無線地下通信的天線的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求于2012年7月20日提出的題目為無線地下通信的天線的美國申請序 列號No. 61/673, 757的優(yōu)先權(quán)，該申請的公開通過引用并入于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本公開設(shè)及無線天線，并且更具體地設(shè)及無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)（WUSN)的地下天 線的特性。
【背景技術(shù)】
[0004] 無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)（WUSN)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN)對地下設(shè)備的自然擴(kuò)張。 WUSN通常包括埋在±壤中的傳感器微塵，并且例如能夠提供精細(xì)農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)控和虛擬圍 欄方面的應(yīng)用。在地下設(shè)備中建立無線通信鏈路可能是有挑戰(zhàn)性的?？赡軙黾犹魬?zhàn)性的 示例因素包括±壤的高電容率、±壤空氣界面特性和特定的實(shí)時±壤狀況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 公開了用于福射經(jīng)過耗散介質(zhì)的地下天線結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)和方法。另外，公開了用于 測量諸如±壤的耗散介質(zhì)中的狀況的系統(tǒng)和方法。在圖3-8中示出了經(jīng)驗評估，從而示 出考慮±壤中的波長改變和從±壤空氣界面的反射兩者而設(shè)計的天線能夠適應(yīng)±壤濕度 的主要改變，并且與僅基于上壤中的波長改變而設(shè)計的天線相比，能夠改善通信距離達(dá)到 587%。作為示例，在本文獻(xiàn)中描述的具體寬帶天線的選擇或設(shè)計能夠?qū)е略谔炀€和一個或 多個其他結(jié)構(gòu)或網(wǎng)絡(luò)之間發(fā)生的通信的通信距離增加。
[0006] 在一種實(shí)施方式中，公開了一種用于福射經(jīng)過耗散介質(zhì)的地下天線結(jié)構(gòu)。所述天 線結(jié)構(gòu)包括電介質(zhì)基板，布置在基板上的饋送結(jié)構(gòu)，W及配置在基板上、被定向并被埋在耗 散介質(zhì)中的一個或多個電導(dǎo)體。在一些實(shí)施方式中，電導(dǎo)體適配于W與耗散介質(zhì)相鄰的半 空間中的頻率福射信號。該樣的適配例如可W包括至少部分地基于耗散介質(zhì)的相對電容率 (例如含水量）而為一個或多個電導(dǎo)體設(shè)計波束寬度狀態(tài)。在一些實(shí)施方式中，天線結(jié)構(gòu)是 對于多種±壤狀況維持小于大約負(fù)10分貝的回波損耗的寬帶天線。在一個示例中，寬帶天 線具有大約100毫米的直徑，并且天線被埋在非均質(zhì)上壤中。
[0007] 在一些實(shí)施方式中，一個或多個電導(dǎo)體被定向為朝向并且大致平行于自由空間與 耗散介質(zhì)之間的界面，并且由地下天線結(jié)構(gòu)發(fā)射的相應(yīng)福射圖案朝向界面是單向性的。在 一些示例中，天線結(jié)構(gòu)被埋在耗散介質(zhì)中大約0. 1米直到大約1. 0米處。
[000引在一些實(shí)施方式中，天線結(jié)構(gòu)包括能夠適配于提供適應(yīng)不同±壤狀況下從±壤到 空氣的臨界入射角度的波束寬度的電路。在天線結(jié)構(gòu)的一些方面，該波束寬度狀態(tài)導(dǎo)致對 于地下天線結(jié)構(gòu)與一個或多個其他結(jié)構(gòu)或網(wǎng)絡(luò)之間的通信的無線通信距離增加。臨界入射 角度可W是大約5度與大約15度之間的臨界操作角度0C，其中臨界操作角度0C值至少 部分地基于耗散介質(zhì)的電容率。在一些示例中，臨界操作角度0C表示超過該角度對于天 線結(jié)構(gòu)不存在折射的角度。
