BR112015001194B1

BR112015001194B1 - Estrutura de antena no subsolo para irradiar através de um meio de dissipação, sistema sem fio no subsolo para medir as condições em um meio de dissipação e método para operar uma estrutura de antena no subsolo

Info

Publication number: BR112015001194B1
Application number: BR112015001194-2A
Authority: BR
Inventors: Mehmet Vuran; Xin Dong; David Anthony
Original assignee: Nutech Ventures
Priority date: 2012-07-20
Filing date: 2013-07-18
Publication date: 2022-06-14
Also published as: AU2013292513B2; HK1212515A1; US20150181315A1; CN106887668A; AU2013292513A1; WO2014015151A1; CN104769773A; BR112015001194A2; US9532118B2; CN104769773B

Abstract

ANTENA PARA A COMUNICAÇÃO SEM FIO NO SUBSOLO. A presente invenção se refere a sistemas e métodos para uma estrutura de antena no subsolo para irradiar através de um meio de dissipação, a estrutura de antena. A estrutura de antena inclui um substrato dielétrico, uma estrutura de alimentação disposta no substrato, e um ou mais condutores elétricos. Os um ou mais condutores elétricos são dispostos no substrato, orientados, e enterrados dentro do meio de dissipação. Os condutores elétricos são também adaptados para irradiar sinais a uma frequência em um meio espaço adjacente ao meio de dissipação. A adaptação inclui um estado de largura de feixe para um ou mais dos condutores elétricos com base pelo menos em parte na permissividade relativa do meio de dissipação.

Description

Referência Cruzada ao Pedido Relacionado

[001] O presente pedido reivindica prioridade ao Pedido U.S. de No. de série 61/673,757, depositado em 20 de julho de 2012, intitulado ANTENNA FOR WIRELESS UNDERGROUND COMMUNICATION, a descrição do qual se encontra aqui incorporada por referência.

Campo Técnico

[002] A presente descrição se refere a antenas sem fio e mais particularmente a características de uma antena no subsolo para redes de sensores sem fio no subsolo (WUSNs).

Antecedentes

[003] Redes de sensores sem fio no subsolo (WUSNs) são uma extensão natural de redes de sensores sem fio (WSNs) para instalação no subsolo. WUSNs em geral incluem partículas de sensoriamento que são enterradas no solo e podem, por exemplo, proporcionar aplicações em agricultura de precisão, monitoramento de ambiente, e cerca virtual. Estabelecer links de comunicação sem fio em uma instalação no subsolo pode ser um desafio. Exemplo de fatores que podem acrescentar ao desafio incluem alta permissividade do solo, características de interface de solo-ar, e condições do solo específicas em tempo real.

Sumário

[004] Sistemas e métodos são descritos para uma estrutura de antena no subsolo para irradiar através de um meio de dissipação. Adicionalmente, sistemas e métodos são descritos para medir as condições em um meio de dissipação, tal como solo. Avaliações empíricas são ilustradas nas figuras 3-8 para mostrarem que uma antena projetada considerando não só a mudança no comprimento de onda no solo, mas também a reflexão a partir da interface de solo ar pode acomodar mudanças maiores na umidade do solo e aprimorar as distâncias de comunicação por até 587% em comparação às antenas que são projetadas com base apenas na mudança do comprimento de onda no solo. Como um exemplo, a seleção ou desenho de uma antena de banda larga particular descrita no presente documento pode resultar em uma maior distância de comunicação para comunicações que ocorrem entre a antena e uma ou mais outras estruturas ou redes.

[005] Em uma implementação, uma estrutura de antena no subsolo para irradiar através de um meio de dissipação é descrita. A estrutura de antena inclui um substrato dielétrico, uma estrutura de alimentação disposta no substrato, e um ou mais condutores elétricos dispostos no substrato, orientados, e enterrados dentro do meio de dissipação. Em algumas implementações, os condutores elétricos são adaptados para irradiar sinais a uma frequência em um meio espaço adjacente ao meio de dissipação. A referida adaptação pode, por exemplo, incluir projetar um estado de largura de feixe para um ou mais dos condutores elétricos com base pelo menos em parte na permissividade relativa (por exemplo, teor de umidade) do meio de dissipação. Em algumas implementações, a estrutura de antena é uma antena de banda larga que mantém uma perda de retorno de menos do que cerca de menos 10 decibéis para a pluralidade de condições do solo. Em um exemplo, a antena de banda larga tem um diâmetro de cerca de 100 milímetros e a antena é enterrada no solo não homogêneo.

[006] Em algumas implementações, os um ou mais condutores elétricos são orientados em direção de e substancialmente paralelos a uma interface entre um espaço livre e o meio de dissipação e o padrão de irradiação correspondente emitido pela estrutura de antena de subsolo é unidirecional em direção da interface. Em alguns exemplos, a estrutura de antena é enterrada no meio de dissipação em cerca de 0,1 metros até cerca de 1,0 metro.

[007] Em algumas implementações, a estrutura de antena inclui circuitos adaptáveis para proporcionar a largura do feixe que acomoda um ângulo crítico de incidência a partir de solo para o ar em diferentes condições do solo. Em alguns aspectos da estrutura de antena, o estado de largura do feixe resulta em um aumento da distância de comunicação sem fio para comunicações entre a estrutura de antena de subsolo e uma ou mais outras estruturas ou redes. O ângulo crítico de incidência pode ser um ângulo de operação crítico θc que é entre cerca de 5 graus e cerca de 15 graus, no qual o valor do ângulo de operação crítico θc é com base pelo menos em parte na permissividade do meio de dissipação. Em alguns exemplos, o ângulo de operação crítico θc representa o ângulo acima do qual não existe refração para a estrutura de antena.

[008] Em outra implementação, um sistema sem fio no subsolo para medir as condições em um meio de dissipação é descrito. O sistema inclui um ou mais sensores de umidade sem fio, cada um incluindo uma placa de sensores, um processador dentro da placa de sensores, e um transceptor em comunicação com o processador e acoplado a uma antena. O sistema também inclui um portal de entrada configurado para receber e transmitir mensagens sem fio e adicionalmente configurado para se comunicar com a rede e para receber e transmitir mensagens sem fio a partir dos um ou mais sensores de umidade sem fio. Em algumas implementações, cada um dos sensores de umidade sem fio é configurado para (i) coletar dados sobre as condições do meio de dissipação a partir da pluralidade de sensores ao de comprimento de um comprimento do meio de dissipação, e (ii) em resposta a detectar um nível de limiar de mudança na permissividade do meio de dissipação, manter um nível de limiar de perda de retorno.

[009] Em algumas implementações, o nível de limiar de mudança na permissividade do meio de dissipação compreende um aumento ou redução no nível de umidade do meio de dissipação de cerca de 5 por cento e o nível de limiar de perda de retorno é menos do que cerca de menos 10 decibéis.

[0010] Em alguns aspectos, os um ou mais sensores de umidade sem fio pode coletar dados a partir de pelo menos duas profundidades dentro do meio de dissipação. Exemplos de profundidades podem include cerca de 0,1 metro abaixo da superfície do meio de dissipação (por exemplo, solo) e cerca de 1,0 metro abaixo da superfície do meio de dissipação (por exemplo, solo)

[0011] Em outra implementação, um método para operar uma estrutura de antena no subsolo que irradia através de um meio de dissipação é descrito. O método inclui medir, usando a estrutura de antena de subsolo, dados associados com o meio de dissipação que circunda uma pluralidade de sensores sem fio, em que a pluralidade de sensores sem fio é acoplada à estrutura de antena. O método também inclui manter um nível de limiar de perda de retorno, para a estrutura de antena, de menos do que cerca de menos 10 decibéis em resposta a detectar um nível de limiar de mudança na permissividade do meio de dissipação. Um exemplo de nível de limiar de mudança na permissividade do meio de dissipação pode incluir um aumento ou redução no nível de umidade do meio de dissipação de cerca de 5 por cento. O método também inclui transmitir uma ou mais mensagens sem fio a partir da pluralidade de sensores sem fio usando a antena. As mensagens podem corresponder aos dados medidos.

[0012] De modo vantajoso, os sistemas e técnicas descritos podem proporcionar um ou mais benefícios, tal como o aumento de informação capaz de ser coletada a partir de uma rede de sensores sem fio no subsolo com base em determinar características do solo em tempo real. Como outra vantagem, o uso de uma antena de banda larga na comunicação de subsolo proporciona um aumento significante da distância em relação às antenas que são projetadas para lidar com uma simples mudança do comprimento de onda no solo.

