CN105871476B - 水平铺设天线的电磁无线透地通信系统 - Google Patents

水平铺设天线的电磁无线透地通信系统 Download PDF

Info

Publication number
CN105871476B
CN105871476B CN201610289420.5A CN201610289420A CN105871476B CN 105871476 B CN105871476 B CN 105871476B CN 201610289420 A CN201610289420 A CN 201610289420A CN 105871476 B CN105871476 B CN 105871476B
Authority
CN
China
Prior art keywords
signal
module
antenna
laid
level
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201610289420.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105871476A (zh
Inventor
薛伟
李北明
綦俊炜
安澄全
刘玉梅
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harbin Engineering University
Original Assignee
Harbin Engineering University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Harbin Engineering University filed Critical Harbin Engineering University
Priority to CN201610289420.5A priority Critical patent/CN105871476B/zh
Publication of CN105871476A publication Critical patent/CN105871476A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105871476B publication Critical patent/CN105871476B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B13/00—Transmission systems characterised by the medium used for transmission, not provided for in groups H04B3/00 - H04B11/00
    • H04B13/02—Transmission systems in which the medium consists of the earth or a large mass of water thereon, e.g. earth telegraphy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/50—Structural association of antennas with earthing switches, lead-in devices or lightning protectors
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B1/00—Details of transmission systems, not covered by a single one of groups H04B3/00 - H04B13/00; Details of transmission systems not characterised by the medium used for transmission
    • H04B1/38—Transceivers, i.e. devices in which transmitter and receiver form a structural unit and in which at least one part is used for functions of transmitting and receiving
    • H04B1/40—Circuits

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Transmitters (AREA)
  • Details Of Aerials (AREA)

Abstract

本发明属于无线透地通信技术领域，具体涉及一种水平铺设天线的电磁无线透地通信系统。该系统包括水平铺设天线单元1、信号发射单元2、信号接收单元3和数字调制解调单元4；水平铺设天线单元1，将信号发射单元2产生的调制功率电信号辐射到大地土层中，并将感应接收到的大地土层中微弱的电信号传送给信号接收单元3。与现有的天线接地系统相比，本发明能够在相同的通信性能情况下，使天线架设成本和施工量降低30％以上。同时有效提高了设备在高干扰信道环境中以高信噪比接收信息的能力。

