CN110571505A - 透地无线通信发射天线阵列及采用其的透地无线通信系统 - Google Patents

Abstract

一种透地无线通信发射天线阵列及采用其的透地无线通信系统。该发射天线阵列包括支架、发射天线单元、调谐单元、信号放大单元和信号分配单元；其中，支架包括主体支撑结构和支撑套管；发射天线单元包括加载磁芯、非金属支撑筒、辐射线圈、非金属套筒、非金属内圆盖及外圆盖；发射天线单元安装在支撑套管内，三个发射天线单元组成一个一阶阵列，三个一阶阵列组成一个二阶阵列；本发明实现了低频信号的有源阵列发射技术，具有小型化、重量轻、易架设、高可靠、机动性好的优点，可用作透地无线通信系统及其他穿透通信系统的发射天线。

Description

透地无线通信发射天线阵列及采用其的透地无线通信系统

技术领域

本发明涉及透地无线通信领域，尤其涉及一种透地无线通信发射天线阵列及采用其的透地无线通信系统。

背景技术

发射天线是透地无线通信系统中一个重要的组成部分，它的性能对通信系统的整体性能有着重要的影响。透地无线通信系统多工作在VLF(Very Low Frequency，甚低频)频段(3KHz-30KHz)以下，作用在300m-1000m的中短距离范围内，属磁感应通信技术。为保证穿透距离，发射磁矩要求较大。同时，由于地下巷道狭窄，且在应急情形下需保证时效性和不损坏，要求发射天线具有小型化、易架设、高可靠、机动性好的特点。目前，透地无线通信系统常用的发射天线形式多为空心单匝或多匝线圈，其占地较大、布设费时且可靠性差。在矿井、洞穴、地铁应急无线通信等实际应用中，对发射天线的小型化、易架设、高可靠等特性有着迫切的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种透地无线通信发射天线阵列，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，本发明提供了一种透地无线通信发射天线阵列，包括：

支架，包括主体支撑结构和各支撑套管，各支撑套管与所述主体支撑结构刚性连接，所述各支撑套管构成一阶安装结构；

发射天线单元，安装在所述各支撑套管内，各发射天线单元包括加载磁芯、非金属支撑筒、辐射线圈、非金属套筒、非金属内圆盖及外圆盖；其中：

加载磁芯，安装在所述非金属支撑筒内；

非金属内圆盖，安装在所述非金属支撑筒两端，用来固定所述加载磁芯；

辐射线圈，均匀绕制在所述非金属支撑筒外壁上；所述辐射线圈的首端及末端沿所述非金属套筒内壁引下，穿过所述非金属外圆盖引出，构成发射天线单元输入端；

非金属套筒，套在所述辐射线圈上；以及

非金属外圆盖，安装在所述非金属套筒两端，用来固定所述辐射线圈。

其中，所述各支撑套管构成的一阶安装结构的数量为3的倍数，且三个所述一阶安装结构呈等边三角形分布，并与所述主体支撑结构成二阶安装结构；

作为优选，所述二阶安装结构能够按相同规律进一步扩展形成高阶安装结构。

其中，所述各发射天线单元组成一阶阵列，再与主体支撑结构形成二阶阵列；

作为优选，三个所述发射天线单元组成一个一阶阵列；

作为优选，三个所述一阶阵列组成一个二阶阵列；

作为优选，所述发射天线阵列还设置有调谐单元，所述调谐单元安装在主体支撑结构内，所述调谐单元包括输入端和输出端，输出端与所述发射天线单元或一阶阵列或二阶阵列输入端电性连接；

作为优选，所述调谐单元为电容器构成的网络，与所述发射天线单元或一阶阵列或二阶阵列构成串联谐振。

其中，所述发射天线阵列还设置有信号放大单元，所述信号放大单元安装在主体支撑结构内，各所述信号放大单元包括输入端和输出端，输出端与所述调谐单元输入端电性连接；

作为优选，所述信号放大单元工作于压控或流控放大模式。

其中，所述发射天线阵列还设置有信号分配单元，所述信号分配单元安装在主体支撑结构内，所述信号分配单元包括输入端和输出端，各输出端分别与所述信号放大单元输入端电性连接；

