应，将双导体传输线等效为无限长导线，分别位于两个圆的圆心，海水围绕在其周围，可得双导体传输线间漆包线的等效距离是任一传输线半径的两倍，对于双导体传输线与海水间的电容求解，可直接将电容求解分为三段，分别进行求解；(2)为确定海水到传输线距离与夹角的关系，定义海水到传输线的距离为r，海水到传输线的夹角为θ；(3)为使海水到传输线距离r与夹角θ的表达更加直观，简洁，引入中间变量γ和使得r和θ的关系更易于确定，以中间变量为桥梁即可确定传输线距离与夹角的关系；(4)对步骤(1)中的几何模型进行微分，并求得其基本微分单元的电容求解公式，再采用步骤(3)中得到的海水到传输线距离与夹角的关系通过分段积分求得双导体传输线与海水间的电容值。与现有技术相比，本专利技术的技术方案所带来的有益效果是：(1)对于预估海水与双导体传输线的分布电容高效，简单，方便。(2)本专利技术方案计算时间短，过程简单，且误差很小。附图说明图1是海水中双导体传输线的信道模型。图2是海水与双导体传输线的几何模型。图3是具体实施例中通过软件仿真的模型示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步的描述：当海水这种良导体充满在传输线周围时，设海水为等势体，其与传输线的横截面如图2所示，两个圆表示双导体传输线，忽略两根传输线的邻近效应及边缘效应，将双导体传输线等效为无限长导线，分别位于两个圆的圆心，海水围绕在其周围，如图3中双导体传输线外围深色椭圆轮廓所示。其中，r0是导线(包括漆膜)半径，ri是线缆铜芯的半径，b为两漆包线的等效距离，设b＝2r0。由图2可知，对于双导体传输线与海水间的电容求解，主要分为三个部分的求解，左半圆，上下平行线和右半圆。首先对图2的几何模型进行微分，并求得其基本微分单元的电容求解公式：采用经典平板电容求解模型，基本求解公式为其中dS为平板电容的面积，x是平板之间的距离，建立直角标系，海水与线之间电容求解的基本微分单元为：dC=ϵrldθdr---(1)]]>其中r导线与海水之间的距离，l是导线的长度，ε为漆膜介电常数。θ是r与x轴之间的弧度。其次，求得r与θ的关系表达式。由图2的模型可知，r为θ的函数，r可分为三个部分，根据几何关系，r与θ之间的关系为其中θ，γ的表示如图2所示。然后，将和γ必须转化为θ的表达式，可得最后，将(2)(3)式的代入(1)式，根据图2分段得其进行积分，可得双导体传输线与海水间的电容值为由于海水与线之间的电容求解，其本质是非圆横截面同轴线分布电容求解，因此，对于其他任意形状横截面的电容求解，这种分析方法仍然适用。通过具体试验的方法对本专利技术方案进行验证如下：(1)将平行双导体传输线置于模拟海水中，使用U2818系列精密LCR电桥，对海水与线之间的电容值进行测试，然后与技术方案中理论求解结果进行对比，结果见表1，表1为平行双线的理论值与实测值之间的对比：表1参数实测值理论值相对误差线与海水间电容/pF685686.160.001在试验中，平行双导体传输线的长度l＝1m，单股漆包线线半径r0＝0.65mm，铜芯半径ri＝0.45mm，漆膜的介电常数εr＝4.5。由表1可知，理论与实验之间的误差较小，本技术方案求解海水与线间的电容理论求解是有效的。(2)采用软件仿真进行验证使用有限元仿真软件建立，如图3所示模型，其中一根导体赋予电压1V，另一导体赋予电压-1V，选取边界海水赋电压0V，通过仿真可得海水与线之间的电容值680.81pF，理论值与仿真值一致，说明本技术方案是可行且准确可靠的。本专利技术并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本专利技术的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本专利技术宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本专利技术的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本专利技术的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种海水环境下双导体传输线与海水间电容求解方案，其特征在于，包括以下步骤：(1)建立海水与双导体传输线的几何模型，用两个相邻的圆表示双导体传输线，忽略两根传输线的邻近效应及边缘效应，将双导体传输线等效为无限长导线，分别位于两个圆的圆心，海水围绕在其周围，可得双导体传输线间漆包线的等效距离是任一传输线半径的两倍，对于双导体传输线与海水间的电容求解，可直接将电容求解分为三段，分别进行求解；(2)为确定海水到传输线距离与夹角的关系，定义海水到传输线的距离为r，海水到传输线的夹角为θ；(3)为使海水到传输线距离r与夹角θ的表达更加直观，简洁，引入中间变量γ和使得r和θ的关系更易于确定，以中间变量为桥梁即可确定传输线距离与夹角的关系；(4)对步骤(1)中的几何模型进行微分，并求得其基本微分单元的电容求解公式，再采用步骤(3)中得到的海水到传输线距离与夹角的关系通过分段积分求得双导体传输线与海水间的电容值。

【技术特征摘要】
1.一种海水环境下双导体传输线与海水间电容求解方案，其特征在于，包括以下步骤：(1)建立海水与双导体传输线的几何模型，用两个相邻的圆表示双导体传输线，忽略两根传输线的邻近效应及边缘效应，将双导体传输线等效为无限长导线，分别位于两个圆的圆心，海水围绕在其周围，可得双导体传输线间漆包线的等效距离是任一传输线半径的两倍，对于双导体传输线与海水间的电容求解，可直接将电容求解分为三段，分别进行求解；(2)为确定...

【专利技术属性】
技术研发人员：张如彬，金杰，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12