[0009] 在另一個實(shí)施方式中，公開了用于測量耗散介質(zhì)中的狀況的無線地下系統(tǒng)。系統(tǒng) 包括一個或多個無線濕度傳感器，每一個無線濕度傳感器包括傳感器板、在傳感器板內(nèi)的 處理器和與處理器通信并禪接至天線的收發(fā)器。系統(tǒng)還包括網(wǎng)關(guān)，其被配置為接收并發(fā)送 無線消息，并且進(jìn)一步被配置為與網(wǎng)絡(luò)通信，并且接收和中繼來自一個或多個無線濕度傳 感器的無線消息。在一些實(shí)施方式中，每個無線濕度傳感器被配置為（i)從沿著耗散介質(zhì) 的長度的多個傳感器收集關(guān)于耗散介質(zhì)的狀況的數(shù)據(jù)，并且（ii)響應(yīng)于檢測到耗散介質(zhì) 的電容率的改變的闊值水平，維持回波損耗的闊值水平。
[0010] 在一些實(shí)施方式中，耗散介質(zhì)的電容率的改變的闊值水平包括耗散介質(zhì)的濕度水 平的大約百分之五的增加或減少，并且回波損耗的闊值水平小于大約負(fù)10分貝。
[0011] 在一些方面，一個或多個無線濕度傳感器能夠收集來自耗散介質(zhì)內(nèi)的至少兩個深 度的數(shù)據(jù)。示例的深度可W包括在耗散介質(zhì)（例如±壤）的表面下面大約0.1米和在耗散 介質(zhì)（例如±壤）的表面下面大約1. 0米。
[0012] 在另一個實(shí)施方式中，公開了用于操作福射經(jīng)過耗散介質(zhì)的地下天線結(jié)構(gòu)的方 法。方法包括使用地下天線結(jié)構(gòu)測量與多個無線傳感器周圍的耗散介質(zhì)相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，其 中多個無線傳感器禪接至天線結(jié)構(gòu)。方法還包括響應(yīng)于檢測到耗散介質(zhì)的電容率的改變的 闊值水平，而對于天線結(jié)構(gòu)維持回波損耗的闊值水平小于大約負(fù)10分貝。示例的耗散介質(zhì) 的電容率的改變的闊值水平可W包括耗散介質(zhì)的濕度水平的大約百分之五的增加或減少。 方法還包括使用天線發(fā)送來自多個無線傳感器的一個或多個無線消息。消息可W與測量的 數(shù)據(jù)相對應(yīng)。
[0013] 有利地，所描述的系統(tǒng)和技術(shù)可W提供一個或多個益處，諸如基于確定實(shí)時上壤 特性而能夠從無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)收集的信息增加。作為另一個優(yōu)點(diǎn)，在地下通信中使用 寬帶天線提供了被設(shè)計為補(bǔ)償±壤中的簡單波長改變的天線的顯著的距離增加。
[0014] 在附圖和下面的說明書中闡述一個或多個實(shí)施方式的細(xì)節(jié)。根據(jù)說明書和附圖W 及權(quán)利要求，本發(fā)明的其他特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會顯而易見。
【附圖說明】
[001引圖1是用于測量±壤特性并提供貫穿無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)（WUSN)的地下通信的 系統(tǒng)的概念圖。
[0016] 圖2A-2B是示出地下天線的示例分析的概念圖。
[0017] 圖3A-3C圖示了在空氣和±壤中的偶極子天線的回波損耗的示例理論分析。
[001引圖4A-4B圖示了在空氣和±壤中的偶極子天線的示例仿真。
[0019] 圖5A-5F圖示了對于不同天線類型測量的回波損耗。
[0020] 圖6A-6B圖示了對于放置在不同介質(zhì)中的多個不同天線的諧振頻率偏移。
[0021] 圖7A-7D圖示了對于被埋在30厘米深度的多個天線的測量的回波損耗。
[0022] 圖8圖示了對于不同±壤濕度中的不同天線的多個頻帶。
[0023] 圖9是用于無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)的圓形平面天線的示例圖。
[0024] 圖10圖示了表面下的地下通信的S條路徑的示例。
[00巧]圖11是用于操作福射經(jīng)過耗散介質(zhì)的地下天線結(jié)構(gòu)的示例方法。
[0026] 圖12是可W用于實(shí)施在本文獻(xiàn)中描述的系統(tǒng)和方法的計算設(shè)備的方塊圖。
[0027]在不同附圖中的相同附圖標(biāo)記指示相同元素。
【具體實(shí)施方式】