Description

水平铺设天线的电磁无线透地通信系统
技术领域
本发明属于无线透地通信技术领域，具体涉及一种水平铺设天线的电磁无线透地通信系统。
背景技术
目前，矿井通信系统主要有动力线载波通信，中频感应通信，VHF漏泄通信，小区蜂窝移动通信，矿用小灵通无线通信和低频透地通信。传统通信系统利用专有的通信线路或已有的动力线以及使用无线信道等线路作为通信链路。
传统通信方式可以应对日常指挥调度、人员定位、矿井上下通信等需求，但在塌方条件下会造成有线通信线路断路通信中断的问题。高频无线信号在巷道转角处、巷道塌方和堵塞地区不能够有效穿透形成通信链路，这种情况下组网基站通路也容易被切断，因此传统的矿井通信系统不能满足应急情况下的通信要求。
基于电流场的低频电磁波透地通信系统，利用电偶极子天线产生低频电磁波信号能穿透大型障碍物的原理进行通信，该通信方式能够实现透地通信，但是由于各矿区地质土层的电学特性各不相同，导致电偶极子天线两端阻抗存在巨大差异，当两端阻抗过大时透地通信距离和通信质量都受到很大程度的制约。公开号为CN102594462A的名称为便携式无线透地通信系统的发明专利中公开了一种透底通信系统，但是该通信系统,该通信系统是对已发表的论文(Hunri J,Ebi C.Alpinc cave radio earth-current at Holloch[J].CREG Journal,1996,25:4-5.以及陶晋宜.穿透地层的矿井地下无线通信系统设计方案探析[J].太原理工大学学报,2015,31(1):39-42.)和基础电磁通信理论进行的通信系统的框架化，特别在天线应具备的具体设计指标和降低接地阻抗性能参数，以及应该具有发射接收模块的设计过程或思路方面。因此，公开号为CN102594462A的名称为便携式无线透地通信系统的发明专利，仅公开了一种透地通信系统的基本框架结构，同时，由于便携式无线透地通信系统中的天线无法实现电容抵消，存在阻抗存在感抗分量，导致功放端输出存在较大的无用功，限制了功放的功率输出，导致天线两端电压超过安全标准，同时天线阻抗随不同土质变化而变化，不同地区布设的天线阻抗是不同的，如果不进行阻抗匹配，则降低输出效率，严重情况下会导致功放设备烧坏。
同时，传统的降低电偶极子天线两端阻抗的做法是增加电偶极子天线电极的尺寸，或者通过建立垂直接地电极阵列。在煤矿布置透地通信系统天线为降低天线接地阻抗需要占用较大天线场地，而在采矿前沿可供使用的场地及其狭窄，难以有效降低天线接地阻抗。
发明内容
本发明的目的在于提出一种统应用于矿井应急及日常调度通信网络系统，解决现有矿井透地通信设备天线接地阻抗过大导致通信设备通信质量变差、通信功耗过大的问题的水平铺设天线的电磁无线透地通信系统。
本发明的目的是这样实现的：
该系统包括水平铺设天线单元1、信号发射单元2、信号接收单元3和数字调制解调单元4；
水平铺设天线单元1，将信号发射单元2产生的调制功率电信号辐射到大地土层中，并将感应接收到的大地土层中微弱的电信号传送给信号接收单元3；
水平铺设天线单元1由多根电偶极子天线棒101组成；电偶极子天线棒由不锈钢钢管构成，钢管内外表面光滑无毛刺；在钢管的一端牢固焊接多股粗铜线作为天线馈线，焊点平整并使用树脂材料绝缘密封，再用绝缘胶布密封钢管此端；把多股粗铜线按最短长度可靠连接在一点，从这一点连接粗铜线作为天线馈线，连接点处使用胶布密封绝缘，不要裸露馈线，制作成电偶极子天线棒一根101；其他电偶极子天线棒也采用相同方式制作；
水平铺设天线单元1在大地土层的上侧或下侧，通常水平铺设天线单元1由2-8根电偶极子天线棒组成，分两侧铺埋，一侧可由1-4根电偶极子天线棒并联组成，每根电偶极子天线棒埋设在一个长方形坑中，坑的尺寸比不锈钢钢管尺寸大；所有坑的位置在一条直线上一字排开，一侧相邻坑间隔适当距离，两侧间隔约适当距离；在坑中均匀铺埋较厚的降阻剂102，在倒入适量水把降阻剂调成粥状，放入一根电偶极子天线棒在粥状降阻剂中，在上面撒上适当厚的降阻剂，倒入适量的水，调成粥状覆盖电偶极子天线棒，上面在覆盖土层，并适度压实；天线馈线留在地面上，接头用绝缘胶布缠绕防止电流流失；一侧的多根电偶极子天线棒的天线馈线并联在一起，通过一根天线馈线连接到通路切换模块104上一端，另一端连接另一侧并联电偶极子天线棒组；使用LC阻抗分析仪测试通路切换模块104两点间的阻抗；
天线单元1接收信号通路切换模块104传送的电磁功率信号，并将电磁功率信号辐射到大地土层，以及感应大地土层中微弱的电流场信号，并将感应到的微弱的电信号传送至通路切换模块104；
阻抗匹配网络103，通过信号通路切换模块104将水平铺设的水平铺设天线单元两端的阻抗转换为与发射单元2相匹配的输出阻抗，同时消除水平铺设天线单元两端存在的电抗分量；
信号通路切换模块104连接水平铺设天线单元与阻抗匹配网络103和信号接收单元3，对信号发射单元2发送信号和信号接收单元3接收信号之间的通信电路切换；
信号发射单元2将接收数字调制解调单元4产生的已调电信号进行功率放大获得电磁功率信号；并将电磁功率信号传送至天线单元1；
信号接收单元3将天线单元1感应接收到的大地土层中的微弱电信号进行放大滤波，并将经放大和滤波后的信号传送到数字调制解调单元4；
数字调制解调单元4为人机交互接口，将输入的数字信息转换为调制信号，传送至信号发射单元2，以及将信号接收单元3传送的信号解调并转换为数字信息输出；数字信息包括文本信息、数字化的语音信息、指令信息、传感器监测信息和人员位置信息；
信号接收单元3包括巴伦选频回路301、微弱信号放大模块302、二级滤波模块303和自动增益模块304；
巴伦选频回路301抑制共模电信号，并将天线单元1感应的差分电信号转换为单端电压信号，滤除单端电压信号频带以外的无用噪声和干扰，将预处理信号传送到微弱信号放大模块302；
