CN113890549B - 一种双频多通道透地无线通信发射系统 - Google Patents

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Abstract

一种双频多通道透地无线通信发射系统，包括双频发射天线阵列、多通道发射机、多通道信号发生器；其中，双频发射天线阵列包括多个双频发射天线单元；双频发射天线单元包括辐射环、调谐单元、输入端；多通道发射机包括多个功放模块、双频带通滤波模块、预放大模块；本发明实现了双频段低频天线技术及多频多通道低频发射技术，具有高速率、易架设、易携带、高可靠的优点，可用作透地无线通信系统及其他穿透通信系统的发射系统。

Description

一种双频多通道透地无线通信发射系统
技术领域
本发明涉及透地无线通信领域，尤其涉及一种双频多通道发射系统。
背景技术
发射系统是透地无线通信系统中重要的组成部分，它的性能对通信系统的整体性能有着重要的影响。为保证穿透距离，透地无线通信系统多工作在ULF(300Hz-3KHz)及以下频段，作用在300m-1000m的中短距离范围内，利用近场磁场实现信息的无线传输。在应急救援中，要求穿透深度尽可能大，信息传输速率尽可能高。同时，由于地下巷道狭窄，为保证时效性和不损坏，要求发射天线具有易架设、易携带、高可靠的特点。目前，透地无线通信系统常用的发射系统多为单频单通道系统，其发射天线占地较大、信息传输速率较低。在矿井应急无线通信等实际应用中，对小尺寸发射天线、高信息传输速率等特性有着迫切的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双频多通道透地无线通信发射系统，以解决上述的至少一项技术问题。
本发明提供了一种双频多通道透地无线通信发射系统，包括：
双频发射天线阵列，包括多个双频发射天线单元，所述双频发射天线单元完全重叠布放，实现双频阵列同步发射，提高传输码速率，增强发射信号强度；双频天线完全重叠布放，有效减小天线阵列占用面积；
双频发射天线单元，包括依次相连的辐射环、调谐单元、输入端；所述辐射环为单匝或多匝金属环，形状为圆形或矩形，用于产生近场磁场；所述调谐单元为电容、电感组成的调谐网络，用于辐射环的匹配，使其工作于两个不同的谐振频率；所述输入端为三端口接线模块，一个端口为两线输入端口，与发射机输出端连接，另外两个端口为两线或多线输出端口，与辐射环的两端分别连接。
多通道发射机，包括依次相连的多路功放模块、双频带通滤波模块、预放大模块；所述预放大模块用于发射信号的预放大，频率覆盖双频系统的工作频带；所述双频带通滤波模块由两个带通滤波器组成，用于两个子带发射信号的带通滤波；所述功放模块用于发射信号的功率级放大，频率覆盖双频系统的工作频带；
多通道信号发生器，包括依次相连的多路2合1功合器、两路1分n功分器、两路带通滤波器、两路数模转换器、两路直接数字合成器、码流分配器，依次连接；所述码流分配器用于按照预定格式将输入的一定长度码流分配为两路等长码流，分别作为两路直接数字合成器的频率字输入；所述数模转换器实现数字信号到模拟信号的转换，用于产生两路不同频率的发射信号；所述直接数字合成器可根据输入频率码产生相应的数字信号；所述1分n功分器，实现1路分n路的信号分配输出；所述带通滤波器实现数模转换输出信号的滤波，用于抑制带外杂散；所述2合1功合器，用于实现两路不同频率信号的合成输出。
有益效果：
本发明的双频多通道透地无线通信发射系统相较于现有技术，具有以下优点：
1、发射天线双频工作，具有信息传输速率高的特点。
2、采用重叠布放的阵列技术，具有发射磁矩高、天线尺寸小、结构紧凑等特点。
3、发射系统组合方式灵活，具有易调整、可扩展等特点。
附图说明
图1为本发明实施例的双频多通道透地无线通信发射系统的一种原理示意图；
图2为本发明实施例的又的一种原理示意图；
图3为本发明调谐单元的电容电感网络示意图；
图4为本发明实施例的多通道发射机的一种原理示意图；
图5为本发明实施例的多通道信号发生器的一种原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
基于现有技术中的透地无线通信系统常用的发射系统多为单频单通道结构，存在信息传输速率低、发射天线占地大且布设难度大的技术问题，本发明提供了一种可灵活实现扩展的双频多通道发射系统，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。
根据本发明的一个实施例，本发明的一双频多通道透地无线通信发射系统，包括：
双频发射天线阵列，由2个以上双频发射天线单元组成；多个天线单元彼此完全重叠布放，各天线单元的中心重合，占地面积小；其中，
发射天线单元电感为
Figure BDA0003288162840000031
Lmm为第m个发射天线单元的自电感，Mmn为第m个发射天线单元和第n个发射天线单元之间的互电感；各发射天线单元的输入端口通过电缆与各功率放大器的输出端口连接；
发射天线单元，包括辐射环、调谐单元、输入端；辐射环为外部绝缘的单股或多股金属线绕制的圆形或矩形线圈，多股绝缘金属线外部由一绝缘套保护；辐射环两端为单针或多针连接器，连接器与输入端的两个端口连接器连接；连接器的第三个端口为辐射环的输入端口，通过电缆与匹配器的一个端口连接；匹配器的另一个端口为发射天线单元的输入端，与多通道发射机的各输出端口连接；
所述调谐单元，由电容电感网络构成，包括一个电容、一个电容与一个电感组成的并联分支，与辐射环共同构成谐振电路，在两个不同频率处同时实现串联谐振；
双频多通道发射机，包括多路功放模块、双频带通滤波模块、预放大模块；多通道发射机各通道电路相同，实现多路双频信号的预放大、滤波及功率放大，各通道输出端口与各发射天线单元连接；
所述多路功放模块，与双频带通滤波模块连接，实现双频输入信号的功率放大。
