應用于礦井、巷道的雙向輻射天線的制作方法

專利名稱：應用于礦井、巷道的雙向輻射天線的制作方法
技術領域：
本發明涉及ー種雙向輻射天線，適用于礦井、巷道內實現可靠的無線通信，屬于無線通信技術的天線設計領域。
背景技術：
今年來，我國礦業生產安全事故頻頻發生，引起了社會的廣泛關注，安全生產成為焦點。礦井通信作為調度全局，前線指揮，安全監控的必要手段，也越來越受到關注。在礦井通信系統中分為有線通信與無線通信。國內外早期比較成熟的礦井通信方案基本上都是采用有線的通信方式，即有線電話線或者泄漏電纜。然而，在礦井通信系統中，有線通 信存在著諸多問題首先，在礦井下，礦井通常有幾公里，甚至幾十公里，電纜的鋪設成本較高，維護也比較困難；其次，我國多數礦井是通過人工開采，開采程序多，作業地點分散，人員流動性大，有線通信難以滿足如此靈活的應用；再次，有線通信系統中，電纜的傳輸損耗較大，因而需要増加中繼器來増大通信距離，増加了系統的復雜性和成本開銷，過多的中繼器使得背景噪聲急劇增加，反而會降低通信質量；另外，任何ー個中繼站的故障，將導致后續的通信癱瘓。隨著煤礦企業信息化，現代化的發展，無線通信的引入可以使井下的作業人員和指揮處，以及作業人員之間隨時隨地保持聯系，提高組織效率，工作效率。當出現故障，險情時，可以迅速的發現，并組織應對措施，保障工作人員的人身安全。在井下采用無線通信方式時，首先需要考慮礦井的無線信道特性。礦井是ー個典型的空間受限的非自由空間傳播信道，電磁波在其中傳播吋，由于巷道四壁及礦井內不規則分布的物體引起頻繁的反射、繞射、散射，從而產生顯著的多徑效應，同吋，電磁波受礦井內巖石、礦石等的吸收和反射，衰減很快，傳輸距離大大縮短。為了保障無線通信的可靠性，在礦井內需要很多個無線節點，造成系統成本増加，為了降低成本，我們首先需要増加每個無線節點的覆蓋范圍。從天線角度來說，解決方案便是采用具有較高增益的雙向輻射特性的天線，將主輻射方向對準礦井內通道的方向，這樣可以對抗電磁波傳輸損耗，增加每個中繼基站的覆蓋面積。其次，需要降低每個無線節點的成本。低成本的天線實現方案有助于降低系統的成本。因此，研究具有低成本，較高增益的雙向輻射的天線對于礦井下無線通信具有重要的意義。其次，在井下進行無線通信，還要考慮到井下的特殊環境。作為高危的工作場所，礦井中通常含有大量的瓦斯(CH4, CO)，任何的火星都可能導致嚴重爆炸。為了保證井下エ作人員的人身安全，任何應用于井下的設備，都必須通過經過防爆測試，滿足國家安全生產的要求。無線通信系統中任何可能產生火花的部件，在井下使用時，都必須要施加一定防爆結構。簡單的，可以將系統置于專門的防爆盒中。但這并不適用于天線的防爆。作為射頻前端，天線需要向自由空間輻射電磁波，也需要從自由空間中接收電磁波，因而天線必須與自由空間接觸，也就是說天線部分必須要暴露于空氣中。天線的饋電電路必須放置于防爆盒中，而天線結構又要置于空氣之中，這就對整個天線的結構，饋電方式設計提出了巨大的挑戰。充分，合理的利用防爆盒結構，將天線，饋電，防爆巧妙的融為一體是對礦井下天線設計的又ー項要求。另外，眾所周知，井下空間狹小，為了不妨礙正常的開采工作，通信系統的體積不能太大；還有考慮到井下，特別是煤礦井下，CH4, CO等氣體含量大大超過地表面，為了防止爆炸與窒息，保證氧氣含量，在井下必須要有風站，且要求風速維持在2-6m/s，因而通信系統分不應妨礙通風。從天線角度考慮，小型化設計是必須的。同時還要保證天線正常工作時，不能妨礙通風，即那些有大表面積的天線是不適用于井下通信的。因而，小的風阻面也是設計中需要考慮到的。還有ー些其他的因素需要綜合考慮，如高濕度對于饋電電路的影響，大量懸浮于空氣中的礦石顆粒(可能導電)沉積于系統表面對系統的影響。總而言之，礦井下的惡劣的自然環境給井下無線通信提出了種種的挑戰，作為無線通信系統的最前端的天線，由于其特殊性，承受了更為復雜的要求。