微弱信号放大模块302接收巴伦选频回路301输入的微弱电信号，并对接收的微弱电信号进行低噪声放大，直到接收的电信号的强度达到二级滤波模块303的处理电平范围以内将放大后的电信号发送至二级滤波模块303；
二级滤波模块303接收微弱信号放大模块302输入的电信号，并对接收到的电信号进行高Q值滤波，并将滤波后的信号输出至后端自动增益模块304；
自动增益模块304接收二级滤波模块303输入的滤波后的信号，并将滤波后信号的电平控制在固定的输出电平上，将固定电平信号输入到数字调制解调单元4进行信号解调；数字调制解调单元4包括中央运算及控制模块401、语音压缩编码模块402、波形成形及量化模块403和外部通信接口组404；
中央运算及控制模块401接收外部通信接口组404输入的数字信息，对数字信息进行调制，获得模拟电信号，并将模拟电信号输出给信号发射单元2；接收波形成形及量化模块403产生化的波形信号，并对接收的量化的波形信号进行解调，将解调后的信息输出到外部通信接口组404；
语音压缩编码模块402将输入的语音信号进行低速率压缩编码为数字信息并通过外部通信接口组404输出到中央运算及控制模块401，将解调的数字语音信息解码输出；
波形成形及量化模块403将中央运算及控制模块401产生的数字波形转换为模拟电信号并输出到信号发射单元2，同时将信号接收单元3输出的模拟信号进行量化并传送到中央运算及控制模块401进行解调处理；
外部通信接口组404连接中央运算及控制模块401与外部用户和设备接口，将文本信息、指令信息和人员位置信息传输到人机输入输出终端，将数字语音信息通过外部通信接口组404输出到语音压缩编码模块402。
所述的水平铺设天线单元的所有电偶极子天线棒都在一条直线上排布，根据布置天线场地大小、通信距离和功率确定使用电偶极子天线棒的数量，一侧使用1-4根，接收点信号场强电压：
σ是电导率，r是通信距离，d1是发射点的天线单元的平均距离，d2是接收点的天线单元的平均距离。
信号发射单元2包括低频功放模块201和电源功能模块202；
低频功放模块201将接收数字调制解调单元4产生的已调电信号进行功率放大获得电磁功率信号，并将电磁功率信号输出到阻抗匹配网络103；
电源功能模块202为低频功放模块201提供稳定功能电压，以及为信号接收单元3和数字调制解调单元4供电。
数字调制解调单元采用FPGA或者DSP微处理器件。
阻抗匹配网络采用变压器加可变容性元件实现。
铺设在电偶极子天线棒和土层之间使用降阻剂，增强水平铺设的电偶极子天线棒101与周围大地土层的接触，降低电偶极子天线棒101周围大地土层的电阻率和水平铺设电偶极子天线棒101两端的接地阻抗；选用的降阻剂由细石墨、膨润土、固化剂、润滑剂、导电水泥组成，在电偶极子天线棒101周围形成一个变化平缓的低电阻区域。
本发明的有益效果在于：
本发明应用于矿井应急及日常通信的水平铺设天线的电磁无线透地通信系统天线单元将发射单元的电磁功率信号辐射到地层中，实现信号的发送，信号发射单元将调制信号转换为电功率信号，并将电磁功率信号耦合到天线单元，信号接收单元通过放大解调天线单元感应的电信号实现信息的接收，数字调制解调单元将数字语音信息或者文本信息转换为调制信号波形以及解调接收到的信号并将其音频输出或者输出到显示设备。且本发明通过优化布置天线单元，采用降阻剂降低了天线接触大地土层的电阻率，解决了现有的无线透地通信系统负载阻抗大，功率损耗过大，续航能力弱，频带外功率信号泄露严重的问题。与现有的天线接地系统相比，本发明能够在相同的通信性能情况下，使天线架设成本和施工量降低30％以上。同时有效提高了设备在高干扰信道环境中以高信噪比接收信息的能力。
附图说明
图1为本发明所述的水平铺设天线的电磁无线透地通信系统框图；
图2为水平铺设天线单元结构框图；
图3为信号接收单元结构框图；
图4为数字调制解调单元结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明公开了一种水平铺设天线的电磁无线透地通信系统，涉及一种应用于矿井应急及日常通信的水平铺设天线的电磁无线透地通信系统，解决了现有矿井透地通信设备天线接地阻抗过大导致通信设备通信质量变差、通信功耗过大和天线较大、铺设困难复杂的问题。本发明所述的水平铺设天线单元将发射单元的电磁功率信号辐射到地层中，实现信号的发送，信号发射单元将已调制信号转换为电功率信号，并将电磁功率信号耦合到天线单元；信号接收单元通过水平铺设天线单元感应的电信号实现信息的接收，然后放大解调，数字调制解调单元将数字语音信息或者文本信息等数字信息转换为调制信号波形以及将接收到的信号解调输出音频或者输出到显示设备。本发明提高电磁无线透地通信距离和效果，便于天线铺设，减少施工量。本发明适用于应用于矿井应急及日常通信使用。
水平铺设天线的电磁无线透地通信系统，该系统包括水平铺设天线单元(1)、信号发射单元(2)、信号接收单元(3)和数字调制解调单元(4)；
水平铺设天线单元(1)，用于将信号发射单元(2)产生的调制功率电信号辐射到大地土层中，并将感应接收到的大地土层中微弱的电信号传送给信号接收单元(3)；
水平铺设天线单元(1)由多根电偶极子天线棒(101)组成；电偶极子天线棒由不锈钢钢管构成，钢管内外表面光滑无毛刺；在钢管的一端牢固焊接多股粗铜线作为天线馈线，焊点平整并使用树脂材料绝缘密封，再用绝缘胶布密封钢管此端，并把多股粗铜线按最短长度可靠连接在一点，从这一点连接粗铜线作为天线馈线，连接点等处使用胶布密封绝缘，不要裸露馈线，制作成电偶极子天线棒一根(101)；其他电偶极子天线棒也采用相同方式制作；
