CN106887668A - 无线地下系统 - Google Patents

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CN106887668A CN201611203032.7A CN201611203032A CN106887668A CN 106887668 A CN106887668 A CN 106887668A CN 201611203032 A CN201611203032 A CN 201611203032A CN 106887668 A CN106887668 A CN 106887668A
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董欣
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Abstract

公开了用于辐射经过耗散介质的地下天线结构的系统和方法，以及该天线结构。该天线结构包括电介质基板，布置在基板上的馈送结构，以及一个或多个电导体。一个或多个电导体被布置在基板上、被定向并被埋在耗散介质中。电导体还适配于以与耗散介质相邻的半空间中的频率辐射信号。该适配包括对于一个或多个电导体至少部分地基于耗散介质的相对电容率的波束宽度状态。

Description

无线地下系统
本申请是申请号为201380043937.0(国际申请号为PCT/US2013/051102)的申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2012年7月20日提出的题目为无线地下通信的天线的美国申请序列号No.61/673,757的优先权，该申请的公开通过引用并入于此。
技术领域
本公开涉及无线天线，并且更具体地涉及无线地下传感器网络(WUSN)的地下天线的特性。
背景技术
无线地下传感器网络(WUSN)是无线传感器网络(WSN)对地下设备的自然扩张。WUSN通常包括埋在土壤中的传感器微尘，并且例如能够提供精细农业、环境监控和虚拟围栏方面的应用。在地下设备中建立无线通信链路可能是有挑战性的。可能会增加挑战性的示例因素包括土壤的高电容率、土壤空气界面特性和特定的实时土壤状况。
发明内容
公开了用于辐射经过耗散介质的地下天线结构的系统和方法。另外，公开了用于测量诸如土壤的耗散介质中的状况的系统和方法。在图3-8中示出了经验评估，从而示出考虑土壤中的波长改变和从土壤空气界面的反射两者而设计的天线能够适应土壤湿度的主要改变，并且与仅基于土壤中的波长改变而设计的天线相比，能够改善通信距离达到587％。作为示例，在本文献中描述的具体宽带天线的选择或设计能 够导致在天线和一个或多个其他结构或网络之间发生的通信的通信距离增加。
在一种实施方式中，公开了一种用于辐射经过耗散介质的地下天线结构。所述天线结构包括电介质基板，布置在基板上的馈送结构，以及配置在基板上、被定向并被埋在耗散介质中的一个或多个电导体。在一些实施方式中，电导体适配于以与耗散介质相邻的半空间中的频率辐射信号。这样的适配例如可以包括至少部分地基于耗散介质的相对电容率(例如含水量)而为一个或多个电导体设计波束宽度状态。在一些实施方式中，天线结构是对于多种土壤状况维持小于大约负10分贝的回波损耗的宽带天线。在一个示例中，宽带天线具有大约100毫米的直径，并且天线被埋在非均质土壤中。
在一些实施方式中，一个或多个电导体被定向为朝向并且大致平行于自由空间与耗散介质之间的界面，并且由地下天线结构发射的相应辐射图案朝向界面是单向性的。在一些示例中，天线结构被埋在耗散介质中大约0.1米直到大约1.0米处。
在一些实施方式中，天线结构包括能够适配于提供适应不同土壤状况下从土壤到空气的临界入射角度的波束宽度的电路。在天线结构的一些方面，该波束宽度状态导致对于地下天线结构与一个或多个其他结构或网络之间的通信的无线通信距离增加。临界入射角度可以是大约5度与大约15度之间的临界操作角度θc，其中临界操作角度θc值至少部分地基于耗散介质的电容率。在一些示例中，临界操作角度θc表示超过该角度对于天线结构不存在折射的角度。
在另一个实施方式中，公开了用于测量耗散介质中的状况的无线地下系统。系统包括一个或多个无线湿度传感器，每一个无线湿度传感器包括传感器板、在传感器板内的处理器和与处理器通信并耦接至天线的收发器。系统还包括网关，其被配置为接收并发送无线消息， 并且进一步被配置为与网络通信，并且接收和中继来自一个或多个无线湿度传感器的无线消息。在一些实施方式中，每个无线湿度传感器被配置为(i)从沿着耗散介质的长度的多个传感器收集关于耗散介质的状况的数据，并且(ii)响应于检测到耗散介质的电容率的改变的阈值水平，维持回波损耗的阈值水平。
在一些实施方式中，耗散介质的电容率的改变的阈值水平包括耗散介质的湿度水平的大约百分之五的增加或减少，并且回波损耗的阈值水平小于大约负10分贝。
在一些方面，一个或多个无线湿度传感器能够收集来自耗散介质内的至少两个深度的数据。示例的深度可以包括在耗散介质(例如土壤)的表面下面大约0.1米和在耗散介质(例如土壤)的表面下面大约1.0米。