具有低成本，結構簡單且容易和防爆系統結合，體積小，風阻面小，較高增益的雙向輻射的天線在井下通信的中將會擁有良好的應用前景。 關于符合以上要求的井下應用天線的研究或設計還是比較少的。多數研究只是將精力集中在如何實現雙向輻射上，如下所述.傳統的兩副背靠背的八木天線可以實現雙向端射輻射，然而饋源需要經3dB功分器分成兩路幅都相同，相位相反向的信號分別饋電，由12單元組成的八木天線長度為2. 2 λ ^ ( λ ^為工作頻率所對應的自由空間波長)，增益為12. 25dB。用背靠背組陣來實現雙向輻射時，天線陣總尺寸大約為4. AXciXO. SXtl，而最大增益只有9. 25dB。背靠背的貼片天線陣列也可以實現雙向輻射特性。通過共面波導結構激勵背靠背貼片時，其輻射方向圖是全向的，通過組陣，可以實現雙向輻射。這兩種天線的共同問題在于天線結構，饋電結構比較復雜，天線尺寸比較大，成本相對也較高。槽天線是ー種比較簡單的實現雙向輻射的天線。通過在ー塊金屬板上刻槽，可以實現5dBi左右的雙向輻射。然而，槽天線工作時需要將金屬板垂直于礦井方向，由于槽天線所需的金屬板比較大，放置于礦井內會阻礙空氣的流通，上面提到的背靠背的貼片陣列也存在這個問題。切ロ天線也可以是雙向輻射。它是通過在地板的上方放置ー塊兩端挖有缺陷的貼片，通過反向的探針激勵，實現了雙頻的雙向輻射，較低頻率由有缺陷的貼片模式產生，較高頻率由饋電探針(類似于倒L天線)產生，但是其増益只有O. 83dBi，通過在兩端各増加三個起引向器作用的寄生単元后，其増益可以達到5. 71dBi，為了降低H面的交叉極化水平，在上述天線的基礎上做了修改，形成了搖把型天線，交叉極化水平得到了 17. 6dB的改善。在礦井下，浮塵特別多，特別是煤礦中，煤炭顆粒具有導電特性，容易積累在天線表面，而切ロ天線正好是水平放置，水平的大金屬板上非常容易堆積浮塵，這些浮塵將嚴重影響天線的正常工作。螺旋天線以寬帶圓極化特性為人所熟知。這種天線輻射方向圖也是雙向的。但是增益比較低，只有2dBi左右。貼片天線當下面的地板和上面的貼片一祥大小時，也可以實現雙向輻射，但當天線很薄時，它輻射増益的很低，只有-2dBi，必須用引向器來提升增益。需要注意的是以上提到的天線設計都沒有考慮到如何與防爆系統結合在一起。因而，可以說真正能夠在井下應用的天線少之又少。因此，研究、設計ー種結構簡單，容易和防爆系統結合，成本低廉，小迎風面積、較高増益的雙向輻射天線對礦井下無線通信起到至關重要的作用。

發明內容
本發明的目的是提供ー種結構簡單、容易和防爆系統結合，低成本，迎風面積小、較高增益的雙向福射天線的設計。該雙向福射天線工作于909-923MHZ。通過短金屬柱激勵矩形金屬框，產生雙向輻射。輻射主體是矩形金屬框的窄邊上的同相電流。金屬框的總長度近似為I λ『如果將金屬框看作一段很短的矩形波導，金屬框的長邊邊長小于O. 5 λ μ那么作為波導的基模TEltl模式是截止的。饋電的短金屬柱高度只有O. 045 λ ^，所以整體結構高度很低。由于整體結構對稱，無須功率分配網絡，能量通過短金屬柱，到金屬框，自然形成雙向輻射，使得饋電結構簡潔。該雙向輻射天線饋電只需要一根半鋼同軸饋線。所述半鋼同軸饋線的內導體連接到短金屬柱上，外導體連接到金屬框。天線整體結構簡單，饋電方式簡潔，加工簡單，這使得所述雙向輻射天線很容易與防爆盒集成到一起。金屬框可以通過折疊矩形金屬片來完成，所述雙向輻射天線工作吋，風阻很小，該雙向輻射天線實測雙向増益5. 8dBi，具有良好的雙向輻射能力。本發明的特征在于，含有矩形金屬框1，做短探針用的短金屬柱2，半鋼同軸饋線3，其中 矩形金屬框1，是ー個作為天線主體的矩形金屬環，所述矩形金屬框是由長條形金屬片折疊而成，短邊側封閉，長邊側敞開，上端面正中心位置有一個因折疊而產生的狹縫，在下端面正中心位置處開有ー小孔，小孔直徑等于或略小于所述半鋼同軸饋線3的直徑，所述矩形金屬環的周長約為I λ ο，長邊邊長為O. 