水平铺设天线单元(1)在大地土层的上侧或下侧，通常水平铺设天线单元(1)由2-8根电偶极子天线棒组成，分两侧铺埋，一侧可由1-4根电偶极子天线棒并联组成，每根电偶极子天线棒埋设在一个长方形坑中，坑的尺寸比不锈钢钢管尺寸稍大一些；所有坑的位置在一条直线上一字排开，一侧相邻坑间隔适当距离，两侧间隔约适当距离；首先在坑中均匀铺埋较厚的降阻剂(102)，在倒入适量水把降阻剂调成粥状，然后放入一根电偶极子天线棒在粥状降阻剂中，再在上面撒上适当厚的降阻剂，倒入适量的水，调成粥状覆盖电偶极子天线棒，上面在覆盖土层，并适度压实；天线馈线留在地面上，接头用绝缘胶布缠绕防止电流流失；一侧的多根电偶极子天线棒的天线馈线并联在一起，通过一根天线馈线连接到通路切换模块(104)上一端，另一端连接另一侧并联电偶极子天线棒组；使用LC阻抗分析仪测试通路切换模块(104)两点间的阻抗，作为后面计算匹配阻抗的依据；一般的水平铺设天线单元阻抗为10欧姆以内，阻抗过高则导致无用功率大量损耗，天线不能正常辐射电磁波；
天线单元(1)用于接收信号通路切换模块(104)传送的电磁功率信号，并将电磁功率信号辐射到大地土层，以及感应大地土层中微弱的电流场信号，并将感应到的微弱的电信号传送至通路切换模块(104)；
降阻剂(102)设置在电偶极子天线棒(101)的外侧，设置在铺设电偶极子天线棒(101)的大地土层的表面，用于增强水平铺设的电偶极子天线棒(101)与周围大地土层的接触，降低电偶极子天线棒(101)周围大地土层的电阻率和水平铺设电偶极子天线棒(101)两端的接地阻抗；阻抗匹配网络(103)，通过信号通路切换模块(104)将水平铺设的水平铺设天线单元两端的阻抗转换为与发射单元(2)相匹配的输出阻抗，同时消除水平铺设天线单元两端存在的电抗分量；
信号通路切换模块(104)用于连接水平铺设天线单元与阻抗匹配网络(103)和信号接收单元(3)，对信号发射单元(2)发送信号和信号接收单元(3)接收信号之间的通信电路切换；
信号发射单元(2)将接收数字调制解调单元(4)产生的已调电信号进行功率放大获得电磁功率信号；并将电磁功率信号传送至天线单元(1)；
信号接收单元(3)将天线单元(1)感应接收到的大地土层中的微弱电信号进行放大滤波，并将经放大和滤波后的信号传送到数字调制解调单元(4)；
数字调制解调单元(4)作为人机交互接口，将输入的数字信息转换为调制信号，传送至信号发射单元(2)，以及将信号接收单元(3)传送的信号解调并转换为数字信息输出；数字信息包括文本信息、数字化的语音信息、指令信息、传感器监测信息和人员位置信息；
信号接收单元(3)包括巴伦选频回路(301)、微弱信号放大模块(302)、二级滤波模块(303)和自动增益模块(304)；
巴伦选频回路(301)用于抑制共模电信号，并将天线单元(1)感应的差分电信号转换为单端电压信号，滤除单端电压信号频带以外的无用噪声和干扰，将预处理信号传送到微弱信号放大模块(302)；
微弱信号放大模块(302)用于接收巴伦选频回路(301)输入的微弱电信号，并对接收的微弱电信号进行低噪声放大，直到接收的电信号的强度达到二级滤波模块(303)的处理电平范围以内将放大后的电信号发送至二级滤波模块(303)；
二级滤波模块(303)用于接收微弱信号放大模块(302)输入的电信号，并对接收到的电信号进行高Q值滤波，并将滤波后的信号输出至后端自动增益模块(304)；
自动增益模块(304)用于接收二级滤波模块(303)输入的滤波后的信号，并将滤波后信号的电平控制在固定的输出电平上，防止产生寄生调制干扰，并将固定电平信号输入到数字调制解调单元(4)进行信号解调；数字调制解调单元(4)包括中央运算及控制模块(401)、语音压缩编码模块(402)、波形成形及量化模块(403)和外部通信接口组(404)；
中央运算及控制模块(401)用于接收外部通信接口组(404)输入的数字信息，对数字信息进行调制，获得模拟电信号，并将模拟电信号输出给信号发射单元(2)；接收波形成形及量化模块(403)产生化的波形信号，并对接收的量化的波形信号进行解调，将解调后的信息输出到外部通信接口组(404)；
语音压缩编码模块(402)用于将输入的语音信号进行低速率压缩编码为数字信息并通过外部通信接口组(404)输出到中央运算及控制模块(401)，以及将解调的数字语音信息解码输出；
波形成形及量化模块(403)用于将中央运算及控制模块(401)产生的数字波形转换为模拟电信号并输出到信号发射单元(2)，同时将信号接收单元(3)输出的模拟信号进行量化并传送到中央运算及控制模块(401)进行解调处理；
外部通信接口组(404)用于连接中央运算及控制模块(401)与外部用户和设备接口，将文本信息、指令信息和人员位置信息传输到人机输入输出终端，将数字语音信息通过外部通信接口组(404)输出到语音压缩编码模块(402)。
具体实施方式一、结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述的水平铺设天线的电磁无线透地通信系统，该系统包括水平铺设天线单元(1)、信号发射单元(2)、信号接收单元(3)和数字调制解调单元(4)；
水平铺设天线的电磁无线透地通信系统，其特征在于，该系统包括水平铺设天线单元(1)、信号发射单元(2)、信号接收单元(3)和数字调制解调单元(4)；
水平铺设天线单元(1)，用于将信号发射单元(2)产生的调制功率电信号辐射到大地土层中，并将感应接收到的大地土层中微弱的电信号传送给信号接收单元(3)；
水平铺设天线单元(1)由多根电偶极子天线棒(101)组成；电偶极子天线棒由不锈钢钢管构成，钢管内外表面光滑无毛刺；在钢管的一端牢固焊接多股粗铜线作为天线馈线，焊点平整并使用树脂材料绝缘密封，再用绝缘胶布密封钢管此端，并把多股粗铜线按最短长度可靠连接在一点，从这一点连接粗铜线作为天线馈线，连接点等处使用胶布密封绝缘，不要裸露馈线，制作成电偶极子天线棒一根(101)；其他电偶极子天线棒也采用相同方式制作；