在另一个实施方式中，公开了用于操作辐射经过耗散介质的地下天线结构的方法。方法包括使用地下天线结构测量与多个无线传感器周围的耗散介质相关联的数据，其中多个无线传感器耦接至天线结构。方法还包括响应于检测到耗散介质的电容率的改变的阈值水平，而对于天线结构维持回波损耗的阈值水平小于大约负10分贝。示例的耗散介质的电容率的改变的阈值水平可以包括耗散介质的湿度水平的大约百分之五的增加或减少。方法还包括使用天线发送来自多个无线传感器的一个或多个无线消息。消息可以与测量的数据相对应。
有利地，所描述的系统和技术可以提供一个或多个益处，诸如基于确定实时土壤特性而能够从无线地下传感器网络收集的信息增加。作为另一个优点，在地下通信中使用宽带天线提供了被设计为补偿土壤中的简单波长改变的天线的显著的距离增加。
在附图和下面的说明书中阐述一个或多个实施方式的细节。根据 说明书和附图以及权利要求，本发明的其他特征、目的和优点将会显而易见。
附图说明
图1是用于测量土壤特性并提供贯穿无线地下传感器网络(WUSN)的地下通信的系统的概念图。
图2A-2B是示出地下天线的示例分析的概念图。
图3A-3C图示了在空气和土壤中的偶极子天线的回波损耗的示例理论分析。
图4A-4B图示了在空气和土壤中的偶极子天线的示例仿真。
图5A-5F图示了对于不同天线类型测量的回波损耗。
图6A-6B图示了对于放置在不同介质中的多个不同天线的谐振频率偏移。
图7A-7D图示了对于被埋在30厘米深度的多个天线的测量的回波损耗。
图8图示了对于不同土壤湿度中的不同天线的多个频带。
图9是用于无线地下传感器网络的圆形平面天线的示例图。
图10图示了表面下的地下通信的三条路径的示例。
图11是用于操作辐射经过耗散介质的地下天线结构的示例方法。
图12是可以用于实施在本文献中描述的系统和方法的计算设备的方块图。
在不同附图中的相同附图标记指示相同元素。
具体实施方式
在无线地下传感器网络(WUSN)中使用的天线可以被埋在土壤、水或岩床中。埋设天线去除了在传统通信情况下发生的天线波传播所共有的露天方面。该露天传播特性的去除通常引入了关于天线阻抗匹配的一个或多个问题，这反过来在WUSN中的一个或多个天线之间引入了许多通信问题。
使用电磁信号(即电磁波)的无线通信通常当波被发送经过诸如土壤或岩石的损耗介质时涉及高水平的信号衰减。在一个示例中，高水平的信号衰减可以是由于信号在介质中的吸收。影响可能包括极度的信号损耗，由于土壤的非均质性而导致的多径效应，由于电气接地电流而导致的噪声，和/或在降雨之后由于潮湿土壤而导致的延长的中断周期。
当传播经过土壤或岩石时的信号损耗量取决于材料的性质。例如，土壤中过多的水的存在可能产生大量的衰减，这通常随着土壤的含水量增加而增加。在一些实施方式中，水对信号的影响取决于在无线通信中使用的频率。通常，当传播经过土地时，低频将会经历较小的衰减。能够影响传播经过土地的电磁信号的衰减的其他土壤因素可以包括例如土壤密度、土壤微粒尺寸和/或土壤温度。
图1是用于测量土壤特性并提供贯穿无线地下传感器网络(WUSN)102的地下和地上通信的系统100的概念图。在高层处，系统100包括传感器网络102中的多个传感器，其用于测量环境特性。传感器可以表示无线通信网络，在其中诸如传感器数据、操作数据、命令和/或环境数据的消息能够在传感器与诸如网络102或104的一个或多个网络之间无线地通信，从而到达诸如服务器106的服务器。在一些实施方式中，服务器106(或者经由网络104连接的其他设备)能够将信息和消息导至WUSN 102中的一个或多个传感器。对于每个无线传感器的通信能力可以取决于许多环境因素。因此，能够使用天线设计技术设计电路以确保土壤特性和/或环境因素中的改变不会影响传感器的通信能力。
通常，WUSN 102中的传感器可以以特定的排列或间隔被埋设。在一个示例中，传感器可以被均匀地间隔开并且埋在相同深度，从而在相同深度以均匀增量建立土壤测量。例如，这能够帮助了解对农田的灌溉需求。在一些实施方式中，能够基于来自测量所需的具体信息 而以变化的深度和变化的间隔来间隔开传感器。每个传感器能够包括传感器板，传感器板内的处理器，以及与处理器通信并且耦接至天线的收发器。
在一些实施方式中，传感器可以是无线湿度传感器，其被配置为收集关于耗散介质(例如土壤)的状况的数据。例如，传感器能够检测土壤中的改变，诸如土壤的湿度的改变的阈值水平。
传感器能够经由配置为接收和发送无线消息的无线网关而被连接。该网关还可以配置为与一个或多个网络通信，并且接收并中继来自多个无线湿度传感器的无线消息。
在地下通信中，存在能够用于确定天线的阻抗的许多因素。这样的因素可以包括但不限于土壤中的波长，从土壤-空气界面的反射，以及土壤湿度的改变。在下面的示例中，天线能够被表示为Za，并且收发器可以被表示为Zs。为了有效的无线通信，示例天线Za的阻抗通常与示例收发器Zs的输出阻抗匹配，从而使得辐射功率最大化并且返回收发器的功率最小化。
在操作中，地下天线的阻抗是波长的函数，当电磁波在土壤中传播时波长会变短。因此，对于给定的频率，在空气中的匹配天线当被埋在土壤中时很可能不再匹配。另外，在用于农业的WUSN应用中使用的地下天线通常包括多个传感器微尘，每一个具有一个或多个天线(例如一个或多个天线和/或天线阵列)。这些传感器微尘通常被埋在0.3-1米的深度。在该埋设深度，从土壤-空气界面的反射可能会干扰天线上的电流分布，这可能会进一步改变天线的理想阻抗。因此，土壤不能被视为无限介质。因此，在本说明书中描述的示例和技术采用半空间模型。因此，在均质土壤介质中匹配的天线可能在该半空间情况下不匹配。土壤的另一种独特特性是它的电容率随着土壤湿度的变化而改变。因此，地下天线可以被设计为在WUSN的寿命中适应由 土壤湿度的变化而导致的阻抗改变。在下面描述阻抗匹配、土壤电容率分析、埋设的天线仿真和天线设计以适应土壤特性的示例。