[0013] Os detalhes de uma ou mais modalidades são determinados nos desenhos em anexo e na descrição abaixo. Outras características, objetivos, e vantagens da presente invenção se tornarão parentes a partir da descrição e dos desenhos, e a partir das reivindicações.

Descrição dos Desenhos

[0014] A figura 1 é um diagrama conceitual de um sistema para medir as características do solo e proporcionando comunicação de subsolo através da rede de sensores sem fio no subsolo (WUSN).

[0015] As figuras 2A-2B são diagramas conceituais que mostram um exemplo de análise de antenas no subsolo.

[0016] As figuras 3A-3C ilustram um exemplo de análise teórica de perda de retorno de uma antena de dipolo no ar e no solo.

[0017] As figuras 4A-4B ilustram um exemplo de simulação de uma antena de dipolo no ar e no solo.

[0018] As figuras 5A-5F ilustram medidas de perdas de retorno para diferentes tipos de antena.

[0019] As figuras 6A-B ilustram os desvios de frequência ressonante para um número de diferentes antenas dispostas em diferentes meios.

[0020] As figuras 7A-7D ilustram medidas de perdas de retorno para um número de antenas enterradas a uma profundidade de 30 centímetros.

[0021] A figura 8 ilustra um número de bandas de frequência para diferentes antenas em diferentes umidades do solo.

[0022] A figura 9 é um exemplo de diagrama de uma antena circular plana para uso em redes de sensores sem fio no subsolo.

[0023] A figura 10 ilustra um exemplo de três trajetos de subsuperfície na comunicação de subsolo.

[0024] A figura 11 é um exemplo de método para operar uma estrutura de antena no subsolo que irradia através de um meio de dissipação.

[0025] A figura 12 é um diagrama de bloco de dispositivos de computação que podem ser usados para implementar os sistemas e métodos descritos no presente documento.

[0026] Símbolos de referência similares nos diversos desenhos indicam elementos similares.

Descrição Detalhada

[0027] As antenas usadas em redes de sensores sem fio no subsolo (WUSN) podem ser enterradas no solo, na água, ou em um leito rochoso. Enterrar as antenas remove o aspecto comum a céu aberto de propagação de onda da antena que ocorre em cenários de comunicação tradicionais. A remoção das referidas características de propagação a céu aberto em geral introduz um ou mais itens com a correspondência da impedância da antena, o que por sua vez, introduz um número de itens de comunicação entre uma ou mais antenas em um WUSN.

[0028] Comunicação sem fio usando sinais eletromagnéticos (isto é, ondas) tipicamente envolve altos níveis de atenuação de sinal quando as ondas são transmitidas através de um meio com perdas tal como solo ou rocha. Em um exemplo, o alto nível de atenuação de sinal pode ser em virtude de absorção do sinal dentro do meio. Os efeitos podem incluir extrema perda de sinal, efeitos de múltiplos trajetos em virtude da natureza não homogênea do solo, ruído em virtude das correntes elétricas no solo, e/ou períodos extensos de black-out após uma chuva em virtude de solo molhado.

[0029] A quantidade de perda de sinal quando se propaga através do solo ou da rocha depende das propriedades do material. Por exemplo, a existência de excesso de água no solo pode produzir significantes quantidades de atenuação o que tipicamente aumenta na medida em que o teor de água do solo aumenta. Em algumas implementações, o efeito da água no sinal é dependente da frequência sendo usada na comunicação sem fio. Em geral, frequências mais baixas experimentarão menos atenuação quando se propaga através do solo. Outros fatores de solo que pode afetar a atenuação de sinais eletromagnéticos que se propagam através do solo podem incluir, por exemplo, densidade do solo, tamanho de partícula do solo, e/ou temperatura do solo.

[0030] A figura 1 é um diagrama conceitual de um sistema 100 para medir as características do solo e proporcionar comunicação acima do solo e no subsolo através da rede de sensores sem fio no subsolo (WUSN) 102. Em um alto nível, o sistema 100 inclui um número de sensores em rede de sensores 102 que são usados para medir as características ambientais. Os sensores podem representar uma rede de comunicação sem fio na qual mensagens, tais como dados do sensor, dados operacionais, comandos, e/ou dados do ambiente, podem ser comunicados sem fio entre os sensores e uma ou mais redes, tal como redes 102 ou 104 para alcançar servidores, tal como o servidor 106. Em algumas implementações, o servidor 106 (ou outro dispositivo conectado por meio de rede 104) pode direcionar a informação e mensagens a um ou mais sensores em WUSN 102. A capacidade de comunicação para cada sensor sem fio pode depender de um número de fatores ambientais. Assim sendo, circuitos podem ser projetados usando técnicas de projeto de antenas para garantir que mudanças nas características do solo e/ou nos fatores ambientais não impactem a capacidade de comunicação dos sensores.

[0031] Em geral, os sensores em WUSN 102 podem ser enterrados em um arranjo ou espaçamento particular. Em um exemplo, os sensores podem ser espaçados de modo uniforme e enterrados na mesma profundidade para estabelecer medições do solo em incrementos uniformes na mesma profundidade. Isso pode, por exemplo, ajudar a entender as necessidades de irrigação para um campo de colheita. Em algumas implementações, os sensores podem ser espaçados em profundidades variáveis e espaçamento variável com base na informação particular desejada a partir das medições. Cada sensor pode incluir uma placa de sensores, um processador dentro da placa de sensores, e um transceptor em comunicação com o processador e acoplado a uma antena.

[0032] Em algumas implementações, os sensores podem ser sensores de umidade sem fio que são configurados para coletar dados sobre as condições de um meio de dissipação (por exemplo, solo). Por exemplo, os sensores podem detectar mudanças no solo, tal como um nível de limiar de mudança na umidade do solo.

[0033] Os sensores podem ser conectados por meio de um portal de entrada sem fio configurado para receber e transmitir mensagens sem fio. O portal de entrada pode também ser configurado para se comunicar com uma ou mais redes e para receber e transmitir mensagens sem fio a partir da pluralidade de sensores de umidade sem fio.

[0034] Em comunicações no subsolo, há um número de fatores que pode ser usado para determinar a impedância da antena. Os referidos fatores podem incluir, mas não são limitados a, o comprimento de onda no solo, a reflexão a partir da interface de solo ar, e a mudança em umidade do solo. Nos exemplos a seguir, as antenas podem ser representadas como z. e os transceptores podem ser representados como z,. Para uma comunicação sem fio eficiente, a impedância de um exemplo de antena z. é tipicamente correspondida com a impedância de saída de um exemplo de transceptor z.. de modo que a energia irradiada é maximizada e a energia retornada ao elemento transmissor é minimizada.

[0035] Em operação, a impedância de uma antena no subsolo z'-: é uma função do comprimento de onda, que é encurtada quando as ondas eletromagnéticas se propagam no solo. Assim, para uma determinada frequência, a antena correspondida no ar provavelmente não será correspondida quando enterrada no solo. Adicionalmente, as antenas no subsolo usada em aplicações WUSN para agricultura tipicamente incluem um número de partículas de sensoriamento, cada uma com uma ou mais antenas (por exemplo, um ou mais antenas e/ou estruturas de antena). As referidas partículas de sensoriamento são tipicamente enterradas a profundidades a partir de (0.3 - 1) metros. Nessa profundidade de enterro, as reflexões a partir da interface de solo ar podem perturbar a distribuição atual na antena, que pode adicionalmente mudar a impedância ideal da antena. Assim, o solo não pode ser considerado como um meio infinito. Como tal, os exemplos e técnicas descritas na presente especificação empregam um modelo de meio espaço. Consequentemente, uma antena, que é correspondida em um meio de solo homogêneo, pode não ser correspondido nessa situação de meio espaço. Outra característica única do solo é que as suas mudanças de permissividade com a variação da umidade do solo. Assim, uma antena no subsolo pode ser projetada para acomodar as mudanças de impedância causadas pela variação da umidade do solo pela vida útil da WUSN. Exemplos de correspondência de impedância, análise de permissividade do solo, simulações de antena enterrada, e desenho de antena para acomodar as características do solo, são descritas abaixo.