水平铺设天线单元(1)在大地土层的上侧或下侧，通常水平铺设天线单元(1)由2-8根电偶极子天线棒组成，分两侧铺埋，一侧可由1-4根电偶极子天线棒并联组成，每根电偶极子天线棒埋设在一个长方形坑中，坑的尺寸比不锈钢钢管尺寸稍大一些；所有坑的位置在一条直线上一字排开，一侧相邻坑间隔适当距离，两侧间隔约适当距离；首先在坑中均匀铺埋较厚的降阻剂(102)，在倒入适量水把降阻剂调成粥状，然后放入一根电偶极子天线棒在粥状降阻剂中，再在上面撒上适当厚的降阻剂，倒入适量的水，调成粥状覆盖电偶极子天线棒，上面在覆盖土层，并适度压实；天线馈线留在地面上，接头用绝缘胶布缠绕防止电流流失；一侧的多根电偶极子天线棒的天线馈线并联在一起，通过一根天线馈线连接到通路切换模块(104)上一端，另一端连接另一侧并联电偶极子天线棒组；使用LC阻抗分析仪测试通路切换模块(104)两点间的阻抗，作为后面计算匹配阻抗的依据；一般的水平铺设天线单元阻抗为10欧姆以内，阻抗过高则导致无用功率大量损耗，天线不能正常辐射电磁波；
水平铺设天线单元(1)用于接收信号通路切换模块(104)传送的电磁功率信号，并将电磁功率信号辐射到大地土层，以及感应大地土层中微弱的电流场信号，并将感应到的微弱的电信号传送至通路切换模块(104)；
降阻剂(102)设置在电偶极子天线棒(101)的外侧，设置在铺设电偶极子天线棒(101)的大地土层的表面，用于增强水平铺设的电偶极子天线棒(101)与周围大地土层的接触，降低电偶极子天线棒(101)周围大地土层的电阻率和水平铺设电偶极子天线棒(101)两端的接地阻抗；阻抗匹配网络(103)，通过信号通路切换模块(104)将水平铺设的水平铺设天线单元两端的阻抗转换为与发射单元(2)相匹配的输出阻抗，同时消除水平铺设天线单元两端存在的电抗分量；
信号通路切换模块(104)用于连接水平铺设天线单元与阻抗匹配网络(103)和信号接收单元(3)，对信号发射单元(2)发送信号和信号接收单元(3)接收信号之间的通信电路切换；
信号发射单元(2)将接收数字调制解调单元(4)产生的已调电信号进行功率放大获得电磁功率信号；并将电磁功率信号传送至天线单元(1)；
信号接收单元(3)将天线单元(1)感应接收到的大地土层中的微弱电信号进行放大滤波，并将经放大和滤波后的信号传送到数字调制解调单元(4)；
数字调制解调单元(4)作为人机交互接口，将输入的数字信息转换为调制信号，传送至信号发射单元(2)，以及将信号接收单元(3)传送的信号解调并转换为数字信息输出；数字信息包括文本信息、数字化的语音信息、指令信息、传感器监测信息和人员位置信息；
信号接收单元(3)包括巴伦选频回路(301)、微弱信号放大模块(302)、二级滤波模块(303)和自动增益模块(304)；
巴伦选频回路(301)用于抑制共模电信号，并将天线单元(1)感应的差分电信号转换为单端电压信号，滤除单端电压信号频带以外的无用噪声和干扰，将预处理信号传送到微弱信号放大模块(302)；
微弱信号放大模块(302)用于接收巴伦选频回路(301)输入的微弱电信号，并对接收的微弱电信号进行低噪声放大，直到接收的电信号的强度达到二级滤波模块(303)的处理电平范围以内将放大后的电信号发送至二级滤波模块(303)；
二级滤波模块(303)用于接收微弱信号放大模块(302)输入的电信号，并对接收到的电信号进行高Q值滤波，并将滤波后的信号输出至后端自动增益模块(304)；
自动增益模块(304)用于接收二级滤波模块(303)输入的滤波后的信号，并将滤波后信号的电平控制在固定的输出电平上，防止产生寄生调制干扰，并将固定电平信号输入到数字调制解调单元(4)进行信号解调；数字调制解调单元(4)包括中央运算及控制模块(401)、语音压缩编码模块(402)、波形成形及量化模块(403)和外部通信接口组(404)；
中央运算及控制模块(401)用于接收外部通信接口组(404)输入的数字信息，对数字信息进行调制，获得模拟电信号，并将模拟电信号输出给信号发射单元(2)；接收波形成形及量化模块(403)产生化的波形信号，并对接收的量化的波形信号进行解调，将解调后的信息输出到外部通信接口组(404)；
语音压缩编码模块(402)用于将输入的语音信号进行低速率压缩编码为数字信息并通过外部通信接口组(404)输出到中央运算及控制模块(401)，以及将解调的数字语音信息解码输出；
波形成形及量化模块(403)用于将中央运算及控制模块(401)产生的数字波形转换为模拟电信号并输出到信号发射单元(2)，同时将信号接收单元(3)输出的模拟信号进行量化并传送到中央运算及控制模块(401)进行解调处理；
外部通信接口组(404)用于连接中央运算及控制模块(401)与外部用户和设备接口，将文本信息、指令信息和人员位置信息传输到人机输入输出终端，将数字语音信息通过外部通信接口组(404)输出到语音压缩编码模块(402)。
本实施方式所述的水平铺设天线的电磁无线透地通信系统的新型天线，其具有长效降低天线接地阻抗的能力使天线在高阻抗土壤地区仍旧能够将阻抗低到4欧姆以下，同时采用水平接地方式，有效降低了施工难度；本发明专利发明了容性抵消模块，抵消了天线端存在的感性分量；本发明使用语音压缩模块进行数字语音传输，用户更易操作；本发明在接收端采用巴伦平衡电路，完全抵消了天线两端的直流分量影响；同时本发明专利发明了应用于透地通信系统的多抽头阻抗匹配网络。