如本文献中所使用的半空间模型的使用包括被一个平面划分的两种媒介(例如土壤和空气)。
土壤的相对电容率
当电磁波被入射到土壤中时，由于土壤与空气相比的较高的电容率，波长会改变。土壤电容率取决于多个土壤性质，仅举几个示例，诸如容重、土壤质地、土壤湿度(体积含水量)、盐度和温度。几个模型可以被用于获取相对电容率的特性。这些模型描述土壤-水混合物的不同成分，即土壤、空气、自由水和束缚水的相对电容率。在下面的示例中，对于土壤使用半经验电容率模型，但是也可以用其他模型替代。因此，土壤-水混合物的有效电容率是一个复数，其可以被建模为：
∈s＝∈′s-∈″s (1)
其中f是赫兹频率，∈s是土壤-水混合物的相对复数介电常数，mv是体积含水量，ρb是容重，以及ρs是颗粒密度，并且δ、v′和v″是经验确定的土壤类型依赖性常数，由下式给定：
δ＝0.65 (4)
v′＝1.2748–0.519S–0.152C (5)
v″＝1.33797–0.603S–0.166C (6)
其中S和C分别表示沙和粘土的质量分数。公式(2)和(3)中的；量∈′fω和∈″fω表示自由水的相对电容率的实部和虚部，并且从德拜模型计算而获得：
其中∈ω∞＝4.9是当f→∞时∈′fω的极限，∈ω0是水的静态介电常数，并且∈0是自由空间的电容率。τω和∈ω0的表达式是作为温度的函数给出。在室温(20摄氏度)下，2πτω＝0.58x10-10s并且∈ω0＝80.1。根据土壤的质地性质，在(8)中的有效电导率δeff由下式给定：
均质土壤中的偶极子天线的阻抗
为了对埋设的天线的阻抗和回波损耗建模，我们首先考虑均质土壤中的天线。在这样的示例设置中，能够获取土壤性质对于阻抗的影响。在该示例中计算的结果可以被用作用于分析天线被埋设为接近表面的实际土壤环境的基础。
由于土壤的高电容率∈s，土壤中的波数以及因此的波长与在空气中的不同。通过采用土壤电容率的半经验模型，土壤的波数ks可以被计算为：
其中f表示波的频率，μ0和∈0分别是空气中的磁导率和电容率，并且∈s表示在公式(1)中定义的土壤的相对电容率。则，土壤中的波长λs和空 气中的波长λ0的比为：
在公式(10)和(11)中已经示出了由于土壤的相对电容率∈s，对于给定频率f，土壤中的波长与空气中的不同。因此，对于被设计以用于特定波长的天线，土壤中的谐振频率与空气中的谐振频率不同。此外，土壤的相对电容率由于体积含水量mv而改变，这改变了电磁波的波长。
任意天线的阻抗的封型表示不容易获得，并且因此在下面的示例中提供了对于偶极子天线的阻抗的近似值。在下面将参考图5A-5F描述其它类型天线的分析。
通过采用感应电动势的方法，小于一半波长长度的偶极子的输入阻抗可以近似为：
其中
f1(βl)＝-0.4787+7.3246βl+0.3963(βl)2+15.6131(βl)3 (13)
f2(βl)＝-0.4456+17.0082βl-8.6793(βl)2+9.6031(βl)3 (14)
β表示公式(10)中的波数的实部，d表示偶极子的直径，并且l表示偶极子的长度的一半。采用公式(10)和(11)，βl被表示为：
由于土壤的电容率∈s依赖于频率，所以βl不是1/λ0的线性函数。因此，当天线从空气移动至土壤时，谐振频率根据公式(10)和(11)改变，并且在谐振频率下的天线阻抗值也随着土壤性质而变化。
半空间中的埋设的天线的阻抗
图2A-2B是示出地下天线200的示例分析的概念图。上面的分析获取了土壤性质的影响。然而，在对于WUSN的实际部署中，传感器微尘被埋在(0.3-1.0)米的表面下深度，如图2A中的(h)202所示。在这些深度，由于土壤-空气界面的影响，环境不能被建模为均质土壤。代替地，环境可以被建模为半空间，从而获取从土壤-空气界面反射的波对于天线的阻抗和回波损耗的影响。
如图2A所示，当埋设天线200被激活时，沿着天线200产生电流分布204。所产生的波朝向土壤-空气界面206传播，在该界面它被反射和折射。到达天线的反射电场被表示为Er208，该电场反过来在天线上感应出电流Ir210。在一些实施方式中，该电流进一步影响所产生的波，并且存在高阶反射效应。然而，由于土壤中的高衰减，这些高阶效应可以忽略，并且因此下面的计算仅考虑第一阶效应。
在偶极子上感应的电流Ir210以及由此产生的阻抗Zr212可以被建模作为由放置在均质土壤环境中的虚偶极子产生的电场的结果，如图2B所示。两个偶极子h’214之间的距离被选择为使得Er208在实偶极子上与在图2A中相同。因此，Zr216基于两个偶极子天线之间的修正的互阻抗模型而被建模。然后互阻抗Zr216被添加至它自己的阻抗Za218，由公式(12)所示以获得半空间中的埋设的天线的总阻抗。为了计算Zr216，首先对天线上的电流分布和电场Er208建模。然后在均质土壤中的短偶极子上的电流分布可以近似为：
其中Im表示电流的幅值并且ks表示公式(10)中给出的土壤中的波数。基于该电流分布，天线处的从土壤-空气界面反射的Er场为：
其中
并且h是天线的埋设深度，并且Γ是在土壤-空气界面上的反射系数，其由下式给出：