[0036] O uso de um modelo de meio espaço, como usado no presente documento, inclui dois meios (por exemplo, solo e ar) divididos pelo plano.

Permissividade relativa do solo

[0037] Quando uma onda eletromagnética é incidente no solo, a mudança do comprimento de ondas em função da permissividade mais alta do solo em comparação àquela do ar. A permissividade do solo depende de um número de propriedades do solo, tais como densidade de volume, textura do solo, umidade do solo (Teor volumétrico de água), salinidade, e temperatura, apenas para nomear alguns poucos exemplos. Diversos modelos podem ser usados para capturar as características da permissividade relativa. Os referidos modelos descrevem a permissividade relativa dos diferentes componentes da mistura de solo-água, ou seja, solo, ar, água livre, e água ligada. No exemplo a seguir, um modelo de permissividade semi- empírica para solo é usado, mas outros modelos podem ser substituídos. Assim sendo, a permissividade efetiva de mistura de solo-água, que é um número complexo, pode ser modelada como:

onde / é a frequência em Hertz, E, é a constante dielétrica complexa relativa da mistura de solo-água, é o teor volumétrico de água, é é a densidade de volume, e ;,é a densidade da partícula, e δ, ’ ', e ’ " são constantes dependendo do tipo de solo empiricamente determinados dados por:

onde S e C representam as frações de massa de areia e argila, respectivamente. As quantidades, E- . E-, nas equações (2) e (3), representam as partes real e imaginaria da permissividade relativa de água livre, e são as formas calculadas do modelo de Debye para se obter:

onde = 4,9 é o limite de quando

a constante dielétrica estática para a água, e é a permissividade de um espaço livre. Expressões para

e são dadas como uma função de temperatura. A temperatura ambiente (20 graus Celsius), = 0,58 x10-10s e = 80,1. A condutividade efetiva em (8), em termos das propriedades texturais do solo, é dada por:

Impedância de uma antena de dipolo em Solo Homogêneo

[0038] Para modelar a impedância e a perda de retorno de uma antena enterrada, primeiro se deve considerar a antena em um solo homogêneo. No referido exemplo de instalação, os impactos das propriedades do solo na impedância podem ser capturados. Os resultados calculados nesse exemplo podem ser usados como uma base para a análise de um ambiente realístico do solo onde uma antena é enterrada próxima da superfície.

[0039] Em virtude da alta permissividade do solo, Ío número de onda e em consequência, o comprimento de onda no solo não são os mesmos que no ar. Por empregar o modelo semi-empírico de permissividade do solo, o número de onda for solo .< pode ser calculado como:

onde f representa a frequência da onda, > = £; são a permeabilidade e a permissividade no ar, respectivamente, e £, representa a permissividade relativa de solo definida na equação (1). Então, a relação do comprimento de onda no solo, .<,, e o comprimento de onda no ar 7.; é:

[0040] É mostrado em equações (10) e (11) que em virtude da permissividade relativa do solo, ∑-,, o comprimento de onda no solo não é o mesmo que no ar para uma determinada frequência f. Por outro lado, para uma antena projetada para um comprimento de onda específico, a frequência ressonante no solo não é a mesma que a frequência ressonante no ar. Adicionalmente, a permissividade relativa do solo muda pelo fato de que o teor volumétrico de água <-,, que muda o comprimento de onda de uma onda eletromagnética.

[0041] Representação de forma fechada da impedância de uma antena arbitrária não é facilmente obtida e como tal, aproximações para a impedância de uma antena de dipolo são proporcionadas nos exemplos abaixo. Análise de outros tipos de antenas serão descritas em referência às figuras 5A-5F abaixo.

[0042] Ao se empregar o método induzido a emf, a impedância de entrada de um dipolo de menos do que a metade do comprimento de onda pode ser aproximado como:

onde

β representa a parte real do número de onda na equação (10), d representa o diâmetro do dipolo, e representa a metade do comprimento do dipolo. Employing equações (10) e (11) é representadas as:

Uma vez que a permissividade do solo é dependente de frequência, não é uma função linear de 1/x;. Como tal, quando a antena é movida a partir do ar para o solo a frequência ressonante muda de acordo com as equações (10) e (11) e um valor de impedância da antena na frequência ressonante também varia com as propriedades do solo.

Impedância da Antena enterrada em meio espaço

[0043] As figuras 2A-2B são diagramas conceituais que mostram um exemplo de análise de uma antena no subsolo 200. A análise acima captura os impactos das propriedades do solo. Em uma implementação real para as WUSNs, entretanto, as partículas de sensoriamento são enterradas em profundidades de subsuperfície (0,3 - 1,0) metros como mostrado por (h) 202 na figura 2A. Nas referidas profundidades, o ambiente não pode ser modelado como de solo homogêneo em virtude dos impactos da interface de solo-ar. Em vez disso, o ambiente pode ser modelado como um meio espaço para capturar os impactos das ondas refletidas a partir da interface de solo ar na impedância e perda de retorno da antena.

[0044] Como mostrado na figura 2A, quando a antena enterrada 200 é excitada, a distribuição da corrente de

204 é gerada ao de comprimento da antena 200. A onda gerada se propaga em direção da interface de solo-ar 206, onde a mesma é refletida e refratada. O campo elétrico refletido que alcança a antena é denotado como s 208, o qual, por sua vez, induz a corrente A. 210 na antena. Em algumas implementações, a corrente adicionalmente impacta a onda gerada e efeitos de reflexão de ordem mais elevada existem. Entretanto, em virtude da alta atenuação no solo, os referidos efeitos de ordem mais elevada são insignificantes e como tal, os cálculos a seguir consideram apenas os efeitos de primeira ordem.

[0045] A corrente induzida no dipolo \. 210, assim como a impedância resultante 212, pode ser modelada como o resultado de um campo gerado por um dipolo imaginário disposto em um ambiente de solo homogêneo, como mostrado na figura 2B. A distância dos dois dipolos h’ 214 é escolhida de modo que 208 é o mesmo no dipolo real que na figura 2A. Assim sendo, / 216 é modelado com base em um modelo de impedância mutua modificado entre duas antenas de dipolo. A impedância mútua / 216 é então adicionada para a própria impedância z_ 218, como mostrado pela equação (12) para se obter uma impedância total da antena enterrada em meio espaço. Para calcular 216, a distribuição da corrente na antena e o campo elétrico, s. 208, são modelados primeiro. A distribuição da corrente no dipolo curto em solo homogêneo pode então ser aproximada como:

onde representa a amplitude da corrente e Â. representa o número de onda no solo dado na equação (10). Com base na referida distribuição da corrente, o campo E refletido a partir da interface de solo ar na antena é:

Onde

e é a profundidade de enterramento da antena, e ; é um coeficiente de reflexão na interface de solo-ar, que é dada por:

onde .< é o número de onda no ar.

[0046] Considerando que o dipolo imaginário é idêntico ao dipolo no solo, o modelo de impedância mútua pode ser simplificado como:

Assim, a impedância total da antena é

e assim sendo, a perda de retorno da antena (em dB) é dada por:

[0047] Ao se empregar o referido modelo, a perda de retorno de uma antena de 50 milímetros (mm) de comprimento e 2 mm de diâmetro pode ser calculada para ar e solo. Os resultados calculados são mostrados nas figuras 3A-3B, onde a perda de retorno do dipolo é mostrada para a faixa de frequência de 100 MHz a 2 GHz. As figuras 3A-3C ilustram um exemplo de análise teórica de perda de retorno de uma antena de dipolo no ar e no solo. Nos referidos exemplos, a frequência ressonante do desvio da antena a partir de 1,382 GHz no ar para valores de frequência mais baixos quando a antena é enterrada. O desvio é em virtude do comprimento mais curto da onda no solo. Na figura 3A, a antena é enterrada a 0,1 m e quatro diferentes valores de teor volumétrico de água são analisados. Ou seja, os valores do teor volumétrico da água são medidos no ar 302, a 5% 304, a 10% 306, a 20% 308, e a 40% 310. Como mostrado, os valores do teor volumétrico da água têm um forte impacto no valor da frequência ressonante. Um aumento no teor volumétrico de água a partir de 5% a 40% resulta em uma redução na frequência ressonante a partir de 685MHz a 287MHz.