[002引在無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)（WUSN)中使用的天線可W被埋在上壤、水或巖床中。埋設(shè) 天線去除了在傳統(tǒng)通信情況下發(fā)生的天線波傳播所共有的露天方面。該露天傳播特性的去 除通常引入了關(guān)于天線阻抗匹配的一個或多個問題，該反過來在WUSN中的一個或多個天 線之間引入了許多通信問題。
[0029]使用電磁信號（即電磁波）的無線通信通常當(dāng)波被發(fā)送經(jīng)過諸如±壤或巖石的損 耗介質(zhì)時設(shè)及高水平的信號衰減。在一個示例中，高水平的信號衰減可W是由于信號在介 質(zhì)中的吸收。影響可能包括極度的信號損耗，由于±壤的非均質(zhì)性而導(dǎo)致的多徑效應(yīng)，由于 電氣接地電流而導(dǎo)致的噪聲，和/或在降雨之后由于潮濕±壤而導(dǎo)致的延長的中斷周期。
[0030]當(dāng)傳播經(jīng)過±壤或巖石時的信號損耗量取決于材料的性質(zhì)。例如，±壤中過多的 水的存在可能產(chǎn)生大量的衰減，該通常隨著±壤的含水量增加而增加。在一些實(shí)施方式中， 水對信號的影響取決于在無線通信中使用的頻率。通常，當(dāng)傳播經(jīng)過±地時，低頻將會經(jīng)歷 較小的衰減。能夠影響傳播經(jīng)過±地的電磁信號的衰減的其他±壤因素可W包括例如±壤 密度、±壤微粒尺寸和/或±壤溫度。
[0031] 圖1是用于測量±壤特性并提供貫穿無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)（WUSN) 102的地下和地 上通信的系統(tǒng)100的概念圖。在高層處，系統(tǒng)100包括傳感器網(wǎng)絡(luò)102中的多個傳感器，其 用于測量環(huán)境特性。傳感器可W表示無線通信網(wǎng)絡(luò)，在其中諸如傳感器數(shù)據(jù)、操作數(shù)據(jù)、命 令和/或環(huán)境數(shù)據(jù)的消息能夠在傳感器與諸如網(wǎng)絡(luò)102或104的一個或多個網(wǎng)絡(luò)之間無線 地通信，從而到達(dá)諸如服務(wù)器106的服務(wù)器。在一些實(shí)施方式中，服務(wù)器106(或者經(jīng)由網(wǎng) 絡(luò)104連接的其他設(shè)備）能夠?qū)⑿畔⒑拖?dǎo)至WUSN102中的一個或多個傳感器。對于 每個無線傳感器的通信能力可W取決于許多環(huán)境因素。因此，能夠使用天線設(shè)計技術(shù)設(shè)計 電路W確?！廊捞匦院?或環(huán)境因素中的改變不會影響傳感器的通信能力。
[003引通常，WUSN102中的傳感器可特定的排列或間隔被埋設(shè)。在一個示例中，傳感 器可W被均勻地間隔開并且埋在相同深度，從而在相同深度W均勻增量建立±壤測量。例 如，該能夠幫助了解對農(nóng)田的灌概需求。在一些實(shí)施方式中，能夠基于來自測量所需的具體 信息而W變化的深度和變化的間隔來間隔開傳感器。每個傳感器能夠包括傳感器板，傳感 器板內(nèi)的處理器，W及與處理器通信并且禪接至天線的收發(fā)器。
[0033]在一些實(shí)施方式中，傳感器可W是無線濕度傳感器，其被配置為收集關(guān)于耗散介 質(zhì)（例如±壤）的狀況的數(shù)據(jù)。例如，傳感器能夠檢測±壤中的改變，諸如±壤的濕度的改 變的闊值水平。
[0034]傳感器能夠經(jīng)由配置為接收和發(fā)送無線消息的無線網(wǎng)關(guān)而被連接。該網(wǎng)關(guān)還可W配置為與一個或多個網(wǎng)絡(luò)通信，并且接收并中繼來自多個無線濕度傳感器的無線消息。
[0035]在地下通信中，存在能夠用于確定天線的阻抗的許多因素。該樣的因素可W包括 但不限于±壤中的波長，從±壤-空氣界面的反射，^及±壤濕度的改變。在下面的示例 中，天線能夠被表示為Z。，并且收發(fā)器可W被表示為Zs。為了有效的無線通信，示例天線Z。 的阻抗通常與示例收發(fā)器女的輸出阻抗匹配，從而使得福射功率最大化并且返回收發(fā)器的 功率最小化。
[0036] 在操作中，地下天線的阻抗是波長的函數(shù)，當(dāng)電磁波在±壤中傳播時波長會變 短。因此，對于給定的頻率，在空氣中的匹配天線當(dāng)被埋在±壤中時很可能不再匹配。另 夕F，在用于農(nóng)業(yè)的WUSN應(yīng)用中使用的地下天線通常包括多個傳感器微塵，每一個具有一個 或多個天線（例如一個或多個天線和/或天線陣列）。該些傳感器微塵通常被埋在0. 3-1 米的深度。在該埋設(shè)深度，從±壤-空氣界