作为优选，所述信号分配单元以并联方式实现信号的一路输入多路等分输出。

其中，所述发射天线单元组成的阵列有三种馈电方式：

所述各发射天线单元与各调谐单元、信号放大单元以串联方式电性连接，所述各信号放大单元与信号分配单元电性连接；

所述各发射天线单元组成一阶阵列，其输入端以并联方式电性连接，构成一阶阵列输入端，所述各一阶阵列与各调谐单元、信号放大单元以串联方式电性连接，所述各信号放大单元与信号分配单元电性连接；

所述各发射天线单元组成一阶阵列，再与主体支撑结构形成了二阶阵列，二阶阵列的各一阶阵列输入端以并联方式电性连接，构成二阶阵列的输入端，所述二阶阵列与调谐单元、信号放大单元以串联方式电性连接。

其中，所述一阶安装结构平面为等边三角形状，边长小于等于15cm，高度小于等于100cm。

其中，所述支架平面为等边三角形状，边长小于等于100cm，高度小于等于100cm；

作为优选，所述支撑套管的长度小于等于50cm，外直径小于等于10cm，壁厚小于等于2mm。

其中，所述发射天线单元的长度小于等于50cm，外直径小于10cm；所述非金属套筒的壁厚小于等于2mm；

所述非金属支撑筒的外直径小于8cm，壁厚小于等于2mm；

所述辐射线圈导线直径小于2mm；

所述加载磁芯长度小于等于50cm，横截面为正方形，边长小于等于2cm。

基于上述技术方案可知，本发明的透地无线通信发射天线阵列相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：

1、发射天线单元磁芯加载，具有小型化、便携可靠的特点。

2、采用阵列技术，有效提高发射磁矩，采用等边三角形布局，具有结构紧凑、互感影响小、信号调谐及分配简单的特点。

3、发射阵列组合方式灵活，可扩展性和可调整性好。

附图说明

图1为本发明实施例的透地无线通信发射天线阵列的一种结构示意图；

图2为本发明实施例的透地无线通信发射天线阵列的一种结构示意图；

图3为本发明实施例的透地无线通信发射天线阵列的一种结构示意图；

图4为本发明实施例的透地无线通信发射天线单元的结构示意图。

上述附图中，附图标记含义如下：

1 支架

2 发射天线单元

3 调谐单元

4 信号放大单元

5 信号分配单元

21 加载磁芯

22 非金属支撑筒

23 辐射线圈

24 非金属套筒

25 非金属内圆盖

26 外圆盖

27 发射天线单元的输入端

28 一阶阵列的输入端

29 二阶阵列的输入端

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

基于现有技术中的透地无线通信系统常用的发射天线形式多为空心单匝或多匝线圈，存在占地大、布设费时且可靠性差的技术问题，本发明提供了一种可灵活实现扩展设计的天线阵列，对于推动透地无线通信技术及其他穿透通信技术的发展和应用有着十分积极的作用。

