埋地式無線傳感器的磁感應通信天線模型

　　摘 要：磁感應通信方式由于其傳播特性不受介質(zhì)電學特性影響、無多徑效應、天線尺寸小等優(yōu)點，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，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上，提出了一種改進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)用弱磁材料進行了填充。用Comsol對此模型進行了仿真，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的磁場強度。仿真結(jié)果表明相同傳播距離條件下，改進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，改進的小型超材料天線模型的接收天線處耦合磁場強度相比大半徑的線圈模型時接收天線的磁耦合強度提高了約20 dB.

　　關鍵詞：磁感應通信;超材料;鐵氧體;埋地式無線傳感器

　　0 引 言

　　在煤礦的地下開采過程中，時常會面臨著冒頂、透水、火災、瓦斯突出等災害[1-2]，為預防可能發(fā)生的危險，必須加強對頂板壓力、煤層內(nèi)部溫度、瓦斯?jié)舛鹊惹闆r的監(jiān)測，這需要預先埋設傳感器到頂板、側(cè)壁和煤層當中，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成網(wǎng)絡并與巷道的通信設備通信[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[5-6]，不適合用于無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點間通信。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，也沒有多徑效應導致的信號衰落，非常適合用于無線地下傳感器網(wǎng)絡節(jié)點間的通信[7-9]。但作為信號載體的磁場強度在近場傳播衰減快，這極大地限制了磁感應方式的通信距離。磁感應通信方面的研究最早始于上世紀末的低頻透地通信，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行對比，驗證了其可行性。為了擴大通信距離，他又提出了磁感應波導技術[14-17]，即在收發(fā)端之間部署多個相互耦合的中繼線圈。2013年，Seok Baede等人提出了一個小型的脈沖鐵氧體磁場發(fā)生器來擴大通信距離[18]。鐵氧體磁芯圓柱采用具有高磁導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大通信距離。2016年，Zhi Sun等人提出了一個超材料增強型的磁感應機制[19]。磁感應收發(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率為負數(shù)，可以有效地增加線圈周圍的磁場。為進一步延長磁感應通信的距離，主要從增強磁場強度的角度出發(fā)，提出了改進的小型超材料天線模型。

　　1 改進的超材料天線模型超材料[20-21]是一種人工復合媒質(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(雙負介質(zhì))和單負介質(zhì)[22-25](負介電或負磁導)，具有放大消逝波、電磁隱身等優(yōu)點。文中所用超材料是一種磁導率為負數(shù)的單負介質(zhì)。普通的磁通信模型[26-27]是采用2個相互耦合的空芯線圈構成磁感應信號收發(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，會使磁感應信號穿過超材料層后能夠增強電磁波近場的磁場分量，也就是說提高了接收端的磁場強度。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)諧電路諧振的補償電容，F(xiàn);Rl為接收器負載，Ω;Vg為信號源的電壓，V;M為2個相鄰線圈之間的互感，H.補償電容取值為C=1ω20Ls;ω0=2πf，f為線圈的諧振頻率。同時，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其接收端的磁場強度。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度。選擇只對接收端的球形外殼內(nèi)添加相對磁導率為5的弱磁材料，該改進的小型超材料天線模型接收端的磁場強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.因此在相同磁場強度下，改進的小型超材料天線模型的通信距離更遠。

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