CN105098355B - 一种用于透地通信的自谐振式阵列天线及天线单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于透地通信的自谐振式阵列天线及天线单元，阵列天线包括至少两个天线单元，每个天线单元包括一个交流回路和一个激励回路；交流回路包括至少一匝导电体形成的线圈，以及导电体两端之间连接的电容模块；激励回路包括一个导电环，导电环具有一个开口端，开口端用于连接通信系统的发射或接收信号端口；一个天线单元中的交流回路与激励回路之间绝缘、磁场耦合设置；天线单元的激励回路的开口端串联、并联或串并联设置。本发明显著提高透地通信设备对微弱信号的接收，从而解决了透地通信传输距离短的问题。

Description

一种用于透地通信的自谐振式阵列天线及天线单元

技术领域

本发明涉及透地通信领域，特别是一种自谐振式阵列天线，以及作为这种阵列天线主要构成部分的天线单元。

背景技术

矿井灾害发生时，常规的有线通信系统通常会遭到毁坏，井下与地面通信中断直接导致困在井下的幸存者无法与地面人员或救护人员取得联络，给及时有效地组织救援带来很大困难。

矿井的地层主要是由沉积岩构成的多层状结构组成，各层分别属于不同的层系，每一层系都有若干的矿物层和围岩，使得无线信号在地层中的传输条件很复杂。然而大地信道又是相对稳定的，一般不受井下灾害事故的影响，透地通信被认为是最可靠的矿难救援的通信方式。大地不同于空气，会使电磁波有明显的衰减，频率越高衰减越严重。通常透地通信系统采用低频信号作为载波，尤其是1KHz到8KHz的载波频率为世界上主要的透地通信提供商所采用。

在导电媒质中传播低频信号时，通常采用磁场耦合的方式。天线常采用单匝或者多匝线圈，与系统的发射端或接收端直接相连，实现对信号的发射或接收。这样的线圈天线又可按照中心是否有铁氧体插入分为两类。在线圈中插入铁氧体，可以有效提高线圈中心的磁导率，但是强磁场中容易饱和，通常只用在接收天线中。由于大块的磁芯笨重且价格昂贵，在对接收天线尺寸没有限制的情况下，使用空心的面积较大的多匝线圈可以有更好的接收效果。

当前的透地通信系统普遍存在着一些突出问题，直接制约了其在我国矿产企业的应用。首要的问题是传输距离不够远。我国的矿产企业尤其是煤矿企业，开采深度普遍达到600～700米，更有不少矿井深度达到1000米。而世界上主要透地通信设备生产商比如美国的Lockheed Martin公司和加拿大VitalAlert公司的语音信号的透地传输距离仅在300米左右,远不能满足我国工矿企业对透地深度的实际需求。另外一个的问题是已有的透地通信产品对配电设备的干扰比较敏感。主要因为地下的通信设备发出的信号经过地层已经很微弱，极容易被周围的用电设备的电噪声淹没。此外还有地表天线长度达数百米，铺设麻烦等问题也限制了透地通信系统的广泛应用。目前，国内外各研究单位为了使透地通信达到更好的使用效果，纷纷把研究重点放在提高天线性能，从而提高系统的传输距离和抗干扰能力等方面。

随着我国的矿用透地通信系统的传输距离的要达到千米左右，传统的天线已经不能满足要求。传统的天线带宽较宽，对频带外的信号没有有效抑制，使得工作时信噪比很低，接收信号微弱的时候系统不能正常工作。同时，天线由于和系统相连，接收端或发射端的输入电阻直接加载到天线上，使得天线自谐振回路的Q值很低，天线的有效面积A_eff较小，不能将天线周围较大空间中的微弱信号聚集到天线附近实现接收，这使得已有的通信系统不能有效接收微弱信号。

因此，需要一种新的天线技术方案，有效抑制非工作频率的环境噪声，增强工作频率内有用信号的接收效果，解决远距离透地通信多年来没有解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于透地通信的自谐振式阵列天线及天线单元，用以解决的透地通信距离短的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

一种用于透地通信的自谐振式阵列天线，包括至少两个天线单元，每个天线单元包括一个交流回路和一个激励回路；交流回路包括至少一匝导电体形成的线圈，以及导电体两端之间连接的电容模块；激励回路包括一个导电环，导电环具有一个开口端，开口端用于连接通信系统的发射或接收信号端口；一个天线单元中的交流回路与激励回路之间绝缘、磁场耦合设置；各天线单元的线圈工作于对应的工作频率，各天线单元的激励回路的开口端串联、并联或串并联设置。