具体的，本发明提供了一种透地无线通信发射天线阵列，包括：

支架，包括主体支撑结构和各支撑套管，各支撑套管与所述主体支撑结构刚性连接，所述各支撑套管构成一阶安装结构；

发射天线单元，安装在所述各支撑套管内，各发射天线单元包括加载磁芯、非金属支撑筒、辐射线圈、非金属套筒、非金属内圆盖及外圆盖；其中：

加载磁芯，安装在所述非金属支撑筒内；

非金属内圆盖，安装在所述非金属支撑筒两端，用来固定所述加载磁芯；

辐射线圈，均匀绕制在所述非金属支撑筒外壁上；所述辐射线圈的首端及末端沿所述非金属套筒内壁引下，穿过所述非金属外圆盖引出，构成发射天线单元输入端；

非金属套筒，套在所述辐射线圈上；以及

非金属外圆盖，安装在所述非金属套筒两端，用来固定所述辐射线圈。

其中，所述各支撑套管构成的一阶安装结构的数量为3的倍数，且三个所述一阶安装结构呈等边三角形分布，并与所述主体支撑结构成二阶安装结构；

作为优选，所述二阶安装结构能够按相同规律进一步扩展形成高阶安装结构。

其中，所述各发射天线单元组成一阶阵列，再与主体支撑结构形成二阶阵列；

作为优选，三个所述发射天线单元组成一个一阶阵列；

作为优选，三个所述一阶阵列组成一个二阶阵列；

作为优选，所述发射天线阵列还设置有调谐单元，所述调谐单元安装在主体支撑结构内，所述调谐单元包括输入端和输出端，输出端与所述发射天线单元或一阶阵列或二阶阵列输入端电性连接；

作为优选，所述调谐单元为电容器构成的网络，与所述发射天线单元或一阶阵列或二阶阵列构成串联谐振。

其中，所述发射天线阵列还设置有信号放大单元，所述信号放大单元安装在主体支撑结构内，各所述信号放大单元包括输入端和输出端，输出端与所述调谐单元输入端电性连接；

作为优选，所述信号放大单元工作于压控或流控放大模式。

其中，所述发射天线阵列还设置有信号分配单元，所述信号分配单元安装在主体支撑结构内，所述信号分配单元包括输入端和输出端，各输出端分别与所述信号放大单元输入端电性连接；

作为优选，所述信号分配单元以并联方式实现信号的一路输入多路等分输出。

其中，所述发射天线单元组成的阵列有三种馈电方式：

所述各发射天线单元与各调谐单元、信号放大单元以串联方式电性连接，所述各信号放大单元与信号分配单元电性连接；

所述各发射天线单元组成一阶阵列，其输入端以并联方式电性连接，构成一阶阵列输入端，所述各一阶阵列与各调谐单元、信号放大单元以串联方式电性连接，所述各信号放大单元与信号分配单元电性连接；

所述各发射天线单元组成一阶阵列，再与主体支撑结构形成了二阶阵列，二阶阵列的各一阶阵列输入端以并联方式电性连接，构成二阶阵列的输入端，所述二阶阵列与调谐单元、信号放大单元以串联方式电性连接。

其中，所述一阶安装结构平面为等边三角形状，边长小于等于15cm，高度小于等于100cm。

其中，所述支架平面为等边三角形状，边长小于等于100cm，高度小于等于100cm；

作为优选，所述支撑套管的长度小于等于50cm，外直径小于等于10cm，壁厚小于等于2mm。

其中，所述发射天线单元的长度小于等于50cm，外直径小于10cm；所述非金属套筒的壁厚小于等于2mm；

所述非金属支撑筒的外直径小于8cm，壁厚小于等于2mm；

所述辐射线圈导线直径小于2mm；

所述加载磁芯长度小于等于50cm，横截面为正方形，边长小于等于2cm。

下面结合具体实施例和附图对本发明的技术方案进行进一步解释说明。

图1为本发明实施例的透地无线通信天线阵列的一种结构示意图，如图1所示，该透地无线通信天线阵列总体呈等边三角形状，该透地无线通信天线阵列包括：支架1、发射天线单元2、调谐单元3、信号放大单元4和信号分配单元5。

支架1的形状一般为三角形柱体，可根据实际安装场合的限制条件进行修改，为保证强度，支架选用非铁磁性金属材料。从电性角度考虑，支架的长度应当尽量大，考虑到安装场合的限制及小型化的要求，支架边长一般来说小于等于100cm，高度小于等于100cm。