具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一所述的水平铺设天线的电磁无线透地通信系统的进一步说明，信号发射单元(2)包括低频功放模块(201)和电源功能模块(202)；
低频功放模块(201)将接收数字调制解调单元(4)产生的已调电信号进行功率放大获得电磁功率信号，并将电磁功率信号输出到阻抗匹配网络(103)；
电源功能模块(202)用于为低频功放模块(201)提供稳定功能电压，以及为信号接收单元(3)和数字调制解调单元(4)供电。
本实施方式所述的信号发射单元的低频功放模块采用新型大功率音频放大集成电路芯片的典型音频功放电路连接方式，该模块配备电路保护功能包括过压保护、过热保护、电流限制功能等；功率放大器电路接成D类功放电路形式，电源利用率高、输出功率大，能够连续输出50W的功率。由电源功能模块提供48V直流功率电源，功率输出至天线单元的阻抗匹配网络，电源功能模块具有两套供电模式，在正常调度、人员定位、相互通信的非紧急状态中使用电源接插头连接矿井中电源线供电，并为自备储能电池充电。在应急状态下电源线不能正常供电时，供电模块自动启动储能电池供电工作模式。信号通路切换模块在设备处于发射状态时建立阻抗匹配网络和水平铺设电偶极子天线棒的电路连接，将电功率信号耦合到水平铺设电偶极子天线棒；
水平铺设电偶极子天线棒和降阻剂共同组成天线辐射系统，降阻剂是高导电性高渗透性材料，能够有效填充大地土层中的缝隙增强天线与土壤的接触，进一步降低水平铺设电偶极子天线棒接地电阻，减小电磁功率信号在天线端的损耗，同时增强信号接收的稳定性；
信号通路切换模块在设备处于接收状态时建立信号接收单元和水平铺设电偶极子天线棒的电路连接，将天线感应到的微弱电磁信号耦合到接收单元的巴伦选频回路；
巴伦选频回路将平衡电路转换为不平衡电路，起到抑制共模干扰信号作用，并起简化放大电路的作用，同时滤除接收到微弱信号以外的噪声和干扰，起到选频和防止信号出现截止状态的作用；巴伦选频回路连接微弱信号放大模块；
微弱信号放大模块，使用超低噪声、低失真运放芯片将巴伦选频回路的微弱信号进行低噪声固定倍数放大40dB，使放大后的信号处于后端二级滤波模块可处理且不存在信号截止饱和的状态，并且为后级电路提供较强的带负载能力，放大后信号被二级滤波模块进行高Q滤波；
二级滤波模块采用多片具有可编程、可设置带通滤波器中心频率、可设置滤波器品质因数功能的专用滤波器芯片级联的设计方式。根据实际情况，通过板间配置电路来设置滤波器的中心频率以及品质因数，带通滤波器可以做到带宽最窄达到50Hz，品质因数可以高达64。滤波器芯片使用切比雪夫型滤波器以获取更加陡峭的滚降，更快的衰减。二级滤波模块将处理电信号输出至自动增益模块。
自动增益模块增加接收信号的动态范围：当输入信号过小时，自动增益模块增大放大器增益；当输入信号过大时，自动增益模块减小放大器的增益。通过自动控制的过程实现输出信号保持在最佳的输出电平，增加了信号接收单元的动态范围。本发明中系统的动态范围是0-60dB。电路输入信号在1mV～1V范围内变化时，输出信号稳定在6Vpp，并输出到与之相连的波形成型及量化模块。
波形成型及量化模块对输入信号进行12bit线性量化，将量化后信号输出到数字调制解调单元；数字调制解调单元依次完成载波同步、位同步、帧同步和纠错译码。将解码信息根据类型通过外部通信接口组输出到用户计算机并显示出用户文本信息、外部监测传感器监测信息和定位信息，同时将语音数据进行存储，等到接收到所有的语音信号后将语音数据输入到语音压缩编码中并进行语音解码操作和音频输出。
具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式一所述的水平铺设天线的电磁无线透地通信系统的进一步说明，数字调制解调单元采用FPGA实现。
本实施方式所述的水平铺设天线的电磁无线透地通信系统外扩连接SDRAM，并搭载NIOS软核，对输入的数字信息依次进行数据打包、纠错编码、数据调制和生成数字域的调制波形，以50bps发送语音数据，以25bps发送文本信息；并将数字域调制波形通过波形成型及量化模块转换为电平幅度为5V的PSK模拟波形，输出到与之相连的信号发射单元的低频功放模块。
具体实施方式四、本实施方式是对具体实施方式一所述的水平铺设天线的电磁无线透地通信系统的进一步说明，阻抗匹配网络采用变压器加可变容性元件实现。
阻抗匹配网络采用变压器加可变容性元件实现，其功能是实现负载阻抗与低频功放模块输出阻抗的匹配，同时消除电路中存在的电抗成分。阻抗匹配网络频率响应可以达到300Hz-25KHz。并具有多抽头，以适应不同矿井的不同接地阻抗。
本发明存在以下优点：1、发明天线基于传统电偶极子天线理论，并在此基础上通过添加环绕天线的半流体性质降阻材料，使天线阻抗能够降低到传统电器接地要求的低于4欧姆的水平；2、相对于其垂直的接地方式本发明天线采用水平依次串联排列的方式，有效的减少了安装人员在岩石基底的地面安装天线的工作量，方便施工；3、本发明在天线端和功放输出端存在多抽头阻抗匹配网络，实现不同的天线阻抗和功放输出阻抗的匹配，使电磁能量以最大功效输出；4、本发明设计了容性抵消电路，能够有效消除天线上存在的电抗分量，减少了功放设备上的无功功率；5、本发明的接收模块存在巴伦平衡电路，能够直接消除由于天线两端土壤电解质存在的酸碱差异造成的原电池现象，进而导致接收放大电路的失真失效情况；6、本发明沿用经典无线终端设计思路，在配有文本和压缩数字语音传输的基础上使用存储慢发技术，有效提高了设备在高干扰信道环境中以高信噪比接收信息的能力。
本发明虽按照具体实例设计通信系统天线、功放匹配网络、容性消除电路和巴伦平衡电路等，但意图并非局限于此。相关领域人员根据本发明进行修改获得新实例后，本发明权利要求书将包含属于本发明范围内的修改。