45 λ 0,略小于O. 5 λ 0,短邊邊長為O. 06 λ。，短金屬柱高度為O. 045為工作頻率所對應的自由空間波長，該雙向輻射天線工作頻段為 909MHz-923MHz，半鋼同軸饋線3由外導體和內導體組成，所述的外導體焊接在所述矩形金屬框I下端面外側的所述正中心位置處，與所述小孔同軸，內導體引入到所述矩形金屬框I內，與ー個四周封閉作探針用的且位于所述矩形金屬框I內的短金屬柱2的下端面外側相連。2.根據權利要求I所述的應用于礦井、巷道的雙向輻射天線，其特征在于所述半鋼同軸饋線3的直徑為3. 5mm，特征阻抗為50 Ω。本發明具有結構緊湊、小型化、風阻面積小、設計靈活，成本低，較高的雙向輻射增益的優點，適用于礦井、巷道內實現可靠的無線通信。


圖I為本發明提供的雙向輻射天線三維圖，實線為實際看到的輪廓，虛線為被遮擋住的輪廓。圖2為圖I的A向視圖，虛線為被遮擋住的輪廓。圖3為圖I的B向視圖，虛線為被遮擋住的輪廓。圖4為圖I的A向視圖結構的實施實例尺寸圖，単位均為毫米(_)。圖5為圖2的B向視圖結構的實施實例尺寸圖，単位均為毫米(mm)。圖6為圖6—圖7實施實例的用于礦井下的雙向輻射天線的回波損耗圖
(Sll) - A ~o圖7為圖4ー圖5的實施實例的雙向輻射天線工作于916MHz時的功率增益方向圖(-■-:交叉極化分量功率増益方向圖共極化分量功率増益方向圖)(a):X_Y平面功率増益方向圖；(b) :x-z平面功率増益方向圖。
具體實施例方式本發明提供ー種應用于礦井、巷道的雙向輻射天線，具體實施方案包括
矩形金屬框I作為天線主體，是由長條形的金屬片折疊而成的，其上表面11并不是閉合的。其下表面12正中心位置打ー個的小孔15，小孔的直徑等于或略小于半鋼同軸饋線3的直徑。半鋼同軸饋線的外導體31焊接在矩形金屬框的下表面12，內導體32伸到金屬框I的內部，與短金屬柱2焊接在一起。如圖Iー圖3所示，天線系統包括矩形金屬框1，短金屬柱2和半鋼同軸饋線3。半鋼同軸電纜3的直徑為3. 5mm，特征阻抗為50歐姆。當由半鋼同軸電纜3饋電時，信號路徑為半鋼同軸電纜3 —>金屬柱2 —>金屬環I一>自由空間。本發明的技術方案是這樣實現的通過同軸饋線饋電，激勵起金屬框的基模，對于這種激勵方式，金屬框基模的電流自饋電點直到金屬環上表面中點處方向不向，即相位不變。整個金屬框的周長大約為ー個工作波長。這樣在金屬框的兩個窄邊上，有較強的同相位電流，成為輻射主體，而金屬框的上(下)表面電流反向，其空間輻射將會有很大程度上對消，因而對天線整體的輻射貢獻很小。這樣金屬框就簡化成為兩條窄邊的輻射。這樣就可以用陣列的觀點來指導天線設計。將兩條窄邊看作陣列的兩個單元，為了提高增益且保證電流模式不變，需要將寬邊變寬，盡量拉開兩個輻射主體(窄邊)的間距，這等效于增加陣列単元的間距。當兩個陣列単元間距增加，天線陣列増益也隨之變大。由于整個金屬框的長度約I λ 0,為保證兩條窄邊有一定高度來進行輻射，金屬環的長邊長度選擇為O. 45 λ。，略短于O. 5 λ『通過調整短金屬柱的高度，直徑，金屬框的長邊邊長，并微調金屬框的寬度以實現所述雙向輻射天線在所需的頻段內匹配。為使所述雙向輻射天線結構更結實，金屬框有一定的寬度，但是寬度不能過大，否則所述雙向輻射天線就不能再以電流模式的角度來理解，而是要通過波導的角度來理解，即雙向輻射是由于波導兩個ロ面實現。從制作的角度，為了加工便捷，首先需要ー張具有一定厚度的長條形的金屬片，其寬度等于天線金屬框的寬度，其長度等于金屬框的周長，將長條形金屬片進行彎折，就可以加工成天線所需的金屬環。