进一步的，所述激励回路间隔围设于交流回路外侧，或者交流回路间隔围设于激励回路外侧。

进一步的，所述导电体为导电条、导电带或导线。

进一步的，所述电容模块为一个单体电容，或者由若干单体电容串联、并联或串并联构成。

进一步的，所述单体电容为低损耗电容。

进一步的，所述各天线单元的工作频率小于10KHz。

本发明还提供了一种天线单元，包括一个交流回路和一个激励回路；交流回路包括至少一匝导电体形成的线圈，以及导电体两端之间连接的电容模块；激励回路包括一个导电环，导电环具有一个开口端，开口端用于连接通信系统的发射或接收信号端口；一个天线单元中的交流回路与激励回路之间绝缘、磁场耦合设置。

进一步的，所述激励回路间隔围设于交流回路外侧，或者交流回路间隔围设于激励回路外侧。

进一步的，所述导电体为导电条、导电带或导线。

本发明提出的新的天线单元，交流回路的线圈不直接与通信系统发射或接受端连接，从而使线圈具有较高的Q值，可以有效抑制工作频带外的噪声信号，同时相对于传统的接收或发射天线以同样几何外形尺寸达到传统天线方案的几倍至十几倍的天线有效面积(Antenna aperture)，显著提高透地通信设备对微弱信号的接收，从而解决了透地通信传输距离短的问题，使通信距离能够达到1000米以上。

本发明的新天线采用多个天线单元，形成阵列天线，可以有效提高通信速率。每个天线单元的线圈设置为工作在对应(相同或不同)频率的电容加载线圈，进而通过阵列结构，将各天线单元的工作频带有效组合起来，实现整个天线阵列系统具有更宽的带宽，显著提高通信系统的信道容量从而提高通信速率。采用这种阵列形式的自谐振天线系统能同时满足透地通信系统的透地距离和语音等多媒体通信的需求。

透地通信系统需要将天线工作频率控制在10KHz以下，从而使系统发射的电磁波的磁场能密度远大于电场能密度，实现低路径损耗的场通信状态。

附图说明

图1是自谐振式阵列天线实施例1的结构原理图；

图2是自谐振式阵列天线实施例1的通信主机示意图；

图3是另一种天线单元的结构原理图；

图4是自谐振式阵列天线实施例2的结构原理图；

图5是自谐振式阵列天线实施例2的通信主机示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

自谐振式阵列天线实施例1

如图1、图2所示，一种自谐振式阵列天线，包括第一、第二两个天线单元，每个天线单元由一个交流回路和一个激励回路构成。

对于第一天线单元，其交流回路为一个电容加载线圈105，线圈两端通过一个单体电容106连接。电容采用低损耗电容。线圈105为一匝带状(或条状)导体。激励回路107围设于线圈105外，形成一个导电环，该导电环的开口端101经导线连接至透地通信系统104的发射/接收端口103。

对于第二天线单元，其交流回路为一个电容加载线圈108，线圈两端通过一个单体电容109连接。电容采用低损耗电容。线圈108为一匝带状(或条状)导体。激励回路110围设于线圈108外，形成一个导电环，该导电环的开口端102经导线连接至透地通信系统104的发射/接收端口103。

如图2，端口101、102串联，串联后与通信系统104的发射/接收信号端口103相连。

通过调节激励回路与电容加载线圈的间隔(即线圈与激励回路之间的距离)，实现端口101、102处的输入阻抗与透地通信系统104的发射/接收端口103相匹配。由于带状的导线有较大的横截面，因而相对于细导线有更小的电阻，有利于提高电容加载线圈的Q值。本实施例中，激励回路间隔围设于电容加载线圈外侧，作为其他实施方式，如图3，电容加载线圈围设于激励回路外侧。

本实施例中，电容加载线圈105、108和激励回路107、110均为矩形，作为其他实施方式，也可以为其他形状，如圆形、多边形等等。电容加载线圈可以穿设磁芯。

每个天线单元中，电容加载线圈与激励回路可以共面设置，也可以不在同一平面上设置。

本实施例中，电容加载线圈两端之间的电容为单体电容，也可以是由若干单体电容串联、并联，甚至串并联构成的电容模块。

激励回路通过导线与通信系统的发射/接收端直接相连而形成回路，激励回路与电容加载线圈靠近、绝缘、通过磁场耦合，实现通信系统发射端或接收端与电容加载线圈之间的信号功率传递。

由于单个电容加载线圈的工作带宽较窄，因此单个天线单元(或者工作频率相同的多个天线单元)构成的天线只适用于通信速率较慢的窄带通信系统。考虑到Q值越高的电容加载线圈会有效增大天线的有效面积，有利于增强天线对微弱信号的接收，但是同时会带来更小的频带宽度降低通信信道容量从而降低通信速率。使用单天线的透地通信系统，需要选择适当Q值的电容加载线圈，对通信距离和通信速率进行折中，形成远距离的语音等多媒体通信的技术瓶颈。为了解决这一问题，可以采用阵列天线技术，展宽天线的带宽。例如，本实施例中，采用了两个天线单元，两个天线单元的电容加载线圈设置为不同频率，每个电容加载线圈的工作频率在10KHz以下，以保障透地通信需求；通过磁场与一条或者多条与通信系统收发端相连的激励回路耦合，实现宽带信号的接收或发射。