其中k0是空气中的波数。
考虑虚偶极子与土壤中的偶极子是相同的，互阻抗模型可以被简化为：
因此，天线的总阻抗是并且因此，天线的回波损耗(dB)由下式给出：
通过采用该模型，可以对于空气和土壤计算50毫米(mm)长并且直径为2mm的天线的回波损耗。计算结果如图3A-3B所示，其中示出了对于100MHz至2GHz频率范围的偶极子的回波损耗。图3A-3C图示了空气和土壤中的偶极子天线的回波损耗的示例理论分析。在这些示例中，当天线被埋设时，天线的谐振频率从空气中的1.382GHz偏移至低频率值。该偏移是由于土壤中的较短波长。在图3A中，天线被埋在0.1m，并且分析了四种不同的体积含水量值。即，在空气302中、在5％304、10％306、20％308和40％310下测量体积含水量值。如图 所示，体积含水量值在谐振频率的值上具有很强的影响。体积含水量从5％至40％的增加导致谐振频率从685MHz降低至287MHz。
如图3B所示，考虑0.1米和0.3米这两种不同的埋设深度。当埋设深度从0.1米增加至0.3米时，谐振频率从685MHz 312降低至674MHz 314。在图3C中示出作为埋设深度的函数的谐振频率的变化。如图所示，谐振频率在不同埋设深度上波动。这通常由反射波的相位引起。当埋设深度增加时，由于反射波衰减其影响减小，并且谐振频率收敛为均质土壤中的谐振频率。在这里由箭头316示出的谐振频率是677MHz。
图4A-4B图示了在空气和土壤中的偶极子天线的示例仿真。在本示例中描述的仿真是在高频结构仿真器(HFSS)中执行的。天线的尺寸保持为与在上述图3A-3C中描述的示例中的相同。
为了获取土壤环境的性质，在HFSS中基于由图3A-3C中描述的示例中的模型计算的相对电容率而建立土壤物质。另外，由于土壤的相对电容率是依赖于频率的，所以在该仿真中，根据公式(1)来表示。
如图4A所示，对于多个不同土壤湿度值示出了偶极子天线的回波损耗。在本示例中，天线的埋设深度是0.1米。如图3A-3C的理论分析中所指示的，当土壤湿度增加时，谐振频率移动至较低频率范围。
在本例中，谐振频率下的回波损耗的绝对值在示例3A和4A之间明显不同。这是因为由于为了易处理进行的近似而导致的在HFSS中建模“理想”天线的不准确以及理论局限性。例如，在40％的体积含水量下，观察到1GHz下的附加谐振频率402，这在图3A中未示出。在该土壤湿度水平和频率下，波长比天线尺寸小，而公式(12)中的近似通常对于高于偶极子长度两倍的波长值是有效的。
如图4B所示，描述了在从零至0.2米不同埋设深度下的谐振频率404。反射波的效果改变了阻抗和谐振频率。与上述图3A-3C中的理论分析相比，HFSS的结果示出了较小的频率波动，并且更迅速地收敛为均质土壤中的谐振频率。在这两种情况下，土壤-空气界面的效果在地下天线设计中都是显著的。
在图3A-3C和图4A-4B中的示例中都示出了用于地下通信的天线的设计主要受三个因素的影响：土壤中的波长，从土壤-空气界面的反射，以及土壤湿度。然而，图3A-3C中的理论分析仅应用于偶极子，并且因此，使用这样的方法不能获取其它类型的天线。因此，在下面的段落中描述现场试验。
地下天线的示例
为了进一步研究土壤-空气界面对于天线的回波损耗的影响并且获得对用于地下通信的天线的设计的理解，在下面描述经验实验。
图5A-5F图示了对于不同天线类型测量的回波损耗。不同天线类型包括四种偶极子天线和两种平面天线。具体地，天线包括GSM天线(图5A)，433MHz偶极子天线(图5B)，Mica2天线(图5C)[可从加州圣何塞的Crossbow技术公司获得]，MicaZ天线(图5D)[可从加州圣何塞的Crossbow技术公司获得]，圆形平面天线(图5E)，以及椭圆形天线(图5F)。
GSM天线(图5A)是为GSM设备设计的偶极子天线。它是50mm长并且由橡胶绝缘。具有绝缘体的天线的半径是4mm。谐振频率是900MHz和1900MHz。
433MHz偶极子天线(图5B)是为433MHz频率设计的现成天线。它是70mm长并且也是绝缘的。绝缘体的半径是5mm。
Mica2天线(图5C)最初被附接至频繁用于无线传感器网络(WSN)实验的Mica2微尘。它是180mm长的鞭状天线。该天线非常薄。包括绝缘体，半径是1.5mm并且谐振频率是433MHz。
MicaZ天线(图5D)最初被附接至MicaZ微尘。由于MicaZ在较高频率(例如2.4GHz)下工作，所以天线较短，具有37mm的长度。
圆形平面天线(图5E)是具有圆形激励面板(exciting panel)的平面天线。该面板的直径是25mm，这是基于使用公式(11)计算的土壤中的波长。
椭圆形天线(图5F)的尺寸可以由于不同操作频率而变化。在本例中，操作频率是433MHz，并且因此天线包括125mm×85mm的矩形地面面板。激励面板是具有62mm和49mm两个轴的椭圆形。
在下面的示例中，天线被埋在两个深度(0.1米和0.3米)，并且每个天线连接至0.3米的同轴电缆。天线与面向土壤-空气界面的激励面板水平地被埋设。电缆的另一端连接至被用于测量每个天线的回波损耗的便携式网络分析仪。基于包括用于农业的WUSN应用中的典型传感器节点通常被埋在0.3米深度的信息而选择这两个深度，从而避免来自农业机器的影响，并且在这些深度上，能够获取土壤-空气界面的影响。
埋设深度的作用