顯然這樣加工而成的金屬框不是閉合的，因而，在設計天線之初，就將這一點考慮進去，即設計一個不閉合的金屬框。注意所述雙向輻射天線的電流在上表面中點處，即不閉合處原本就是電流零點，只要開ロ遠小于波長，這樣的設計不會影響所述雙向輻射天線正常工作。所述雙向福射天線，屬于全金屬結構，饋電結構簡潔，在實際應用中，所述雙向福射天線可以與防爆盒相結合，饋電電纜可以隱藏于防爆盒中，使得整個天線設計滿足防爆的要求。該結構具體說明如下首先根據要求實現工作頻率的要求，設計金屬框的寬和高，對金屬框寬和高的要求有兩點首先整個框的周長應該在一個波長左右；其次兩條窄邊的間距，即金屬框的長邊長度應該略小于半波長，這樣調整的原因如下是為了獲得足夠大陣列因子，兩條窄邊(主要輻射體)應該相距在半波長左右，即當短金屬柱(探針)的高度略低于金屬框的高度，微調金屬框的長邊，窄邊，使得金屬框的方向性在工作頻率附近達到6dBi左右；然后可以進一步調整短金屬柱的高度，直徑，金屬環的寬度，以使得整個天線在所需的工作頻段匹配。各部份尺寸如圖4ー圖5所示，単位均為毫米(mm)。以圖4ー圖5所示尺寸制作的雙向輻射天線的Sll測試結果如圖6所示，該雙向輻射天線的諧振頻率為916MHz，回波損耗SlK-IOdB的帶寬為909_923MHz。以圖4ー圖5所示尺寸制作的雙向輻射天線工作于916MHz時的功率增益方向圖7所示。E面(X-Z平面)和H面(X-Y平面)方向圖類似于倒8型；可知，所述雙向輻射天線實現了雙向福射。同時雙向福射天線整體結構簡單，饋電方式簡潔，極易加工，制作成本低，由于采用金屬片進行加工，此天線工作時，幾乎沒有風阻。本發明為礦井、巷道的無線通信中天線設計提供了解決方案。
本發明的雙向輻射天線可以相應根據業務工作頻率調整所述天線的尺寸。本發明非常適用于礦井、巷道等狹長地帶的無線通信。
權利要求
1.應用于礦井、巷道的雙向輻射天線，其特征在于，含有矩形金屬框(1)，做短探針用的短金屬柱(2)以及半鋼同軸饋線(3)，其中 矩形金屬框(I )，是一個作為天線主體的矩形金屬環，所述矩形金屬框是由長條形金屬片折疊而成，短邊側封閉，長邊側敞開，上端面正中心位置有一個因折疊而產生的狹縫，在下端面正中心位置處開有一小孔，小孔直徑等于或略小于所述半鋼同軸饋線(3)的直徑，所述矩形金屬環的周長約為I入O，長邊邊長為0. 45 A 0,略小于0. 5 A 0,短邊邊長為0. 06 A。，短金屬柱高度為0. 045 \0，X0為工作頻率所對應的自由空間波長，該雙向輻射天線工作頻段為 909MHz-923MHz， 半鋼同軸饋線(3)由外導體和內導體組成，所述的外導體焊接在所述矩形金屬框(I)下端面外側的所述正中心位置處，與所述小孔同軸，內導體引入到所述矩形金屬框(I)內，與一個四周封閉作探針用的且位于所述矩形金屬框(I)內的短金屬柱(2)的下端面外側相連。
2.根據權利要求I所述的應用于礦井、巷道的雙向輻射天線，其特征在于所述半鋼同軸饋線(3)的直徑為3. 5mm，特征阻抗為50 Q。
全文摘要
一種應用于礦井、巷道的雙向輻射天線，屬于無線通信中的天線設計領域，其特征在于采用短金屬柱激勵矩形金屬框，其中金屬框工作在1個波長模式，金屬框的兩個窄邊為輻射主體，其間距略小于半波長，形成陣列，實現較高增益的雙向輻射，通過調整短金屬柱的高度，直徑，金屬框的長邊長度，窄邊長度以及寬度可以使所述雙向輻射天線在饋電端口良好的匹配，并實現較高增益的雙向輻射特性。本發明具有體積小、迎風面積小、低成本、容易加工，高增益等的優點，適用于在礦井、巷道這類典型的空間受限的非自由空間傳播信道內實現無線通信。
文檔編號H01Q21/24GK102683827SQ201210185988
公開日2012年9月19日 申請日期2012年6月7日 優先權日2012年6月7日
發明者馮正和, 劉文冬, 張志軍 申請人:清華大學