主体支撑结构11，其平面呈等边三角形，在其各顶点位置处均匀设置三个支撑套管，用于安装发射天线单元。

支撑套管12，三个支撑套管12，以等边三角形方式构成一阶安装结构，三个一阶安装结构及主体支撑结构构成二阶安装结构，即本实例中的支架1。

图4所示为本发明实施例的发射天线单元2的结构示意图，如图4所示，该发射天线单元由加载磁芯21、非金属支撑筒22、辐射线圈23、非金属套筒24、非金属内圆盖25及外圆盖26组成，非金属支撑筒22套设在所述加载磁芯21上，所述两个非金属内圆盖25安装在非金属支撑筒22两端，将加载磁芯21固定；从增强发射磁矩的角度考虑，磁芯应采用细长比大的结构，但为满足小型化、轻量化的要求，磁芯的尺寸应当尽量小；所述加载磁芯21为长方体，一般来说长度小于等于50cm，横截面宽度小于等于2cm；所述非金属支撑筒长度小于等于50cm，外直径小于8cm，壁厚小于等于2mm。

辐射线圈23均匀绕制在非金属支撑套22筒外壁上，非金属套筒套24设在辐射线线圈23上，两个非金属外圆盖26安装在非金属套筒24两端，将非金属支撑筒22固定；从增强磁矩的角度考虑，辐射线圈23应采用多层结构，但这使得线圈的电感和电阻增大，对信号放大单元的要求提高，增加阵列的重量和功耗；所述辐射线圈23为单层，长度小于等于50cm，导线直径小于2mm；所述非金属套筒24长度小于等于50cm，外直径小于10cm。

辐射线圈23的首端及末端沿非金属套筒24内壁引下，穿过非金属外圆盖26引出，构成发射天线单元输入端27，用于信号的输入。

调谐单元3由多个电容通过串、并混合连接构成，与发射天线单元2串联后谐振工作于要求的频率，电容的额定电压值超过谐振工作时的电压；各所述调谐单元3与各所述发射天线单元2电性连接。

信号放大单元4为音频功率放大器，可以压控或流控模式工作，实现输入信号的放大，保证输出到发射天线单元2的电流满足要求；各所述信号放大单元4与各所述调谐单元3电性连接。

信号分配单元5为单输入等分多输出的网络，由金属导线并联连接构成，实现输入信号到各发射天线单元2的平均分配；所述信号分配单元5与各所述信号放大单元4电性连接。

图2为本发明实施例的透地无线通信天线阵列的一种结构示意图，如图2所示，该透地无线通信天线阵列总体呈等边三角形状，三个发射天线单元2构成一阶阵列，各发射天线单元2输入端27并联连接构成一阶阵列的输入端28。

各调谐单元3与各一阶阵列电性连接，实现串联谐振工作；各信号放大单元4与各调谐单元电性连接；信号分配单元5与各信号放大单元4电性连接。

图3为本发明实施例的透地无线通信天线阵列的一种结构示意图，如图3所示，该透地无线通信天线阵列总体呈等边三角形状，三个发射天线单元2构成一阶阵列，各发射天线单元2输入端27并联连接构成一阶阵列的输入端28；三个一阶阵列构成二阶阵列，各一阶阵列输入端28并联连接构成二阶阵列的输入端29；

调谐单元3与二阶阵列电性连接，实现串联谐振工作；信号放大单元4与调谐单元电性连接。

该透地无线通信发射天线阵列的具体工作方式如下：图1、图2、图3所示实例中，信号分配单元5输入端外接调制信号源，外加的激励信号通过信号分配单元5等分或直接传输到各信号放大单元4，信号放大后经各调谐单元3传输到各发射天线单元2上，最后穿透上方的地层媒质辐射出去，可以实现穿透无线通信的功能；

由此可见，本发明提供的透地无线通信发射天线阵列具有小型化、易架设、高可靠、机动性好的特点，可以满足矿井、洞穴、地铁等应急无线通信系统的要求。

需要说明的是，图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种透地无线通信发射天线阵列，其特征在于，包括：