Claims (6)

1.水平铺设天线的电磁无线透地通信系统，其特征在于：该系统包括水平铺设天线单元(1)、信号发射单元(2)、信号接收单元(3)和数字调制解调单元(4)；
水平铺设天线单元(1)，将信号发射单元(2)产生的调制功率电信号辐射到大地土层中，并将感应接收到的大地土层中微弱的电信号传送给信号接收单元(3)；
水平铺设天线单元(1)由多根电偶极子天线棒(101)组成；电偶极子天线棒由不锈钢钢管构成，钢管内外表面光滑无毛刺；在钢管的一端牢固焊接多股粗铜线作为天线馈线，焊点平整并使用树脂材料绝缘密封，再用绝缘胶布密封钢管此端；把多股粗铜线按最短长度可靠连接在一点，从这一点连接粗铜线作为天线馈线，连接点处使用胶布密封绝缘，不要裸露馈线，制作成电偶极子天线棒一根(101)；其他电偶极子天线棒也采用相同方式制作；
水平铺设天线单元(1)在大地土层的上侧或下侧，水平铺设天线单元(1)由2-8根电偶极子天线棒组成，分两侧铺埋，一侧可由1-4根电偶极子天线棒并联组成，每根电偶极子天线棒埋设在一个长方形坑中，坑的尺寸比不锈钢钢管尺寸大；所有坑的位置在一条直线上一字排开，一侧相邻坑间隔适当距离，两侧间隔适当距离；在坑中均匀铺埋较厚的降阻剂(102)，在倒入适量水把降阻剂调成粥状，放入一根电偶极子天线棒在粥状降阻剂中，在上面撒上适当厚的降阻剂，倒入适量的水，调成粥状覆盖电偶极子天线棒，上面在覆盖土层，并适度压实；天线馈线留在地面上，接头用绝缘胶布缠绕防止电流流失；一侧的多根电偶极子天线棒的天线馈线并联在一起，通过一根天线馈线连接到通路切换模块(104)上一端，另一端连接另一侧并联电偶极子天线棒组；使用LC阻抗分析仪测试通路切换模块(104)两点间的阻抗；
天线单元(1)接收信号通路切换模块(104)传送的电磁功率信号，并将电磁功率信号辐射到大地土层，以及感应大地土层中微弱的电流场信号，并将感应到的微弱的电信号传送至通路切换模块(104)；
阻抗匹配网络(103)，通过信号通路切换模块(104)将水平铺设的水平铺设天线单元两端的阻抗转换为与发射单元(2)相匹配的输出阻抗，同时消除水平铺设天线单元两端存在的电抗分量；
信号通路切换模块(104)连接水平铺设天线单元与阻抗匹配网络(103)和信号接收单元(3)，对信号发射单元(2)发送信号和信号接收单元(3)接收信号之间的通信电路切换；
信号发射单元(2)将接收数字调制解调单元(4)产生的已调电信号进行功率放大获得电磁功率信号；并将电磁功率信号传送至天线单元(1)；
信号接收单元(3)将天线单元(1)感应接收到的大地土层中的微弱电信号进行放大滤波，并将经放大和滤波后的信号传送到数字调制解调单元(4)；
数字调制解调单元(4)为人机交互接口，将输入的数字信息转换为调制信号，传送至信号发射单元(2)，以及将信号接收单元(3)传送的信号解调并转换为数字信息输出；数字信息包括文本信息、数字化的语音信息、指令信息、传感器监测信息和人员位置信息；
信号接收单元(3)包括巴伦选频回路(301)、微弱信号放大模块(302)、二级滤波模块(303)和自动增益模块(304)；
巴伦选频回路(301)抑制共模电信号，并将天线单元(1)感应的差分电信号转换为单端电压信号，滤除单端电压信号频带以外的无用噪声和干扰，将预处理信号传送到微弱信号放大模块(302)；
微弱信号放大模块(302)接收巴伦选频回路(301)输入的微弱电信号，并对接收的微弱电信号进行低噪声放大，直到接收的电信号的强度达到二级滤波模块(303)的处理电平范围以内将放大后的电信号发送至二级滤波模块(303)；
二级滤波模块(303)接收微弱信号放大模块(302)输入的电信号，并对接收到的电信号进行高Q值滤波，并将滤波后的信号输出至后端自动增益模块(304)；
自动增益模块(304)接收二级滤波模块(303)输入的滤波后的信号，并将滤波后信号的电平控制在固定的输出电平上，将固定电平信号输入到数字调制解调单元(4)进行信号解调；数字调制解调单元(4)包括中央运算及控制模块(401)、语音压缩编码模块(402)、波形成形及量化模块(403)和外部通信接口组(404)；
中央运算及控制模块(401)接收外部通信接口组(404)输入的数字信息，对数字信息进行调制，获得模拟电信号，并将模拟电信号输出给信号发射单元(2)；接收波形成形及量化模块(403)产生化的波形信号，并对接收的量化的波形信号进行解调，将解调后的信息输出到外部通信接口组(404)；
语音压缩编码模块(402)将输入的语音信号进行低速率压缩编码为数字信息并通过外部通信接口组(404)输出到中央运算及控制模块(401)，将解调的数字语音信息解码输出；
波形成形及量化模块(403)将中央运算及控制模块(401)产生的数字波形转换为模拟电信号并输出到信号发射单元(2)，同时将信号接收单元(3)输出的模拟信号进行量化并传送到中央运算及控制模块(401)进行解调处理；
外部通信接口组(404)连接中央运算及控制模块(401)与外部用户和设备接口，将文本信息、指令信息和人员位置信息传输到人机输入输出终端，将数字语音信息通过外部通信接口组(404)输出到语音压缩编码模块(402)。
2.根据权利要求1所述的水平铺设天线的电磁无线透地通信系统，其特征在于：所述的水平铺设天线单元的所有电偶极子天线棒都在一条直线上排布，根据布置天线场地大小、通信距离和功率确定使用电偶极子天线棒的数量，一侧使用1-4根，接收点信号场强电压：
σ是电导率，r是通信距离，d1是发射点的天线单元的平均距离，d2是接收点的天线单元的平均距离。
3.根据权利要求1所述的水平铺设天线的电磁无线透地通信系统，其特征在于：信号发射单元(2)包括低频功放模块(201)和电源功能模块(202)；
低频功放模块(201)将接收数字调制解调单元(4)产生的已调电信号进行功率放大获得电磁功率信号，并将电磁功率信号输出到阻抗匹配网络(103)；
电源功能模块(202)为低频功放模块(201)提供稳定功能电压，以及为信号接收单元(3)和数字调制解调单元(4)供电。
4.根据权利要求1所述的水平铺设天线的电磁无线透地通信系统，其特征在于：数字调制解调单元采用FPGA或者DSP微处理器件。
5.根据权利要求1所述的水平铺设天线的电磁无线透地通信系统，其特征在于：阻抗匹配网络采用变压器加可变容性元件实现。
6.根据权利要求1所述的水平铺设天线的电磁无线透地通信系统，其特征在于，铺设在电偶极子天线棒和土层之间使用降阻剂，增强水平铺设的电偶极子天线棒(101)与周围大地土层的接触，降低电偶极子天线棒(101)周围大地土层的电阻率和水平铺设电偶极子天线棒(101)两端的接地阻抗；选用的降阻剂由细石墨、膨润土、固化剂、润滑剂、导电水泥组成，在电偶极子天线棒(101)周围形成一个变化平缓的低电阻区域。
CN201610289420.5A 2016-05-04 2016-05-04 水平铺设天线的电磁无线透地通信系统 Active CN105871476B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610289420.5A CN105871476B (zh) 2016-05-04 2016-05-04 水平铺设天线的电磁无线透地通信系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610289420.5A CN105871476B (zh) 2016-05-04 2016-05-04 水平铺设天线的电磁无线透地通信系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105871476A CN105871476A (zh) 2016-08-17
CN105871476B true CN105871476B (zh) 2019-01-15