[0048] Como mostrado na figura 3B, duas diferentes profundidades de enterramento de 0,1 metros e 0,3 metros são consideradas. A frequência ressonante diminui a partir de 685MHz 312 a 674MHz 314 quando a profundidade de enterramento é aumentada a partir de 0,1 metros a 0,3 metros. A mudança na frequência ressonante como uma função de profundidade de enterramento é mostrada na figura 3C. Como mostrado, a frequência ressonante flutua em diferentes profundidades de enterramento. Isso é tipicamente causado pelas fases da onda refletida. Quando a profundidade de enterramento aumenta, o impacto da onda refletida diminui na medida em que a mesma é atenuada e a frequência ressonante converge para aquela no solo homogêneo. A frequência ressonante, mostrada aqui pela seta 316, é 677MHz.

[0049] As figuras 4A-4B ilustram um exemplo de simulação de uma antena de dipolo no ar e no solo. As simulações descritas no presente exemplo foram realizadas em um simulador de estrutura de alta frequência (HFSS). As dimensões da antena são mantidas as mesmas que as nos exemplos descritos nas figuras 3A-3C acima.

[0050] Para capturar as propriedades do solo ambiente, um material de solo é criado em HFSS com base na permissividade relativa calculada pelo modelo no exemplo descrito nas figuras 3A-3C. Adicionalmente, uma vez que a permissividade relativa de solo é dependente de frequência, na referida simulação, a mesma é representada de acordo com equação (1).

[0051] Como mostrado na figura 4A, a perda de retorno de uma antena de dipolo é mostrada para um número de diferentes valores de umidade do solo. No referido exemplo, a profundidade de enterramento da antena é 0,1 metros. Como indicado na análise teórica das figuras 3A-3C, a frequência ressonante se move para uma faixa de frequência mais baixa quando a umidade do solo aumenta.

[0052] No referido exemplo, os valores absolutos da perda de retorno nas frequências ressonantes são notadamente diferentes entre os exemplos 3A e 4A. Isso é em virtude das imprecisões na modelagem de uma antena "ideal" em HFSS assim como limitações da teoria em virtude das aproximações que são produzidas para maior flexibilidade. Por exemplo, em um teor volumétrico de água de 40%, uma frequência ressonante adicional 402 a 1GHz é observada que não é mostrada na figura 3A. No referido nível de umidade do solo e frequência, o comprimento de onda é menor do que o tamanho da antena, enquanto que a aproximação na equação (12) é tipicamente válida para os valores de comprimento de onda maiores do duas vezes o comprimento do dipolo.

[0053] Como mostrado na figura 4B, a frequência ressonante 404 em diferentes profundidades de enterramento é ilustrado a partir de zero a 0,2 metros. O efeito da onda refletida muda a impedância e a frequência ressonante. Em comparação com a análise teórica nas figuras 3A-3C acima, o resultado a partir de HFSS mostra menos flutuação na frequência e converge para uma frequência ressonante em solo homogêneo mais rapidamente. Em ambos os casos, os efeitos da interface de solo ar são visíveis na configuração da antena no subsolo.

[0054] É mostrado em ambos os exemplos nas figuras 3A-3C e nas figuras 4A-B que o desenho de uma antena para comunicação no subsolo é influenciado principalmente por três fatores: o comprimento de onda no solo, a reflexão a partir da interface de solo ar, e a umidade do solo. Entretanto, a análise teórica nas figuras 3A-3C se aplica apenas ao dipolo, e como tal, outros tipos de antenas não podem ser capturados usando o referido método. Assim, os testes de campo são descrito nas seções a seguir.

Exemplos de Antena no subsolo

[0055] Para se investigar adicionalmente os efeitos da interface de solo ar nas perdas de retorno de antenas e obter insight nos desenhos das antenas for comunicação no subsolo, experimentos empíricos são descritos abaixo.

[0056] As figuras 5A-5F ilustram as medidas de perdas de retorno para diferentes tipos de antena. Os diferentes tipos de antena incluem quatro antenas de dipolo e duas antenas planas. Em particular, as antenas incluem uma antena de GSM (figura 5A), uma antena de dipolo de 433 MHz (figura 5B), uma antena Mica2 (figura 5C) [oferecida pela Crossbow Technology, Inc., San Jose, CA], uma antena MicaZ (figura 5D) [oferecida pela Crossbow Technology, Inc., San Jose, CA], uma antena circular plana (figura 5E), e uma antena elíptica (figura 5F).

[0057] A antena de GSM (figura 5A) é uma antena de dipolo projetada para dispositivos GSM. A mesma é de 50 mm de comprimento e é isolada por borracha. O raio da antena com o isolante é 4 mm. As frequências ressonantes são 900MHz e 1900MHz.

[0058] A antena de dipolo de 433 MHz (figura 5B) é uma antena de prateleira projetada para a frequência de 433 MHz frequência. A mesma é de 70 mm de comprimento e é também isolada. O raio do isolante é de 5 mm.

[0059] A antena de Mica2 (figura 5C) é originalmente fixada aos motes de Mica2 que são com frequência usados em experimentos de redes de sensores sem fio (WSN). A mesma é uma antena do tipo de chicote de 180 mm de comprimento. A antena é muito delgada. Incluindo o isolante, o raio é 1,5 mm e a frequência ressonante é 433 MHz.

[0060] A antena de MicaZ (figura 5D) é originalmente aos motes MicaZ. Uma vez que MicaZ trabalha em frequência mais elevada (por exemplo, 2,4 GHz), a antena é m ais curta em um comprimento de 37 mm.

[0061] A antena circular plana (figura 5E) é uma antena plana com um painel de excitação circular. O diâmetro do painel é 25 mm, que é com base no comprimento de onda calculado no solo usando a equação (11).

[0062] O tamanho da antena elíptica (figura 5F) pode ser variado em virtude das diferentes frequências de operação. No referido exemplo, a frequência de operação é 433 MHz, e como tal, a antena inclui um painel retangular de solo que é de 125 mm por 85 mm. O painel de excitação é elíptico com dois eixos de 62 mm e 49 mm.

[0063] Nos exemplos a seguir, as antenas são enterradas em duas profundidades (0,1 m e 0,3 m) e cada antena é conectada a um cabo coaxial de 0,3 m. As antenas são enterradas de modo horizontal com o painel de excitação voltado para a interface de solo-ar. A outra extremidade do cabo é conectada a um dispositivo de análise de rede portátil que é empregado para medir a perda de retorno de cada antena. As duas profundidades foram selecionadas com base em informação incluindo típicos nodos sensores em aplicações WUSN para agricultura são em geral enterrados a 0,3 m de profundidade para evitar os impactos a partir do maquinário agrícola e nas referidas profundidades, o impacto a partir da interface de solo ar pode ser capturado.

Efeitos da Profundidade de Enterramento

[0064] As perdas de retorno para cada uma das antenas em diferentes profundidades no solo são mostradas na figura 5A-5F. Adicionalmente, a perda de retorno das antenas no ar é também ilustrada. A umidade do solo na referida medição é de 20%, que é também uma condição normal para as colheitas que estão crescendo.

[0065] Como mostrado na figura 5A, duas frequências ressonantes para a antena de GSM no ar são 1,052 GHz e 1,921 GHz. Entretanto, quando a antena é enterrada no solo, as frequências ressonantes se desviam para frequências mais baixas. Para a profundidade de enterramento de 10 cm, as frequências ressonantes são 571,8 MHz e 1,442 GHz, respectivamente. Quando a profundidade de enterramento é 30 cm, as frequências ressonantes correspondentes são 631,8 MHz e 1,502 GHz. O referido desvio de frequência ressonante é relacionado à mudança do comprimento de onda no solo. Como é típico, as novas frequências ressonantes no solo não podem ser calculadas com base unicamente nos comprimentos de onda correspondentes no solo em virtude da reflexão a partir da interface de solo ar.