双频带通滤波模块，与预放大模块连接，实现双频输入信号的带通滤波。
预放大模块，与多通道信号发生器各输出端口连接，实现双频输入信号的预放大。
多通道信号发生器，包括多路2合1功合器、两路1分n功分器、两路带通滤波器、两路数模转换器、两路直接数字合成器、码流分配器；多通道信号发生器可根据输入码流产生多路双频信号，每路信号的链路电路相同，产生的信号特征相同，各输出端口与多通道发射机各输入端口连接。
所述2合1功合器，与1分n功分器连接，实现两路不同频率信号的合成输出，其输出端合成方式为两路并联合成。
所述1分n功分器，与带通滤波器连接，实现信号的多路等分输出，其输出分路方式为多路并联等分。
所述带通滤波器，与数模转换器连接，实现信号的滤波，其带宽与信号带宽相同。
所述数模转换器，与直接数字合成器连接，将数字合成信号转换为模拟信号。
所述直接数字合成器，与码流分配器连接，将输入码元生成对应频率字，然后产生对应的数字合成信号。
所述码流分配器，按照预定的规则实现输入码流的分配，输出为两路等长码流，分别作为两路直接数字合成器的频率字输入，提高码元的传输速率。
如图1所示，为本发明实施例的透地无线通信发射系统的一种原理示意图，该透地无线通信发射系统包括：双频发射天线阵列1、多通道发射机2、多通道信号发生器3。
双频发射天线阵列中发射天线单元的数量一般不超过8个，从增大发射磁矩及减小占地面积的角度考虑，天线单元数量应尽可能多且需完全重叠布放。
发射天线单元，包括辐射环、调谐单元、输入端；
双频发射天线单元的辐射环111、…、11n的形状一般为圆形，可根据实际安装场合的限制条件进行修改。发射天线单元的辐射环采用单股或多股金属线绕圈而成的圆形或矩形线圈，从增大发射磁矩的角度考虑，多股绝缘金属线外部由一绝缘套保护；发射天线单元的长度应当尽量大，考虑到安装场合的限制及小型化的要求，发射天线单元一般来说小于等于100m。
所述调谐单元121、…、12n为电容、电感组成的调谐网络，用于辐射环的匹配，使其工作于两个不同的谐振频率；
所述输入端131、…、13n为三端口接线模块，一个端口为两线输入端口，与多通道发射机2输出端连接，另外两个端口为两线或多线输出端口，与辐射环的两端分别连接。
图2所示为本发明又一实施例的透地无线通信发射系统的一种原理示意图，多个矩形发射天线单元111、…、11n完全重叠布放。其余同图1实施例。
在本发明的一些实施例中，所述双频发射天线阵列工作于SLF频段到ULF频段，相邻两个工作频率的频差大于等于50Hz，天线单元的数量小于等于8个。
在本发明的一些实施例中，所述双频发射天线工作于SLF频段到ULF频段，两个工作频率的频差大于等于50Hz，天线单元为单匝线圈或多匝线圈，线圈形状为圆形、方形或多边形，天线单元的长度小于等于100m。
在本发明的一些实施例中，所述调谐单元为电容电感网络，如图3所示，包括一个电容和一个电容电感并联分支，并联分支在其谐振频率以上频段等效为一电感
Figure BDA0003288162840000041
在其谐振频率以下等效为一电容，总电容数值满足
Figure BDA0003288162840000042
ω为工作角频率，L2为并联分支电感值，C2为并联分支电容值；并联分支与串联电感及线圈电感实现串联谐振，谐振频率分别为
Figure BDA0003288162840000051
和
Figure BDA0003288162840000052
L1为发射天线电感值，C1为串联电容值，LZ2、CZ2分别为并联分支的等效电感值和等效电容值。在本发明的一些实施例中，所述多通道发射机各通道输出电流小于等于10A。
在本发明的一些实施例中，所述双频带通滤波器每个频段的带宽小于50Hz，两个频段的频差决定于发射天线单元的双频频差。
图4所示为本发明实施例的透地无线通信发射系统多通道发射机的双频多通道发射机原理示意图，所述功率放大器211、…、21n以压控方式工作，实现双频输入信号的放大，保证输出到发射天线单元111、…、11n的电流满足要求。在本发明的一些实施例中，所述功率放大器为以压控方式工作的音频功率放大模块。
所述双频带通滤波模块221、…、22n，与预放大模块231、…、23n连接，实现双频输入信号的带通滤波。预放大模块231、…、23n与多通道信号发生器各输出端口连接，实现双频输入信号的预放大。
图5所示为本发明实施例的透地无线通信发射系统多通道信号发生器的一种原理示意图，码流分配器116将一定长度的输入码元按照规则分为两路并行的短码流，分别输入两路直接数字合成器115，完成数字信号的调制，数字调制信号输入两路DAC114，完成模数转换后经两路带通滤波器113滤波，进入两路1-N功分器，两个多路功分器的输出两两组合进入多路2-1功合器112，输出多路双频调制信号，馈入多个双频发射天线单元。
在本发明的一些实施例中，所述2合1功合器为以金属导线并联方式实现的两输入单输出网络。
在本发明的一些实施例中，所述1分n功分器为以金属导线并联方式实现的单输入等分多输出网络。
该双频多通道透地无线通信发射系统的具体工作方式如下：图1、图2所示实例中，多通道信号发生器3输入端外接控制设备，输入码流输入多通道信号发生器后产生多路双频调制信号，调制信号经多路发射机2放大后进入双频发射天线阵列，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，本发明提供的双频多通道透地无线通信发射系统具有高速率、易架设、易携带、高可靠的特点，可以满足矿井、洞穴、隧道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，所应理解的是，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 (8)