自谐振式阵列天线实施例2

如图4、5所示的阵列天线，包括三个天线单元，每个天线单元均包括一个交流回路和一个激励回路。三个天线单元的位置和排布方式可以参照现有的天线阵列技术，在此不再赘述。

如图4，对于第一天线单元，交流回路包括电容加载线圈206和连接线圈两端的单体电容207，激励回路208间隔围设于线圈206内侧。对于第二天线单元，交流回路包括电容加载线圈209和连接线圈两端的单体电容210，激励回路为211间隔围设于线圈209内侧。对于第三天线单元，交流回路包括电容加载线圈212和连接线圈两端的单体电容213，激励回路214间隔围设于线圈212内侧。对于每个天线单元，激励回路被间隔围设于电容加载线圈内，实现激励回路与电容加载线圈靠近、绝缘、通过磁场耦合。通过调节激励回路与电容加载线圈的间隔，实现天线的输入阻抗与透地通信系统的发射或接收端口相匹配。

激励回路形成导电环，三个激励回路的导电环分别具有开口端201、202、203。如图5，三个激励回路的开口端并联，并联后与通信系统205的发射/接收信号端口204相连。

本实施例中，电容加载线圈采用多匝导线。三个电容加载线圈工作频率不相同，比如三个线圈采用不同几何尺寸的线圈或不同容量的加载电容。由于各电容加载线圈具有不相同的谐振中心频率，通过将激励回路并联，实现整个天线阵列系统具有相对于只有一个单一工作频率的电容加载线圈具有更宽的带宽，显著提高通信系统的信道容量从而提高通信速率。由于宽的带宽和高的Q值是一对矛盾，不可能在单一的自谐振电容加载线圈上实现。为了具备语音等多媒体通信功能，因而有一定的通信频率带宽的要求，只有采用这种阵列形式的自谐振天线才能同时满足透地通信系统的透地距离和语音等多媒体通信带宽的需求。

天线单元实施例

天线单元的一种实施方式如图3所示。

由于在以上两个实施例中，已经详细介绍了天线单元，故在此不再赘述。

从以上给出的具体实施例可以看出，本发明要求保护的技术方案中，天线单元是基本方案；电容加载线圈所采用的导体形状、匝数都可以任意选取。激励回路的端子可以是串联、并联或串并联结构。电容加载线圈可以围设于激励回路内侧，也可以围设于其外侧，目的是实现电容加载线圈与激励回路之间的绝缘、磁场耦合，为了实现该目的，也可以其他的现有技术中的具体结构。

因此，本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于透地通信的自谐振式阵列天线，其特征在于，包括至少两个天线单元，每个天线单元包括一个交流回路和一个激励回路；

交流回路包括至少一匝导电体形成的线圈，以及导电体两端之间连接的电容模块；激励回路包括一个导电环，导电环具有一个开口端，开口端用于连接通信系统的发射或接收信号端口；一个天线单元中的交流回路与激励回路之间绝缘、磁场耦合设置；

各天线单元的线圈工作于对应的工作频率，各天线单元的激励回路的开口端串联、并联或串并联设置；

所述激励回路间隔围设于交流回路外侧，或者交流回路间隔围设于激励回路外侧；

交流回路线圈不直接与通信系统发射或接收端连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于透地通信的自谐振式阵列天线，其特征在于，所述导电体为导电条、导电带或导线。

3.根据权利要求1-2任一项所述的一种用于透地通信的自谐振式阵列天线，其特征在于，所述电容模块为一个单体电容，或者由若干单体电容串联、并联或串并联构成。

4.根据权利要求3所述的一种用于透地通信的自谐振式阵列天线，其特征在于，所述单体电容为低损耗电容。

5.根据权利要求1-2任一项所述的一种用于透地通信的自谐振式阵列天线，所述各天线单元的工作频率小于10KHz。

6.一种天线单元，其特征在于，包括一个交流回路和一个激励回路；

交流回路包括至少一匝导电体形成的线圈，以及导电体两端之间连接的电容模块；激励回路包括一个导电环，导电环具有一个开口端，开口端用于连接通信系统的发射或接收信号端口；一个天线单元中的交流回路与激励回路之间绝缘、磁场耦合设置；

所述激励回路间隔围设于交流回路外侧，或者交流回路间隔围设于激励回路外侧；

交流回路线圈不直接与通信系统发射或接收端连接。

7.根据权利要求6所述的一种天线单元，其特征在于，所述导电体为导电条、导电带或导线。