埋地式無線傳感器的磁感應(yīng)通信天線模型

所屬分類：電子論文閱讀次時(shí)間：2019-06-26 10:51

本文摘要：摘要：磁感應(yīng)通信方式由于其傳播特性不受介質(zhì)電學(xué)特性影響、無多徑效應(yīng)、天線尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，非常適合在地層介質(zhì)中或水下環(huán)境傳輸信號使用。然而其在近場衰減快的特點(diǎn)，也限制了傳輸距離。為增加通信距離，在Zhi Sun超材料天線模型的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)

　　摘要：磁感應(yīng)通信方式由于其傳播特性不受介質(zhì)電學(xué)特性影響、無多徑效應(yīng)、天線尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，非常適合在地層介質(zhì)中或水下環(huán)境傳輸信號使用。然而其在近場衰減快的特點(diǎn)，也限制了傳輸距離。為增加通信距離，在Zhi Sun超材料天線模型的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的小型超材料天線模型，即在螺旋線圈內(nèi)部增加鐵氧體棒，隨后又對球形超材料殼內(nèi)用弱磁材料進(jìn)行了填充。用Comsol對此模型進(jìn)行了仿真，并比較了大半徑線圈模型、大半徑鐵氧體模型、小半徑超材料模型以及改進(jìn)的小半徑超材料模型在不同的填充物條件下接收端天線感應(yīng)的磁場強(qiáng)度。仿真結(jié)果表明相同傳播距離條件下，改進(jìn)的小半徑超材料天線方案的磁通信系統(tǒng)的接收端天線處的磁場強(qiáng)度最高;如果只對接收磁天線超材料殼內(nèi)加填充材料而發(fā)送端天線殼內(nèi)不加填充材料的情況下，改進(jìn)的小型超材料天線模型的接收天線處耦合磁場強(qiáng)度相比大半徑的線圈模型時(shí)接收天線的磁耦合強(qiáng)度提高了約20 dB.

　　關(guān)鍵詞：磁感應(yīng)通信;超材料;鐵氧體;埋地式無線傳感器

電信技術(shù)

　　0 引言

　　在煤礦的地下開采過程中，時(shí)常會面臨著冒頂、透水、火災(zāi)、瓦斯突出等災(zāi)害[1-2]，為預(yù)防可能發(fā)生的危險(xiǎn)，必須加強(qiáng)對頂板壓力、煤層內(nèi)部溫度、瓦斯?jié)舛鹊惹闆r的監(jiān)測，這需要預(yù)先埋設(shè)傳感器到頂板、側(cè)壁和煤層當(dāng)中，由于有線通信方式的局限，這些傳感器和數(shù)據(jù)采集裝置最好以無線通信的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)并與巷道的通信設(shè)備通信[3-4]。然而以電磁波為載波的無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)由于其信號在含水分的地層介質(zhì)中存在著傳播損耗巨大、信道不穩(wěn)定以及天線尺寸大等缺點(diǎn)[5-6]，不適合用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)間通信。相比電磁波，使用磁信號為載體的通信其信道環(huán)境相對穩(wěn)定，不受地層介質(zhì)含水率的影響，也沒有多徑效應(yīng)導(dǎo)致的信號衰落，非常適合用于無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的通信[7-9]。但作為信號載體的磁場強(qiáng)度在近場傳播衰減快，這極大地限制了磁感應(yīng)方式的通信距離。磁感應(yīng)通信方面的研究最早始于上世紀(jì)末的低頻透地通信，由于要穿透幾百米的地層，這種透地通信方式的使用頻率很低，這就需要使用尺寸巨大的環(huán)形天線[10-11]。2010年，Zhi Sun等人建立了無線地下磁感應(yīng)信道模型[12-13]，并從路徑損耗和帶寬等方面與電磁波通信進(jìn)行對比，驗(yàn)證了其可行性。為了擴(kuò)大通信距離，他又提出了磁感應(yīng)波導(dǎo)技術(shù)[14-17]，即在收發(fā)端之間部署多個(gè)相互耦合的中繼線圈。2013年，Seok Baede等人提出了一個(gè)小型的脈沖鐵氧體磁場發(fā)生器來擴(kuò)大通信距離[18]。鐵氧體磁芯圓柱采用具有高磁導(dǎo)率和低磁損耗的錳鋅材料，可通過聚合線圈天線周圍的磁場擴(kuò)大通信距離。2016年，Zhi Sun等人提出了一個(gè)超材料增強(qiáng)型的磁感應(yīng)機(jī)制[19]。磁感應(yīng)收發(fā)端的天線線圈被一層超材料的球形外殼包圍，這一層超材料外殼的磁導(dǎo)率為負(fù)數(shù)，可以有效地增加線圈周圍的磁場。為進(jìn)一步延長磁感應(yīng)通信的距離，主要從增強(qiáng)磁場強(qiáng)度的角度出發(fā)，提出了改進(jìn)的小型超材料天線模型。

　　1 改進(jìn)的超材料天線模型超材料[20-21]是一種人工復(fù)合媒質(zhì)，具有天然常規(guī)介質(zhì)不具備的超常的物理特性，主要有左手材(雙負(fù)介質(zhì))和單負(fù)介質(zhì)[22-25](負(fù)介電或負(fù)磁導(dǎo))，具有放大消逝波、電磁隱身等優(yōu)點(diǎn)。文中所用超材料是一種磁導(dǎo)率為負(fù)數(shù)的單負(fù)介質(zhì)。普通的磁通信模型[26-27]是采用2個(gè)相互耦合的空芯線圈構(gòu)成磁感應(yīng)信號收發(fā)裝置，發(fā)射線圈和接收線圈處于同心位置，其中心軸線與地面平行。如果在收發(fā)線圈外部都增加一層超材料球殼，會使磁感應(yīng)信號穿過超材料層后能夠增強(qiáng)電磁波近場的磁場分量，也就是說提高了接收端的磁場強(qiáng)度。其等效電路如圖1所示。其中Rc為線圈電阻，Ω;Ls為線圈自感的實(shí)部，H;Lx為線圈自感的虛部，H;C為用于調(diào)諧電路諧振的補(bǔ)償電容，F(xiàn);Rl為接收器負(fù)載，Ω;Vg為信號源的電壓，V;M為2個(gè)相鄰線圈之間的互感，H.補(bǔ)償電容取值為C=1ω20Ls;ω0=2πf，f為線圈的諧振頻率。同時(shí)，普通的磁通信由于沒有超材料的放大作用，其自感虛部Lx≈0.

　　結(jié) 論

　　1)在發(fā)射端的線圈內(nèi)增加鐵氧體磁芯棒能夠增強(qiáng)其接收端的磁場強(qiáng)度。2收發(fā)端球形外殼內(nèi)填充物的不同也會影響接受端的磁場強(qiáng)度。選擇只對接收端的球形外殼內(nèi)添加相對磁導(dǎo)率為5的弱磁材料，該改進(jìn)的小型超材料天線模型接收端的磁場強(qiáng)度比大半徑的線圈模型增加約20 dB，比大半徑的鐵氧體模型增加約18 dB，比超材料模型增加約8 dB.因此在相同磁場強(qiáng)度下，改進(jìn)的小型超材料天線模型的通信距離更遠(yuǎn)。

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