1.一种双频多通道透地无线通信发射系统，其特征在于，包括：
双频发射天线阵列，包括多个双频发射天线单元，所述双频发射天线单元完全重叠布放，实现双频阵列同步发射，提高传输码速率，增强发射信号强度；双频天线完全重叠布放，有效减小天线阵列占用面积；
双频发射天线单元，包括依次相连的辐射环、调谐单元、输入端；所述辐射环为单匝或多匝金属环，形状为圆形或矩形，用于产生近场磁场；所述调谐单元为电容、电感组成的调谐网络，用于辐射环的匹配，使其工作于两个不同的谐振频率；所述输入端为三端口接线模块，一个端口为两线输入端口，与发射机输出端连接，另外两个端口为两线或多线输出端口，与辐射环的两端分别连接；
多通道发射机，包括依次相连的多路功放模块、双频带通滤波模块、预放大模块；所述预放大模块用于发射信号的预放大，频率覆盖双频系统的工作频带；所述双频带通滤波模块由两个带通滤波器组成，用于两个子带发射信号的带通滤波；所述功放模块用于发射信号的功率级放大，频率覆盖双频系统的工作频带；
多通道信号发生器，包括依次相连的多路2合1功合器、两路1分n功分器、两路带通滤波器、两路数模转换器、两路直接数字合成器、码流分配器；所述码流分配器用于按照预定格式将输入的一定长度码流分配为两路等长码流，分别作为两路直接数字合成器的频率字输入；所述数模转换器实现数字信号到模拟信号的转换，用于产生两路不同频率的发射信号；所述直接数字合成器可根据输入频率码产生相应的数字信号；所述1分n功分器，实现1路分n路的信号分配输出；所述带通滤波器实现数模转换输出信号的滤波，用于抑制带外杂散；所述2合1功合器，用于实现两路不同频率信号的合成输出。
2.根据权利要求1所述的双频多通道透地无线通信发射系统，其特征在于，所述双频发射天线单元，工作于SLF频段到ULF频段，相邻的两个工作频率的频差大于等于50Hz，天线单元的数量小于等于8个。
3.根据权利要求1所述的双频多通道透地无线通信发射系统，其特征在于，所述双频发射天线，工作于SLF频段到ULF频段，两个工作频率的频差大于等于50Hz，天线单元为单匝线圈或多匝线圈，线圈形状为圆形或矩形，天线单元的长度小于等于100m。
4.根据权利要求1所述的双频多通道透地无线通信发射系统，其特征在于，所述调谐单元为大功率电感及电容构成的网络，与辐射环构成双频谐振天线单元。
5.根据权利要求1所述的双频多通道透地无线通信发射系统，其特征在于，所述功放模块工作于压控放大模式。
6.根据权利要求1所述的双频多通道透地无线通信发射系统，其特征在于，所述双频带通滤波模块，输入端以并联方式实现一路分两路等分输入，输出端以并联方式实现两路合一路合成输出。
7.根据权利要求1所述的双频多通道透地无线通信发射系统，其特征在于，所述1分n功分器，输出端以并联方式实现一路分多路等分输出。
8.根据权利要求1所述的双频多通道透地无线通信发射系统，其特征在于，所述2合1功合器，输入端以并联方式实现两路合一路合成输入。
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