[0066] Quando a antenas arqueia enterrada no solo, o formato da curva de perda de retorno tipicamente muda. A referida mudança pode ser vista na antena de 433 MHz (figura 5B) e na antena original de MicaZ (figura 5D). Na antena de 433 MHz, múltiplas frequências ressonantes ocorrem nas frequências mais baixas quando a antena é enterrada no solo. Na antena de MicaZ case, quando a antena é enterrada, a perda de retorno na frequência ressonante é 15 dB mais baixa do que a antena disposta no ar, como mostrado na seta 504. A razão para isso é que o impacto do meio do solo não é linear em diferentes frequências, como indicado em equações (10) e (12) acima, onde .■ ê a função linear de f, mas z. não é a função linear de Z. Como mostrado nas figuras, a impedância na faixa de frequência mais baixa é impactada mais do que na faixa de frequência mais alta. Para a antena de 433 MHz (figura 5B), a perda de retorno em frequências maiores do que 4 GHz permanece similar aos resultados no ar e para a antena de MicaZ (figura 6D), isso é verdadeiro para as frequências maiores do que 5 GHz. Os resultados da antena de Mica2 (figura 5C) indicam que a mesma tem pobre desempenho através da faixa de frequência na medida em que as perdas de retorno das frequências ressonantes são maiores do que -10dB.

[0067] Diferente das antenas de dipolo, os formatos das curvas de perda de retorno das antenas planas no solo permanecem similares aos da no ar (figuras 5E e 5F). Isso pode ser em virtude do diferente mecanismo que irradia da antena plana, onde as ondas primeiro se propagam através da margem do substrato, que não muda quando a antena é enterrada no solo. O substrato pode mitigar o impacto do solo no campo próximo da irradiação. Assim, a curva de perda de retorno permanece similar no ar e no solo para as referidas antenas planas.

[0068] O desvio específico nas frequências ressonantes de cada antena é um fator conhecido e o percentual de desvio em comparação às frequências ressonantes no ar é mostrado na figura 6A. Como mostrado na figura 6A, o percentual de desvio não é o mesmo para diferentes antenas. A antena de 433 MHz e a antena de MicaZ têm o maior desvio, como mostrado por setas 602 e 604, respectivamente. Para a antena de MicaZ, o desvio é 42% quando a profundidade de enterramento é 10 cm e de 48% quando a profundidade de enterramento aumenta para 30 cm. Nesse meio tempo, para a antena de 433 MHz, o desvio é de 40% quando a profundidade de enterramento é 10 cm e 36% quando a profundidade de enterramento é de 30 cm. A diferença do desvio em diferentes profundidades é tipicamente causada pela onda refletida a partir da interface de solo ar, que perturba a distribuição da corrente na antena e em consequência da impedância da antena. Esse impacto não é linear para as diferentes frequências. Também, em virtude da fase do campo elétrico refletido, o desvio flutua em diferentes profundidades. Adicionalmente, a referida flutuação não é a mesma para as diferentes antenas. Por exemplo, na antena plana elíptica, o desvio pode ser reduzido a partir de 19% a 5% se a profundidade de enterramento é aumentada a partir de 10 cm a 30 cm. Por outro lado, para a antena de Mica2, com a mesma mudança na profundidade de enterramento, o desvio é aumentado a partir de 18% para 36%. Portanto, para as antenas em comunicações no subsolo, o ambiente não pode ser considerado como homogêneo e o impacto da onda refletida para as antenas particulares pode ser analisado para determinar uma antena precisamente projetada para o solo. Adicionalmente, esse impacto não pode ser generalizado e cada tipo diferente de antena pode requerer uma análise específica.

[0069] A figura 6B ilustra um número de bandas de frequência das antenas acima descritas em diferentes meios. Quando se projeta antenas para uso no subsolo, o desenho deve levar em conta os efeitos de largura de banda em meios particulares. Na prática, a perda de retorno de -10dB é tipicamente empregada como o limiar para definir a banda da frequência de uma antena particular. As medições para a largura de banda para as antenas descritas nas figuras 5A-5F são mostradas na figura 6B. Os blocos indicam as bandas de frequência das antenas. Como mostrado, as duas antenas planas 606 e 608 têm as mais largas larguras de bandas dentre as antenas. Como um exemplo, pode ser observado que a antena circular plana (figura 5E) tem uma largura de banda extremamente larga de (0,54 - 6,0 GHz em 30 cm de profundidade). Essa característica é desejável em comunicação no subsolo uma vez que a mesma pode acomodar diferentes situações de solo.

Efeitos de umidade do solo

[0070] As mudanças de umidade do solo variam em quantidades com o tempo uma vez que o processo de precipitação natural muda com o tempo. Os exemplos a seguir mostram os registros para a perda de retorno de quatro antenas (antena de GSM, antena de 433 MHz, e as duas antenas planas) em três diferentes ajustes de umidade do solo (isto é, seco (5% de VWC), normal (20% de VWC), e molhado (37% de VWC). A composição do solo do leito de teste é 23,7% de areia e 28,7% de argila.

[0071] As figuras 7A-7D ilustram as medidas de perdas de retorno para um número de antenas enterradas a uma profundidade de 30 centímetros. Como descrito acima em referência às equações (1) e (2), quando a umidade do solo aumenta, a permissividade do solo aumenta também, o que faz com que o comprimento de onda reduza adicionalmente. Portanto, nas curvas de perda de retorno mostradas na figura 7A e 7B, a frequência ressonante se desvia para uma faixa ainda mais baixa quando a umidade do solo aumenta. Para a antena de GSM (figura 7A), quando o teor volumétrico de água (VWC) aumenta a partir de 5% para 20%, a frequência ressonante se move para uma frequência 3% mais baixa do que a frequência ressonante no ar. Adicionalmente, quando a VWC aumenta a partir de 20% a 37%, uma redução de 3,1% adicional na frequência ressonante é observada. Adicionalmente, os valores exatos da perda de retorno na frequência ressonante variam para diferentes valores de umidade do solo. A mudança na perda de retorno é considerável para a antena de 433 MHz (figura 7B). A uma frequência de 272MHz, para VWC = 5%, a perda de retorno na frequência ressonante é -8dB. Entretanto, quando VWC aumenta para 20%, isso desvia a frequência ressonante para 242 MHz e a perda de retorno se reduz para -18dB. Com um aumento adicional em VWC para 37%, desvia a frequência ressonante para 182 MHz e a perda de retorno é adicionalmente reduzida para -23,5dB. Os resultados empíricos confirmam que quando uma antena é enterrada no solo, não só o valor da frequência ressonante, mas também o valor da perda de retorno naquela frequência ressonante muda. Assim, no projeto de uma antena, mesmo se a mesma tem um bom desempenho no ar, um desempenho equivalente não pode ser garantido quando a mesma antena é enterrada no solo.

[0072] Para as duas medições de antenas planas mostradas na figura 7C e 7D, os formatos das curvas de perda de retorno muda de modo considerável com a mudança da umidade do solo. Isso pode ser parcialmente causado pela falta de isolamento para as referidas duas antenas. Assim, a mudança de teor de água diretamente impacta a distribuição da corrente da antena.

[0073] A figura 8 ilustra um número de bandas de frequência para diferentes antenas em diferente umidade do solo. As bandas de frequência para os três valores de umidade do solo são indicadas pelos blocos para a antena de GSM, a antena de 433 MHz, a antena elíptica, e a antena circular plana. É observado que a antena circular plana 802 tem a banda larga em diferentes valores de umidade do solo. A perda de retorno é menos do que -10dB para uma faixa de frequência de 2,4 GHz - 3,6 GHz e 4,8 GHz - 6 GHz para todos os três valores de umidade do solo. Esse traço pode ser usado par projetar antenas para WUSNs uma vez que o mesmo quer dizer que o desempenho da antena será mantido mesmo se a umidade do solo varia.

Exemplo antena de banda larga: Projeto de antena circular No subsolo

[0074] Em geral, a realização de redes de sensores sem fio no subsolo (WUSNs) se baseia no estabelecimento de links de comunicação confiáveis, onde a configuração da antena se torna um fator importante em virtude dos impactos significantes do solo no qual os sensores são enterrados. O exemplo a seguir descreve um exemplo de antena de banda larga projetado para uma aplicação de WUSN agrícola. As avaliações empíricas são ilustradas acima para mostrarem que uma antena projetada que considera não só a mudança no comprimento de onda no solo mas também a reflexão a partir da interface de solo ar pode acomodar grandes mudanças na umidade do solo e aprimorar as distâncias de comunicação em até 587% em comparação às antenas que são projetadas com base apenas na mudança do comprimento de onda no solo.