图5A-5F示出了每个天线在土壤中的不同深度下的回波损耗。另外，也描述了天线在空气中的回波损耗。在本测量中的土壤湿度是20％，这也是用于作物生长的正常条件。
如图5A所示，对于空气中的GSM天线的两个谐振频率是1.052GHz和1.921GHz。然而，当天线被埋在土壤中时，谐振频率偏移 至低频。对于10cm的埋设深度，谐振频率分别是571.8MHz和1.442GHz。当埋设深度是30cm时，相应的谐振频率是631.8MHz和1.502GHz。该谐振频率的偏移与土壤中的波长的变化相关。作为典型的，土壤中的新谐振频率不能仅基于土壤中的相应波长而计算，这是由于从土壤-空气界面的反射。
当天线被埋在土壤中时，回波损耗曲线的形状通常改变。该改变能够在433MHz天线(图5B)和初始MicaZ天线(图5D)中看到。在433MHz天线中，当天线被埋在土壤中时，在低频下出现多个谐振频率。在MicaZ天线的情况下，当天线被埋设时，谐振频率下的回波损耗比放置在空气中的天线低15dB，如箭头504所示。原因是土壤介质的影响在不同频率下不是线性的，如上面的公式(10)和(12)所指示的，其中β是f的线性函数，但是Za不是β的线性函数。如图所示，在低频范围下的阻抗比高频范围下的更受影响。对于433MHz天线(图5B)，在高于4GHz的频率下的回波损耗保持与空气中的结果相似，并且对于MicaZ天线(图5D)，这适用于高于5GHz的频率。Mica2天线(图5C)的结果指示其具有在频率范围上的较差性能，因为其谐振频率的回波损耗高于-10dB。
与偶极子天线不同，平面天线在土壤中的回波损耗曲线的形状保持与空气中的相似(图5E和5F)。这可能是由于平面天线的不同辐射机构，其中波首先传播经过基板的边缘，其在天线被埋在土壤中时不会改变。基板能够减轻在辐射的近场中的土壤的影响。因此，对于这些平面天线，回波损耗曲线在空气中和土壤中保持相似。
每个天线的谐振频率的特定偏移是已知因素，并且在图6A中示出与空气中的谐振频率相比的偏移的百分比。如图6A所示，偏移的百分比对于不同天线来说是不同的。433MHz天线和MicaZ天线具有最大的偏移，分别由箭头602和604示出。对于MicaZ天线，当埋设深度是10cm时偏移42％，并且当埋设深度增加至30cm时偏移48％。同时， 对于433MHz天线，当埋设深度是10cm时偏移40％，并且当埋设深度是30cm时偏移36％。不同深度下的偏移差异通常由从土壤-空气界面反射的波引起，其干扰了天线上的电流分布以及因此天线的阻抗。该影响对于不同频率来说不是线性的。此外，由于反射电场的相位，偏移在不同深度处波动。另外，该波动对于不同天线是不同的。例如，椭圆形平面天线，如果埋设深度从10cm增加至30cm，偏移能够从19％减少至5％。另一方面，对于Mica2天线，对于埋设深度的相同改变，偏移从18％增加至36％。因此，对于地下通信中的天线，环境不能被认为均质的，并且反射波对于具体天线的影响可以被分析从而确定用于土壤的精确设计的天线。此外，该影响不能被概括，并且每种不同的天线类型可能需要特定分析。
图6B图示了在不同介质中的上述天线的多个频带。当设计用于地下使用的天线时，设计应该考虑在具体介质中的带宽效应。实际上，-10dB的回波损耗通常被用作阈值以限定具体天线的频带。在图6B中示出对于图5A-5F中描述的天线的带宽测量。方块指示天线的频带。如图所示，两种平面天线606和608具有天线中的最宽的带宽。作为示例，能够观察到圆形平面天线(图5E)具有(在30cm深度下的0.54-6.0GHz)的极宽带宽。该特性在地下通信中是期望的，因为它能够适应不同的土壤状况。
土壤湿度的影响
由于自然降水过程随时间变化，所以土壤湿度随时间改变变化量。下面的示例示出在三种不同土壤湿度设定(即干燥(5％VWC)、正常(20％VWC)和潮湿(37％VWC))中对于四种天线(GSM天线、433MHz天线和两种平面天线)的回波损耗的记录。测试床的土壤成分是23.7％的沙子和28.7％的粘土。
图7A-7D图示了对于被埋在30厘米深度的多个天线的测量的回波损耗。如上面参考公式(1)和(2)所描述的，当土壤湿度增加时， 土壤的电容率也增加，这导致波长进一步减小。因此，在图7A和7B中示出的回波损耗曲线中，当土壤湿度增加时，谐振频率偏移至更低范围。对于GSM天线(图7A)，当体积含水量(VWC)从5％增加至20％时，谐振频率移动至比空气中的谐振频率低3％的频率。此外，当VWC从20％增加至37％时，观察到谐振频率的附加的3.1％的降低。此外，在谐振频率下的回波损耗的准确值对于不同的土壤湿度值变化。对于433MHz天线(图7B)回波损耗的改变是相当大的。在272MHz的频率下，对于VWC＝5％，谐振频率下的回波损耗是-8dB。然而，当VWC增加至20％时，该谐振频率偏移至242MHz并且回波损耗降低至-18dB。随着VWC进一步增加至37％，该谐振频率偏移至182MHz并且回波损耗进一步降低至-23.5dB。经验结果证实当天线被埋在土壤中时，谐振频率和谐振频率下的回波损耗值都会改变。因此，在天线的设计中，即使它在空气中表现良好，当相同的天线被埋在土壤中时，也不能保证相等的性能。
关于图7C和7D所示的两种平面天线的测量，回波损耗曲线的形状随着土壤湿度的改变而相当大地改变。这可能部分地由这两种天线缺乏绝缘而引起。因此，含水量的改变直接影响天线的电流分布。