Family

ID=56630212

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610289420.5A Active CN105871476B (zh) 2016-05-04 2016-05-04 水平铺设天线的电磁无线透地通信系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105871476B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108564959B (zh) * 2018-03-06 2020-11-06 湖南正申科技有限公司 一种甚低频透地通讯的无线传输分系统
CN113067605B (zh) * 2021-03-17 2022-03-15 苏州磁联信息科技有限公司 一种智能仓储管理用磁感应通信天线
CN115086938A (zh) * 2022-06-08 2022-09-20 伟卓石油科技(北京)有限公司 透地应急无线通信装置和系统
CN115529058A (zh) * 2022-06-16 2022-12-27 中煤科工集团西安研究院有限公司 一种矿用应急无线通信装置与通信方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102598551A (zh) * 2009-06-03 2012-07-18 马歇尔无线电遥测股份有限公司 用于透地通信的系统和方法
CN102594462A (zh) * 2010-09-29 2012-07-18 E-光谱技术公司 便携式无线透地通信系统
CN103095381A (zh) * 2013-01-22 2013-05-08 长沙五维地科勘察技术有限责任公司 地下生命呼叫系统
CN103283162A (zh) * 2010-07-16 2013-09-04 维拓警报通信公司 便携式透地无线电设备
CN103441803A (zh) * 2013-09-10 2013-12-11 北京科技大学 一种基于低功率电小天线的地下低频无线通信系统
CN103974461A (zh) * 2014-05-16 2014-08-06 哈尔滨工程大学 一种矿井应急及日常调度通信网络系统

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6583763B2 (en) * 1999-04-26 2003-06-24 Andrew Corporation Antenna structure and installation

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102598551A (zh) * 2009-06-03 2012-07-18 马歇尔无线电遥测股份有限公司 用于透地通信的系统和方法
CN103283162A (zh) * 2010-07-16 2013-09-04 维拓警报通信公司 便携式透地无线电设备
CN102594462A (zh) * 2010-09-29 2012-07-18 E-光谱技术公司 便携式无线透地通信系统
CN103095381A (zh) * 2013-01-22 2013-05-08 长沙五维地科勘察技术有限责任公司 地下生命呼叫系统
CN103441803A (zh) * 2013-09-10 2013-12-11 北京科技大学 一种基于低功率电小天线的地下低频无线通信系统
CN103974461A (zh) * 2014-05-16 2014-08-06 哈尔滨工程大学 一种矿井应急及日常调度通信网络系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN105871476A (zh) 2016-08-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105871476B (zh) 水平铺设天线的电磁无线透地通信系统
CN103974461B (zh) 一种矿井应急及日常调度通信网络系统
CN203733942U (zh) 一种用于北斗导航定位系统的双频双极化天线
CN204793200U (zh) 单极天线及电子设备
CN201219131Y (zh) 一种双扼流套筒天线
CN201947264U (zh) 物联网远程抄表系统用无线信号保障装置
CN204497364U (zh) 一种多输入多输出天线及终端
CN207338651U (zh) Gnss有源高增益低噪声天线
CN202535354U (zh) 电缆屏蔽层电力载波通信系统
CN201667638U (zh) 一种音频组合播放装置
CN211908789U (zh) 一种高效无线电发射对讲机
CN205232411U (zh) 一种天线耳机
CN205159483U (zh) 一种用于天线收发隔离的可调平行定向耦合器
CN204634050U (zh) 光信号接入式lte信号覆盖系统
CN209448011U (zh) 一种应用于存储服务器系统上的无线仲裁微带天线
CN203521632U (zh) 一种lte双极化壁挂天线
CN202261276U (zh) 电力线载波传输系统
CN206116605U (zh) 一种车载台多频段、高增益天线
CN107658998A (zh) 一种500kV线路无线电能传输取电装置
CN201549597U (zh) 移动通信基站天线
CN201499316U (zh) 一种射频信号室内直放装置
CN203327239U (zh) 智能快速组网系统
CN208522995U (zh) 一种基于5.8g天线可自组网的地网盒子
CN203984418U (zh) 一种短波功率放大器
CN203335133U (zh) 井下音频广播报警装置

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant