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10-10A/m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。