图8图示了对于不同土壤湿度中的不同天线的多个频带。对于GSM天线、433MHz天线、椭圆形天线和圆形平面天线由方块指示对于三个土壤湿度值的频带。观察到圆形平面天线802在不同土壤湿度值下具有宽带。对于所有三个土壤湿度值，对于2.4GHz-3.6GHz和4.8GHz-6GHz的频率范围，回波损耗小于-10dB。由于该显著特点意味着即使土壤湿度变化，天线的性能也将维持，所以其能够被用于设计用于WUSN的天线。
示例宽带天线：地下圆形天线设计
通常，无线地下传感器网络(WUSN)的实现依靠可靠的通信链路的建立，其中由于传感器埋设在其中的土壤的显著影响，天线设计 成为重要因素。下面的示例描述了被设计用于农业WUSN应用的示例宽带天线。在上面图示了经验评估以示出考虑土壤中的波长改变和从土壤-空气界面的反射两者而设计的天线能够适应土壤湿度的主要改变，并且与仅基于土壤中的波长改变而设计的天线相比，能够改善通信距离达到587％。
图9是用于无线地下传感器网络的圆形平面天线结构900的示例。天线900能够设计为适应土壤湿度的主要改变，并且能够包括传感器、阵列、子阵列和过滤器的多个配置。在一些实施方式中，具有433MHz谐振频率的天线可以提供的特征为提供最小的衰减和最小天线尺寸。因此，可获得用于该工业、科学和医疗(ISM)频带的许多商业芯片，并且能够被容易地用于商品传感器微尘。
在一个示例中，天线900是用于辐射经过诸如土壤的耗散介质的地下圆形平面天线。在这里示出的天线900具有100mm的直径，但是其他直径也是可能的。天线900的基板可以是例如具有1.6mm厚度的FR-4材料。天线900的馈送线可以是如906所示的共面波导结构。在一些实施方式中，圆形平面天线900包括一个或多个微波传输板、基座(susceptor)、辐射孔、电导体和/或提供用于地下天线的具体辐射图案和功能性的其他组件。如图所示，天线900包括形成为经过介电基板904的多个电导体902。共面波导结构906被示出为也布置在基板904上。
电导体902例如可以被定向，并且天线结构900可以被埋在诸如土壤的耗散介质中。例如，结构900可以被埋在耗散介质中在大约0.1米直到大约1.0米。电导体可以适配于以与耗散介质相邻的半空间中的频率辐射信号。例如，可以至少部分地基于耗散介质的相对电容率而为一个或多个电导体配置波束宽度状态。
电导体902可以以预定图案被排列或布置。例如，间隔可以被设 定为一半波长、四分之一波长或全波长。在一些实施方式中，例如，导体902可以形成另一种形状，诸如t形或拱形。由导体902形成的阵列图案不限于特定的一种，并且因此它可以是螺旋的或径向的而非同心的。
在一些实施方式中，一个或多个电导体被定向为朝向并大致平行于自由空间与耗散介质之间的界面。该定向能够提供朝向该界面的单向性辐射图案。
在一些实施方式中，天线900包括面向基板904的导电表面。该导电表面可以适配于将由一个或多个电导体辐射的相当一部分能量集中在与耗散介质相邻的半空间中。
在一些实施方式中，天线900电路能够适配于提供适应不同土壤条件的在大约5度和大约15度之间的临界入射角度(θc)的波束宽度。在一些实施方式中，天线900被设计为独立组件，并且是不可调的。即，天线900能够被设计为使得它操作在宽的频带下而不需要调整到具体的阻抗改变。
图10图示了表面下的地下通信的三条路径的示例。在操作中，圆形平面天线900提供宽的信号带宽以及非常理想的辐射图案。具体地，在0.3-1.0m的深度范围下的地下通信中，如图10所示可以建模和/或测量直射波1002、反射波1004和横向波1006这三条路径。在三条路径中，横向波1006通常在远场中占优势，这是因为在空气中的衰减远小于在土壤中的衰减。因此，被埋在土壤中的天线的辐射图案应该具有使横向波最大化的辐射图案。如图所示，横向波1006在入射波处于临界角1008(θc)时发生。临界角1008表示在其之上不存在折射的角度。
临界角1008是土壤电容率的函数，土壤电容率是土壤湿度的函数。因此，临界角1008(θc)随着土壤湿度的改变而变化。由于土壤的 相对电容率比空气高十至一百倍的事实，临界角1008通常在所有土壤湿度设定中小于15度。
基于上述分析，用于圆形平面地下天线900所需的辐射图案朝向土壤-空气界面是单向性的。天线900的波束宽度通常覆盖不同土壤湿度值下的所有临界角，其通常在5至15度的范围内。因此，平面天线在被放置为平行于土壤-空气界面时具有期望的辐射图案。
图11是用于操作辐射经过耗散介质的地下天线结构的示例方法1100。简而言之，过程1100从耗散介质(诸如土壤)确定实时特性(诸如湿度水平)，并且使用一个或多个传感器和/或天线以便确保维持适当的通信功能。通常，过程1100可以由能够分析介质并且将结果无线地通信给另一个系统或网络的传感器、处理器、控制器或计算机系统执行。
过程1100可以以一个或多个无线传感器测量(1102)与多个无线传感器周围的耗散介质相关联的数据开始。多个无线传感器耦接至天线结构并且能够收集所测量的数据并将这样的数据发送给网络或服务器，诸如网络104和/或服务器106。在一些实施方式中，多个无线传感器能够收集来自耗散介质中的多个深度的数据。例如，传感器能够测量/收集从耗散介质的表面下大约0.1米直至并包括耗散介质的表面下大约1.0米的数据。