[0075] A figura 9 é um exemplo de uma estrutura de antena plana circular 900 para uso em uma rede de sensores sem fio no subsolo. A antena 900 pode ser projetada para acomodar grandes mudanças em umidade do solo e pode incluir uma pluralidade de configurações de sensores, estruturas, sub-estruturas, e filtros. Em algumas implementações, uma antena com a frequência ressonante de 433 MHz pode proporcionar características que oferecem uma mínima atenuação e mínimo tamanho de antena. Como tal, um número de chips comerciais para uso em banda industrial, científico, e médico (ISM) estão disponíveis e podem ser prontamente usados em objetos de partículas de sensoriamento.

[0076] Em um exemplo, a antena 900 é uma antena circular plana no subsolo para irradiar através de um meio de dissipação, tal como solo. A antena 900 mostrada aqui tem um diâmetro de 100 mm, mas outros diâmetros são possíveis. O substrato da antena 900 pode ser um material FR-4 com uma espessura de 1,6 mm, por exemplo. A linha de alimentação da antena 900 pode ser uma estrutura coplanar de guia de onda, como mostrado em 906. Em algumas implementações, a antena circular plana 900 inclui uma ou mais placas de transmissão de micro-ondas, susceptores, orifícios de irradiação, condutores elétricos, e/ou outros componentes que proporcionam padrões de irradiação particulares e funcionalidade para as antenas no subsolo. Como mostrado, a antena 900 inclui um número de condutores elétricos 902 formados através de um substrato dielétrico 904. A estrutura coplanar de guia de onda 906 é mostrada disposta no substrato 904 também.

[0077] Os condutores elétricos 902 podem, por exemplo, ser orientados e a estrutura de antena 900 pode ser enterrada dentro de um meio de dissipação, tal como solo. Por exemplo, a estrutura 900 pode ser enterrada no meio de dissipação em cerca de 0,1 metros até cerca de 1,0 metro. Os condutores elétricos podem ser adaptados para irradiar sinais a uma frequência em um meio espaço adjacente ao meio de dissipação. Por exemplo, um estado de largura de feixe pode ser configurado para um ou mais dos condutores elétricos com base pelo menos em parte na permissividade relativa do meio de dissipação.

[0078] Os condutores elétricos 902 podem ser estruturados ou arranjados em um padrão predeterminado. Por exemplo, os intervalos podem ser ajustados à metade do comprimento de onda, a um quarto do comprimento de onda, ou ao total do comprimento de onda. Em algumas implementações, os condutores 902 podem formar outro formato, tal como uma forma de t ou uma forma de arco, por exemplo. O padrão estrutural formado pelos condutores 902 não é limitado a um específico, e como tal, pode ser em espiral ou radial além de concêntrico.

[0079] Em algumas implementações, os um ou mais condutores elétricos são orientados em direção de e substancialmente paralelos a uma interface entre um espaço livre e o meio de dissipação. A referida orientação pode proporciona um padrão de irradiação que é unidirecional em direção da interface.

[0080] Em algumas implementações, a antena 900 inclui uma superfície de condução voltada para o substrato 904. A superfície de condução pode ser adaptada para concentrar uma porção substancial de energia irradiada pelos um ou mais condutores elétricos no meio espaço adjacente ao meio de dissipação.

[0081] Em algumas implementações, os circuitos da antena 900 adaptáveis para proporcionar uma largura do feixe que acomoda o ângulo crítico de incidência (θc) de diferentes condições do solo, que é entre cerca de 5 graus e cerca de 15 graus. Em algumas implementações, a antena 900 é projetada como um componente independente e não é sintonizável. Ou seja, a antena 900 pode ser projetada de modo que a mesma opera em uma banda larga de frequências sem necessitar de sintonização para mudanças particulares de impedância.

[0082] A figura 10 ilustra um exemplo de três trajetos de subsuperfície comunicação no subsolo. Em operação, a antena circular plana 900 proporciona uma ampla largura de banda de sinal assim como um padrão de irradiação altamente desejável. Em particular, em comunicações no subsolo a uma profundidade que varia de 0,3 - 1,0 m, três trajetos podem ser modelados e/ou medidos para direcionar a onda 1002, a onda refletida 1004, e a onda lateral 1006, como mostrado na figura 10. Dos três trajetos, a onda lateral 1006 é tipicamente dominante no campo distante pelo fato de que a atenuação no ar é muito menor do que a atenuação no solo. Portanto, o padrão de irradiação da antena enterrada no solo deve ter um padrão de irradiação de modo que a onda lateral é maximizada. Como mostrado, a onda lateral 1006 ocorre quando a onda incidente está a um ângulo crítico 1008 (θc). O ângulo crítico 1008 representa o ângulo acima do qual não existe nenhuma refração.

[0083] O ângulo crítico 1008 é uma função da permissividade do solo, que é uma função de umidade do solo. Em consequência, o ângulo crítico 1008, (θc), varia com a mudança em umidade do solo. Em virtude do fato de que a permissividade relativa do solo é de dez para uma centena de vezes maior do que a do ar, o ângulo crítico 1008 é tipicamente menos do que 15 graus em todos os ajustes de umidade do solo.

[0084] Com base na análise acima, um padrão de irradiação desejado para a antena circular plana no subsolo 900 é unidirecional em direção da interface de solo-ar. A largura do feixe da antena 900 em geral cobre todos os ângulos críticos em diferentes valores de umidade do solo, que são tipicamente na faixa de 5 a 15 graus. Assim, as antenas planas têm desejáveis padrões de irradiação quando as mesmas são dispostas paralelas à interface de solo-ar.

[0085] A figura 11 é um exemplo de método 1100 para operar uma estrutura de antena no subsolo que irradia através de um meio de dissipação. Em suma, o processo 1100 determina as características de tempo real (tal como o nível de umidade) a partir de um meio de dissipação (tal como solo) e usa um ou mais sensores e/ou antenas de modo a garantir que a adequada funcionalidade de comunicação seja mantida. Em geral, o processo 1100 pode ser realizado pelo sensor, processador, controlador, ou sistema de computador capaz de analisar os meios e comunicar sem fio os resultados a outro sistema ou rede.

[0086] O processo 1100 pode iniciar com um ou mais sensores sem fio medindo (1102) os dados associados com um meio de dissipação que circunda uma pluralidade de sensores sem fio. A pluralidade de sensores sem fio é acoplada a uma estrutura de antena e pode coletar os dados medidos e transmitir os referidos dados a uma rede ou servidor, tal como a rede 104, e/ou o servidor 106. Em algumas implementações, a pluralidade de sensores sem fio pode coletar dados a partir de um número de profundidades dentro do meio de dissipação. Por exemplo, os sensores podem medir / coletar dados a partir de cerca de 0,1 metro abaixo da superfície do meio de dissipação até e incluindo cerca de 1,0 metro abaixo da superfície do meio de dissipação.

[0087] Em algum ponto, a permissividade (isto é, o teor de umidade ou outra característica) pode mudar. Em resposta a detectar um nível de limiar de mudança na permissividade do meio de dissipação, a antena pode manter (1104) um nível de perda de retorno particular. Ou seja, a antena projetada mantém baixa perda de retorno (por exemplo, menos do que -10 decibéis) na frequência de operação. Manter ou aprimorar esse nível de perda de retorno pode garantir que a comunicação sem fios ocorre de modo confiável e sem interrupção. Em um exemplo, o nível do limiar de mudança na permissividade do meio de dissipação pode ser caracterizado por um aumento ou redução de cinco por cento no nível de umidade do meio de dissipação. Em algumas implementações, a antena resulta em um aumento da distância de comunicação sem fio para comunicações entre a estrutura de antena de subsolo e um ou mais outras estruturas ou redes. Em algum momento, os sensores podem transmitir (ou serem agrupados para transmitir) (1106) uma ou mais mensagens sem fio correspondendo aos dados medidos a partir da pluralidade de sensores sem fio usando a antena de banda larga.

[0088] A figura 12 é um diagrama esquemático de um sistema de computação 1200. O sistema de computação genérico 1200 pode ser usado para as operações descritas em associação com qualquer um dos métodos implementados por computador ou sistemas descritos anteriormente, de acordo com uma implementação. O sistema de computação genérico 1200 inclui um processador 1210, uma memória 1220, um dispositivo de armazenamento 1230, e um dispositivo de entrada/saída 1240. Cada um de processador 1210, a memória 1220, o dispositivo de armazenamento 1230, e o dispositivo de entrada/saída 1240 é interconectado usando um barramento de sistema 1250. O processador 1210 é capaz de processar instruções para a execução dentro do sistema de computação genérico 1200. Em uma implementação, o processador 1210 é um processador de única segmentação. Em outra implementação, o processador 1210 é um processador de múltipla segmentação. O processador 1210 é capaz de processar instruções armazenadas na memória 1220 ou no dispositivo de armazenamento 1230 para exibir informação gráfica para uma interface de usuário no dispositivo de entrada/saída 1240.

[0089] A memória 1220 armazena informação dentro do sistema de computação genérico 1200. Em uma implementação, a memória 1220 é um meio capaz de ser lido por computador. Em uma implementação, a memória 1220 é uma unidade de memória volátil. Em outra implementação, a memória 1220 é uma unidade de memória não volátil.

[0090] O dispositivo de armazenamento 1230 é capaz de proporcionar armazenamento de massa para o sistema de computação genérico 1200. Em uma implementação, o dispositivo de armazenamento 1230 é um meio capaz de ser lido por computador. Em várias diferentes implementações, o dispositivo de armazenamento 1230 pode ser um dispositivo de disquete, um dispositivo de disco rígido, um dispositivo de disco ótico, ou um dispositivo de fita.

[0091] O dispositivo de entrada/saída 1240 proporciona operações de entrada/saída para o sistema de computação genérico 1200. Em uma implementação, o dispositivo de entrada/saída 1240 inclui um teclado e/ou um dispositivo de apontar. Em outra implementação, o dispositivo de entrada/saída 1240 inclui uma unidade de tela para exibir interfaces gráficas do usuário.

[0092] As características descritas podem ser implementadas em circuitos eletrônicos digitais, ou em hardware, firmware, software de computador, ou em combinações dos mesmos. O aparelho pode ser implementado em um produto de programa de computador tangivelmente incorporado em um veículo de informação, por exemplo, em um dispositivo de armazenamento capaz de ser lido por máquina ou em um sinal propagado, para execução pelo processador capaz de ser programado; e etapas do método podem ser realizadas pelo processador capaz de ser programado que executa um programa de instruções para realizar as funções das implementações descritas ao se operar nos dados informados e gerar informação. As características descritas podem ser implementadas de modo vantajoso em um ou mais programas de computador que são executáveis em um sistema capaz de ser programado incluindo pelo menos um processador capaz de ser programado acoplado para receber dados e instruções a partir de, e para transmitir dados e instruções a, um sistema de armazenamento de dados, pelo menos um dispositivo de entrada, e pelo menos um dispositivo de saída. Um programa de computador é um conjunto de instruções que pode ser usado, diretamente ou indiretamente, em um computador para realizar uma determinada atividade ou acarreta um determinado resultado. Um programa de computador pode ser escrito em qualquer forma de linguagem de programação, incluindo linguagens compiladas ou interpretadas, e o mesmo pode ser desenvolvido em qualquer forma, incluindo como um programa independente ou como um módulo, componente, subrotina, ou outra unidade adequada para uso em um ambiente de computação.

[0093] Processadores adequados para a execução de um programa de instruções incluem, apenas como exemplo, microprocessadores não só de objetivo geral, mas também de objetivo especial, e um único processador ou um de múltiplos processadores de qualquer tipo de computador. Em geral, um processador receberá instruções e dados a partir de uma memória de apenas leitura ou uma memória de acesso aleatório ou de ambas. Os elementos essenciais de um computador são um processador para executar as instruções e uma ou mais memórias para armazenar instruções e dados. Em geral, um computador também incluirá, ou será acoplado de modo operacional para se comunicar com um ou mais dispositivos de armazenamento de massa para armazenar arquivos de dados; os referidos dispositivos incluem discos magnéticos, tais como discos rígidos internos e discos removíveis; discos magneto-óticos; e discos óticos. Dispositivo de armazenamentos adequados para incorporar de modo tangível as instruções e dados do programa de computador e incluem todas as formas de memória não volátil, incluindo por meio de exemplo, dispositivos de memória semicondutores, tal como EPROM, EEPROM, e dispositivos de memória flash; dispositivos de memória e discos com base na nuvem, discos magnéticos tais como discos rígidos internos e discos removíveis; discos magneto-óticos; e discos CD-ROM e DVD-ROM. O processador e a memória podem ser suplementados por, ou incorporados em, ASICs (circuitos integrados específicos de aplicação).

[0094] Em algumas implementações, o sistema 1200 pode ser um sistema de comunicação que pode ser implementado em um ou mais sensores ou dispositivos moveis descritos acima. O sistema 1200 pode ser adaptado para se comunicar sem fio a e a partir de si mesmo. Por exemplo, o sistema 1200 recebe e transmite informação sem fio usando um transceptor (não mostrados), com os sinais recebidos sendo passados a um processador de sinal (não mostrados). O processador de sinal pode incluir circuitos de processamento de sinal digital (DSP) para processar os sinais recebidos.

[0095] Para proporcionar a interação com um usuário, as características podem ser implementadas em um computador tendo um dispositivo de tela tal como a CRT (tubo de raio catódico) ou LCD (tela de cristal líquido) monitor for exibir informação ao usuário e um teclado e um dispositivo de apontar tal como um mouse ou uma trackball pela qual o usuário pode proporcionar informação ao computador.

[0096] As características podem ser implementadas em um sistema de computador que inclui um componente de back-end, tal como um servidor de dados, ou que inclui um componente de middleware, tal como um servidor de aplicativo ou um servidor de Internet, ou que inclui um componente de front-end, tal como um computador de cliente tendo uma interface gráfica de usuário ou um browser de Internet, ou qualquer combinação dos mesmos. Os componentes do sistema podem ser conectados por qualquer forma ou meio de comunicação de dados digitais tal como uma rede de comunicação. Exemplos de redes de comunicação incluem, por exemplo, a LAN, a WAN, e os computadores e redes que formam a Internet.

[0097] O sistema de computador pode incluir clientes e servidores. Um cliente e servidor são em geral remotos um a partir do outro e tipicamente interagem através da rede, tal como o descrito. A relação do cliente e do servidor surge em virtude de programas de computador que rodam nos respectivos computadores e tendo uma relação de cliente-servidor um com o outro.

[0098] Um programa de computador (também conhecido como um programa, software, aplicativo de software, script, ou código) pode ser escrito em qualquer forma de linguagem de programação, incluindo linguagens compiladas ou interpretadas, ou linguagens declarativas ou processuais, e a mesma pode ser empregada em qualquer forma, incluindo como um programa independente ou como um módulo, componente, subrotina, ou outra unidade adequada para uso em um ambiente de computação. Um programa de computador não necessariamente corresponde a um arquivo em um sistema de arquivos. Um programa pode ser armazenado em uma porção de um arquivo que contém outros programas ou dados (por exemplo, um ou mais scripts armazenados em um documento de linguagem marcada), em um único arquivo dedicado ao programa em questão, ou em múltiplos arquivos coordenados (por exemplo, arquivos que armazenam um ou mais módulos, sub programas, ou porções de código). Um programa de computador pode ser desenvolvido para ser executado em um computador ou em múltiplos computadores que são localizados em um site ou distribuídos através de múltiplos sites e interconectados pela rede de comunicação.

[0099] Os processos e os fluxos de lógica descritos na presente especificação podem ser realizados por um ou mais processadores capazes de serem programados executando um ou mais programas de computador para realizar funções por operar nos dados informados e gerar informação. Os processos e os fluxos de lógica podem também ser realizados por, e os aparelhos podem também ser implementados como, circuitos lógicos de objetivo especial, por exemplo, um FPGA (estrutura de porta programável de campo) ou um ASIC (circuito integrado específico de aplicação).

[00100] Processadores adequados para a execução de um programa de computador incluem, por meio de exemplo, não só os microprocessadores de objetivo geral, mas também os de objetivo especial, e qualquer um ou mais processadores de qualquer tipo de computador digital. Em geral, um processador irá receber instruções e dados a partir de uma memória de apenas leitura ou de uma memória de acesso aleatório ou de ambas. Os elementos essenciais de um computador são um processador para realizar instruções e um ou mais dispositivos de memória para armazenar instruções e dados. Em geral, um computador também incluirá, ou será acoplado de modo operacional para receber dados a partir de ou transferir dados para, ou ambos, um ou mais dispositivos de armazenamento de massa para armazenar dados, por exemplo, discos magnéticos, discos magneto óticos, ou discos óticos. Entretanto, um computador não precisa ter os referidos dispositivos.

[00101] Para proporcionar a interação com um usuário, modalidades do assunto descrito na presente especificação podem ser implementadas em um computador tendo um dispositivo de tela, por exemplo, a CRT (tubo de raio catódico) ou LCD (tela de cristal líquido) monitor, para exibir informação ao usuário e um teclado e um dispositivo de apontar, por exemplo, um mouse ou uma trackball, pela qual o usuário pode proporcionar entrada para o computador. Outros tipos de dispositivos podem ser usados para proporcionar a interação com um usuário também; por exemplo, feedback proporcionado ao usuário pode ser qualquer forma de feedback sensório, por exemplo, feedback visual, feedback auditivo, ou feedback táctil; e a informação a partir de um usuário pode ser recebida em qualquer forma, incluindo informação acústica, de voz, ou táctil.

[00102] Embora a presente especificação contenha muitos detalhes específicos de implementação, os referidos podem não ser construídos como limitações do âmbito de qualquer invenção ou do que pode ser reivindicado, mas em vez disso as descrições das características que podem ser específicas das modalidades particulares de invenções particulares. Determinadas características que são descritas na presente especificação no contexto das modalidades separadas podem também ser implementadas em combinação em uma única modalidade. Por outro lado, várias características que são descritas no contexto de uma única modalidade podem também ser implementadas em múltiplas modalidades em separado ou em qualquer subcombinação adequada. Adicionalmente, embora características possam ser descritas acima como atuando em determinadas combinações e mesmo inicialmente reivindicadas como tal, uma ou mais características a partir de uma combinação reivindicada pode em alguns casos ser retirada a partir da combinação, e a combinação reivindicada pode ser direcionada a uma subcombinação ou variação de uma subcombinação.

[00103] De modo similar, embora as operações sejam ilustradas nos desenhos em uma ordem particular, isso não deve ser entendido como necessitando que as referidas operações sejam realizadas na rodem particular mostrada ou em ordem sequencial, ou que todas as operações ilustradas sejam realizadas, para alcançar os resultados desejáveis. Em determinadas circunstâncias, processamento de múltiplas tarefas e processamento paralelo podem ser vantajosos. Adicionalmente, a separação dos vários componentes do sistema nas modalidades descritas acima não deve ser entendida como necessitando da referida separação em todas as modalidades, e deve ser entendido que os componentes do programa e os sistemas descritos podem em geral ser integrados juntos com um único produto de software ou empacotado em múltiplos produtos de software.

[00104] Um número de modalidades da presente invenção foi descrito. No entanto, deve ser entendido que várias modificações podem ser produzidas sem se desviar do espírito e âmbito da presente invenção. Por exemplo, várias formas dos fluxos mostrados acima podem ser usadas, com etapas reordenadas, adicionadas ou removidas. Também, embora diversas aplicações de pesquisa e métodos para se obter resultados de pesquisa úteis tenham sido descritas, deve ser reconhecido que numerosas outras aplicações são contempladas. Assim sendo, outras modalidades estão dentro do âmbito das reivindicações a seguir.

Claims

1. Estrutura de antena (900) no subsolo para irradiar através de um meio de dissipação, a estrutura de antena (900) caracterizada pelo fato de que compreende: um substrato dielétrico (904); uma estrutura de alimentação disposta no substrato (904); e um ou mais condutores elétricos (902) dispostos no substrato (904), orientados, e enterrados dentro do meio de dissipação, os condutores elétricos (902) adaptados para irradiar sinais a uma frequência em um meio espaço adjacente ao meio de dissipação, a adaptação compreendendo um estado de largura de feixe para um ou mais dos condutores elétricos (902) com base pelo menos em parte na permissividade relativa do meio de dissipação.

2. Estrutura (900), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a estrutura de antena (900) compreende uma antena (200) de banda larga que mantém uma perda de retorno de menos do que cerca de menos 10 decibéis para a pluralidade de condições do solo.

3. Estrutura (900), de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que o diâmetro da antena (200) de banda larga é cerca de 100 milímetros.

4. Estrutura (900), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o estado de largura do feixe resulta em um aumento da distância de comunicação sem fio para comunicações entre a estrutura de antena (900) de subsolo e uma ou mais outras estruturas (900) ou redes (104).

5. Estrutura (900), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que os um ou mais condutores elétricos (902) são orientados em direção de e substancialmente paralelo a uma interface (206) entre um espaço livre e o meio de dissipação e o padrão de irradiação correspondente emitida pela estrutura de antena (900) de subsolo é unidirecional em direção da interface (206).

6. Estrutura (900), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que adicionalmente compreende circuitos adaptáveis para proporcionar a largura do feixe que acomoda um ângulo crítico de incidência a partir do solo para o ar em diferentes condições do solo.

7. Estrutura (900), de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que o ângulo crítico de incidência compreende um ângulo de operação crítico θc que é entre cerca de 5 graus e cerca de 15 graus, em que o ângulo de operação crítico valor θc é com base pelo menos em parte na permissividade do meio de dissipação, e em que o ângulo de operação crítico θc representa o ângulo acima do qual não existe refração para a estrutura de antena (900).

8. Estrutura (900), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o meio de dissipação compreende solo não homogêneo.

9. Estrutura (900), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a estrutura de antena (900) é enterrada no meio de dissipação em cerca de 0,1 metro até cerca de 1,0 metro.

10. Sistema sem fio (100) no subsolo para medir as condições em um meio de dissipação, caracterizado pelo fato de que compreende: um ou mais sensores de umidade sem fio (102), cada um incluindo uma placa de sensores, um processador (1210) dentro da placa de sensores, e um transceptor em comunicação com o processador (1210) e acoplado a uma antena (200); um portal de entrada configurado para receber e transmitir mensagens sem fio e adicionalmente configurado para se comunicar com a rede (104) e para receber e transmitir mensagens sem fio a partir dos um ou mais sensores de umidade sem fio (102); e em que cada um dos sensores de umidade sem fio (102) é configurado para (i) coletar dados sobre as condições do meio de dissipação a partir da pluralidade de sensores ao longo de um comprimento do meio de dissipação, e (ii) em resposta a detectar um nível de limiar de mudança na permissividade do meio de dissipação, manter um nível de limiar de perda de retorno.

11. Sistema (100), de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o nível de limiar de mudança na permissividade do meio de dissipação compreende um aumento ou redução no nível de umidade do meio de dissipação de cerca de 5 por cento e o nível de limiar de perda de retorno é menos do que cerca de menos 10 decibéis.

12. Sistema (100), de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que os um ou mais sensores de umidade sem fio (102) coletam dados a partir de pelo menos duas profundidades dentro do meio de dissipação.

13. Sistema (100), de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que as pelo menos duas profundidades compreendem cerca de 0,1 metro abaixo da superfície do meio de dissipação e cerca de 1,0 metro abaixo da superfície do meio de dissipação.

14. Sistema (100), de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o meio de dissipação é solo não homogêneo.

15. Método para operar uma estrutura de antena (900) no subsolo que irradia através de um meio de dissipação, o método caracterizado pelo fato de que compreende: medir (1102), usando a estrutura de antena (900) de subsolo, os dados associados com o meio de dissipação que circunda uma pluralidade de sensores sem fio, em que a pluralidade de sensores sem fio é acoplada à estrutura de antena (900); em resposta a detectar um nível de limiar de mudança na permissividade do meio de dissipação, manter (1104) um nível de limiar de perda de retorno, para a estrutura de antena (900), de menos do que cerca de menos 10 decibéis; e transmitir (1106) uma ou mais mensagens sem fio a partir da pluralidade de sensores sem fio usando a antena (200), as mensagens correspondendo aos dados medidos.

16. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o nível de limiar de mudança na permissividade do meio de dissipação compreende um aumento ou redução no nível de umidade do meio de dissipação de cerca de 5 por cento.

17. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de sensores sem fio coleta dados a partir de pelo menos duas profundidades dentro do meio de dissipação.

18. Método, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que as pelo menos duas profundidades compreendem cerca de 0,1 metro abaixo da superfície do meio de dissipação e cerca de 1,0 metro abaixo da superfície do meio de dissipação.

19. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o meio de dissipação é solo não homogêneo.