支架，包括主体支撑结构和各支撑套管，各支撑套管与所述主体支撑结构刚性连接，所述各支撑套管构成一阶安装结构；

发射天线单元，安装在所述各支撑套管内，各发射天线单元包括加载磁芯、非金属支撑筒、辐射线圈、非金属套筒、非金属内圆盖及外圆盖；其中：

加载磁芯，安装在所述非金属支撑筒内；

非金属内圆盖，安装在所述非金属支撑筒两端，用来固定所述加载磁芯；

辐射线圈，均匀绕制在所述非金属支撑筒外壁上；所述辐射线圈的首端及末端沿所述非金属套筒内壁引下，穿过所述非金属外圆盖引出，构成发射天线单元输入端；

非金属套筒，套在所述辐射线圈上；以及

非金属外圆盖，安装在所述非金属套筒两端，用来固定所述辐射线圈。

2.根据权利要求1所述的透地无线通信发射天线阵列，其特征在于，所述各支撑套管构成的一阶安装结构的数量为3的倍数，且三个所述一阶安装结构呈等边三角形分布，并与所述主体支撑结构成二阶安装结构；

作为优选，所述二阶安装结构能够按相同规律进一步扩展形成高阶安装结构。

3.根据权利要求2所述的透地无线通信发射天线阵列，其特征在于，所述各发射天线单元组成一阶阵列，再与主体支撑结构形成二阶阵列；

作为优选，三个所述发射天线单元组成一个一阶阵列；

作为优选，三个所述一阶阵列组成一个二阶阵列；

作为优选，所述发射天线阵列还设置有调谐单元，所述调谐单元安装在主体支撑结构内，所述调谐单元包括输入端和输出端，输出端与所述发射天线单元或一阶阵列或二阶阵列输入端电性连接；

作为优选，所述调谐单元为电容器构成的网络，与所述发射天线单元或一阶阵列或二阶阵列构成串联谐振。

4.根据权利要求3所述的透地无线通信发射天线阵列，其特征在于，所述发射天线阵列还设置有信号放大单元，所述信号放大单元安装在主体支撑结构内，各所述信号放大单元包括输入端和输出端，输出端与所述调谐单元输入端电性连接；

作为优选，所述信号放大单元工作于压控或流控放大模式。

5.根据权利要求4所述的透地无线通信发射天线阵列，其特征在于，所述发射天线阵列还设置有信号分配单元，所述信号分配单元安装在主体支撑结构内，所述信号分配单元包括输入端和输出端，各输出端分别与所述信号放大单元输入端电性连接；

作为优选，所述信号分配单元以并联方式实现信号的一路输入多路等分输出。

6.根据权利要求5所述的透地无线通信发射天线阵列，其特征在于，所述发射天线单元组成的阵列有三种馈电方式：

所述各发射天线单元与各调谐单元、信号放大单元以串联方式电性连接，所述各信号放大单元与信号分配单元电性连接；

所述各发射天线单元组成一阶阵列，其输入端以并联方式电性连接，构成一阶阵列输入端，所述各一阶阵列与各调谐单元、信号放大单元以串联方式电性连接，所述各信号放大单元与信号分配单元电性连接；

所述各发射天线单元组成一阶阵列，再与主体支撑结构形成了二阶阵列，二阶阵列的各一阶阵列输入端以并联方式电性连接，构成二阶阵列的输入端，所述二阶阵列与调谐单元、信号放大单元以串联方式电性连接。

7.根据权利要求2所述的透地无线通信发射天线阵列，其特征在于，所述一阶安装结构平面为等边三角形状，边长小于等于15cm，高度小于等于100cm。

8.根据权利要求1所述的透地无线通信发射天线阵列，其特征在于，所述支架平面为等边三角形状，边长小于等于100cm，高度小于等于100cm；

作为优选，所述支撑套管的长度小于等于50cm，外直径小于等于10cm，壁厚小于等于2mm。

9.根据权利要求1所述的透地无线通信发射天线阵列，其特征在于，所述发射天线单元的长度小于等于50cm，外直径小于10cm；所述非金属套筒的壁厚小于等于2mm；

所述非金属支撑筒的外直径小于8cm，壁厚小于等于2mm；

所述辐射线圈导线直径小于2mm；

所述加载磁芯长度小于等于50cm，横截面为正方形，边长小于等于2cm。

10.一种采用如权利要求1～9任一项所述的透地无线通信发射天线阵列的透地无线通信系统。