在一些点上，电容率(即湿度含量或其他特性)可能会改变。响应于检测到耗散介质的电容率的改变的阈值水平，天线能够维持(1104)回波损耗的具体水平。即，所设计的天线维持操作频率下的低回波损耗(例如小于-10分贝)。维持或改善回波损耗的该水平能够确保无线通信可靠地发生而没有中断。在一个示例中，耗散介质的电容率的改变的阈值水平的特征可以在于耗散介质的湿度水平的百分之五的增加或减少。在一些实施方式中，该天线导致对于地下天线结构 与一个或多个其他结构或网络之间的通信的无线通信距离增加。有时，传感器能够使用宽带天线发送(或被轮询以发送)(1106)与从多个无线传感器测量的数据相对应的一个或多个无线消息。
图12是计算系统1200的示意图。根据一个实施方式，通用计算系统1200能够被用于与之前描述的任何计算机实施的方法或系统相关联而描述的操作。通用计算系统1200包括处理器1210、存储器1220、存储设备1230和输入/输出设备1240。处理器1210、存储器1220、存储设备1230和输入/输出设备1240中的每一个都使用系统总线1250而互连。处理器1210能够处理指令以用于在通用计算系统1200中执行。在一个实施方式中，处理器1210是单线程处理器。在另一个实施方式中，处理器1210是多线程处理器。处理器1210能够处理存储在存储器1220中或存储设备1230上的指令，从而为输入/输出设备1240上的用户界面显示图形信息。
存储器1220存储通用计算系统1200中的信息。在一个实施方式中，存储器1220是计算机可读介质。在一个实施方式中，存储器1220是易失性存储器单元。在另一个实施方式中，存储器1220是非易失性存储器单元。
存储设备1230能够为通用计算系统1200提供大容量存储。在一个实施方式中，存储设备1230是计算机可读介质。在多个不同的实施方式中，存储设备1230可以是软盘设备、硬盘设备、光盘设备或带设备。
输入/输出设备1240为通用计算系统1200提供输入/输出操作。在一个实施方式中，输入/输出设备1240包括键盘和/或定点设备。在另一个实施方式中，输入/输出设备1240包括用于显示图形用户界面的显示单元。
所描述的特征能够在数字电子电路中或者在计算机硬件、固件、软件中或者在它们的组合中实施。该装置能够在用于由可编程处理器执行的计算机程序产品中实施，该计算机程序产品例如在机器可读存储设备中或在传播的信号中的信息载体中被有形地实现；并且方法步骤能够由执行指令的程序的可编程处理器执行，从而通过对输入数据进行操作并产生输出而执行所述实施方式的功能。所描述的特征能够在一个或多个计算机程序中被有利地实施，该一个或多个计算机程序能够在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上执行，该至少一个可编程处理器被耦接为接收来自数据存储系统、至少一个输入设备和至少一个输出设备的数据和指令并且将数据和指令发送给数据存储系统、至少一个输入设备和至少一个输出设备。计算机程序是能够在计算机中直接或间接使用从而执行某种活动或带来某种结果的指令集。计算机程序能够以包括编译的或解释性的语言的任何形式的编程语言编写，并且它能够被部署为任何形式，包括作为独立程序或作为模块、组件、子例程，或者适合用于计算环境的其他单元。
举例说明，用于执行指令的程序的适合处理器包括通用和专用的微处理器，以及任何类型计算机的唯一处理器或多个处理器中的一个。通常，处理器将会从只读存储器或随机存取存储器或这两者接收指令和数据。计算机的基本元件是用于执行指令的处理器和用于存储指令和数据的一个或多个存储器。通常，计算机还会包括用于存储数据文件的一个或多个大容量存储设备或者被操作性地耦接为与一个或多个大容量存储设备通信；这样的设备包括磁盘，诸如内部硬盘和可移动盘；磁光盘；和光盘。适合于有形地实现计算机程序指令和数据的存储设备包括所有形式的非易失性存储器，举例说明包括半导体存储设备，诸如EPROM、EEPROM和闪存设备，基于云的存储设备和盘，诸如内部硬盘和可移动盘的磁盘；磁光盘；以及CD-ROM和DVD-ROM盘。处理器和存储器能够由ASIC(专用集成电路)补充，或者被合并到ASIC中。
在一些实施方式中，系统1200可以是能够在上述一个或多个传感器或移动设备中实施的通信系统。系统1200可以适配于无线地与其本身通信。例如，系统1200使用收发器(未示出)无线地接收并发送信息，并且接收的信号被传送到信号处理器(未示出)。信号处理器可以包括用于处理接收的信号的数字信号处理(DSP)电路。
为了提供与用户的交互，这些特征可以在具有显示设备和键盘以及定点设备的计算机上实施，其中显示设备诸如是用于为用户显示信息的CRT(阴极射线管)或LCD(液晶显示)显示器，定点设备诸如是鼠标或轨迹球，用户通过它们能够向计算机提供输入。
这些特征可以在包括诸如数据服务器的后端组件，或者包括诸如应用服务器或互联网服务器的中间组件，或者包括诸如具有图形用户界面或互联网浏览器的客户端计算机的前端组件，或者它们的组合的计算机系统中实施。系统的组件能够通过诸如通信网络的任何形式或介质的数字数据通信连接。通信网络的示例包括例如LAN、WAN和形成互联网的计算机和网络。
计算机系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器通常是相互远离的，并且通常经过诸如上述的一个网络而交互。客户端和服务器的关系由在相应的计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序的产生。
计算机程序(也被称为程序、软件、软件应用、脚本或代码)能够以包括编译的或解释性的语言或者声明性的或过程性的语言任何形式的编程语言编写，并且它能够被布置为任何形式，包括作为独立程序或作为模块、组件、子例程，或者适合用于计算环境的其他单元。计算机程序不一定对应于文件系统中的文件。程序能够被存储在保存其他程序或数据(例如存储在标记语言文件中的一个或多个脚本)的文件的一部分中，在专用于讨论的程序的单个文件中，或者在多坐标 文件(例如存储一个或多个模块、子程序或代码部分的文件)中。计算机程序能够被部署为在一个计算机上或者在位于一个场所或分布在多个场所并由通信网络互连的多个计算机上执行。
在本说明书中描述的过程和逻辑流程能够由执行一个或多个计算机程序的一个或多个可编程处理器执行，从而通过对输入数据进行操作并产生输出而执行功能。过程和逻辑流程也能够由专用逻辑电路执行，并且装置也能够被实施为专用逻辑电路，该专用逻辑电路例如是FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)。
举例说明，适于执行计算机程序的处理器包括通用和专用的微处理器，以及任何类型的数字计算机的任何一个或多个处理器。通常，处理器将会从只读存储器或随机存取存储器或这两者接收指令和数据。计算机的基本元件是用于执行指令的处理器和用于存储指令和数据的一个或多个存储器设备。通常，计算机还会包括用于存储数据的一个或多个大容量存储设备或者被操作性地耦接为从一个或多个大容量存储设备接收数据或向其传输数据，或者这两者，其中的一个或多个大容量存储设备包括磁盘、磁光盘或光盘。然而，计算机不需要具有这样的设备。
为了提供与用户的交互，在本说明书中描述的主题的实施方式可以在具有显示设备和键盘以及定点设备的计算机上实施，其中显示设备例如是用于为用户显示信息的CRT(阴极射线管)或LCD(液晶显示)显示器，定点设备例如是鼠标或轨迹球，用户通过它们能够向计算机提供输入。其他类型的设备也能够被用于提供与用户的交互；例如，为用户提供的反馈可以是任何形式的感觉反馈，例如视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈；并且能够以任何形式接收来自用户的输入，包括声学、语音或触觉输入。
尽管本说明书包含许多特定的实施方式细节，但是这些不应该被 解释为对任何发明的范围或者权利要求保护的范围的限制，而是解释为可以是特定于具体发明的具体实施例的特征的描述。在本说明书中在单独实施例的上下文中描述的某些特征也能够与单个实施例组合实施。相反地，在单个实施例的上下文中描述的多个特征也能够单独地在多个实施例中或者在任何适合的子组合中实施。此外，尽管在上面可能将特征描述为作用在某些组合中并且甚至最初这样声称，但是所声称的组合中的一个或多个特征在一些情况下能够从该组合中删除，并且所声称的组合可以针对子组合或子组合的变形。
相似地，尽管在附图中以具体的顺序描述操作，但是不应该理解为要求这样的操作以示出的具体顺序或者以连续的顺序执行，或者要求所有示出的操作都被执行，以实现理想的结果。在一些情况下，多任务处理和并行处理可能是有利的。此外，在上述实施例中的多个系统组件的分离不应该理解为在所有实施例中都要求这样的分离，而是应该理解为所描述的程序组件和系统通常可以在单个软件产品中被集成在一起，或者可以被包装到多个软件产品中。
已经描述了本发明的多个实施例。然而，应该理解可以进行各种修改而不会背离本发明的精神和范围。例如，可以使用在上面示出的各种形式的流程，并且步骤被重新排序、添加或删除。此外，尽管已经描述了搜索查询和方法的几种应用以获得有用的查询结果，应该认识到许多其他应用是可以预期的。因此，其他实施例在下面的权利要求的范围内。

Claims (4)

1.一种用于测量耗散介质中的状况的无线地下系统，包括：
一个或多个无线湿度传感器，每一个所述无线湿度传感器包括传感器板、在所述传感器板内的处理器、和与所述处理器通信并耦接至天线的收发器；
网关，所述网关被配置为接收并发送无线消息，并且进一步被配置为与网络通信并且接收和中继来自所述一个或多个无线湿度传感器的无线消息；
其中每个所述无线湿度传感器被配置为(i)从沿着所述耗散介质的长度的所述多个传感器收集关于所述耗散介质的状况的数据，并且(ii)响应于检测到所述耗散介质的电容率的改变的阈值水平，维持回波损耗的阈值水平；并且
其中，所述耗散介质的所述电容率的改变的所述阈值水平包括所述耗散介质的湿度水平的大约百分之五的增加或减少，并且回波损耗的所述阈值水平小于大约负10分贝。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个无线湿度传感器收集来自所述耗散介质内的至少两个深度的数据。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述至少两个深度包括在所述耗散介质的表面下面大约0.1米和在所述耗散介质的表面下面大约1.0米。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述耗散介质是非均质土壤。
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