用于透地通信的自諧振式陣列天線及天線單元的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及透地通信領(lǐng)域，特別是一種自諧振式陣列天線，以及作為這種陣列天線主要構(gòu)成部分的天線單元。
【背景技術(shù)】
[0002]礦井災(zāi)害發(fā)生時，常規(guī)的有線通信系統(tǒng)通常會遭到毀壞，井下與地面通信中斷直接導(dǎo)致困在井下的幸存者無法與地面人員或救護(hù)人員取得聯(lián)絡(luò)，給及時有效地組織救援帶來很大困難。
[0003]礦井的地層主要是由沉積巖構(gòu)成的多層狀結(jié)構(gòu)組成，各層分別屬于不同的層系，每一層系都有若干的礦物層和圍巖，使得無線信號在地層中的傳輸條件很復(fù)雜。然而大地信道又是相對穩(wěn)定的，一般不受井下災(zāi)害事故的影響，透地通信被認(rèn)為是最可靠的礦難救援的通信方式。大地不同于空氣，會使電磁波有明顯的衰減，頻率越高衰減越嚴(yán)重。通常透地通信系統(tǒng)采用低頻信號作為載波，尤其是IKHz到SKHz的載波頻率為世界上主要的透地通信提供商所采用。
[0004]在導(dǎo)電媒質(zhì)中傳播低頻信號時，通常采用磁場耦合的方式。天線常采用單匝或者多匝線圈，與系統(tǒng)的發(fā)射端或接收端直接相連，實(shí)現(xiàn)對信號的發(fā)射或接收。這樣的線圈天線又可按照中心是否有鐵氧體插入分為兩類。在線圈中插入鐵氧體，可以有效提高線圈中心的磁導(dǎo)率，但是強(qiáng)磁場中容易飽和，通常只用在接收天線中。由于大塊的磁芯笨重且價格昂貴，在對接收天線尺寸沒有限制的情況下，使用空心的面積較大的多匝線圈可以有更好的接收效果。
[0005]當(dāng)前的透地通信系統(tǒng)普遍存在著一些突出問題，直接制約了其在我國礦產(chǎn)企業(yè)的應(yīng)用。首要的問題是傳輸距離不夠遠(yuǎn)。我國的礦產(chǎn)企業(yè)尤其是煤礦企業(yè)，開采深度普遍達(dá)到600?700米，更有不少礦井深度達(dá)到1000米。而世界上主要透地通信設(shè)備生產(chǎn)商比如美國的Lockheed Martin公司和加拿大Vital Alert公司的語音信號的透地傳輸距離僅在300米左右，遠(yuǎn)不能滿足我國工礦企業(yè)對透地深度的實(shí)際需求。另外一個的問題是已有的透地通信產(chǎn)品對配電設(shè)備的干擾比較敏感。主要因?yàn)榈叵碌耐ㄐ旁O(shè)備發(fā)出的信號經(jīng)過地層已經(jīng)很微弱，極容易被周圍的用電設(shè)備的電噪聲淹沒。此外還有地表天線長度達(dá)數(shù)百米，鋪設(shè)麻煩等問題也限制了透地通信系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。目前，國內(nèi)外各研究單位為了使透地通信達(dá)到更好的使用效果，紛紛把研究重點(diǎn)放在提高天線性能，從而提高系統(tǒng)的傳輸距離和抗干擾能力等方面。
[0006]隨著我國的礦用透地通信系統(tǒng)的傳輸距離的要達(dá)到千米左右，傳統(tǒng)的天線已經(jīng)不能滿足要求。傳統(tǒng)的天線帶寬較寬，對頻帶外的信號沒有有效抑制，使得工作時信噪比很低，接收信號微弱的時候系統(tǒng)不能正常工作。同時，天線由于和系統(tǒng)相連，接收端或發(fā)射端的輸入電阻直接加載到天線上，使得天線自諧振回路的Q值很低，天線的有效面積Aeff較小，不能將天線周圍較大空間中的微弱信號聚集到天線附近實(shí)現(xiàn)接收，這使得已有的通信系統(tǒng)不能有效接收微弱信號。
[0007]因此，需要一種新的天線技術(shù)方案，有效抑制非工作頻率的環(huán)境噪聲，增強(qiáng)工作頻率內(nèi)有用信號的接收效果，解決遠(yuǎn)距離透地通信多年來沒有解決的關(guān)鍵問題。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0008]本實(shí)用新型的目的是提供一種用于透地通信的自諧振式陣列天線及天線單元，用以解決的透地通信距離短的問題。
[0009]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的方案包括:
[0010]一種用于透地通信的自諧振式陣列天線，包括至少兩個天線單元，每個天線單元包括一個交流回路和一個激勵回路；交流回路包括至少一匝導(dǎo)電體形成的線圈，以及導(dǎo)電體兩端之間連接的電容模塊；激勵回路包括一個導(dǎo)電環(huán)，導(dǎo)電環(huán)具有一個開口端，開口端用于連接通信系統(tǒng)的發(fā)射或接收信號端口 ；一個天線單元中的交流回路與激勵回路之間絕緣、磁場耦合設(shè)置；各天線單元的線圈工作于對應(yīng)的工作頻率，各天線單元的激勵回路的開口端串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)設(shè)置。
[0011]進(jìn)一步的，所述激勵回路間隔圍設(shè)于交流回路外側(cè)，或者交流回路間隔圍設(shè)于激勵回路外側(cè)。
[0012]進(jìn)一步的，所述導(dǎo)電體為導(dǎo)電條、導(dǎo)電帶或?qū)Ь€。
[0013]進(jìn)一步的，所述電容模塊為一個單體電容，或者由若干單體電容串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)構(gòu)成。
[0014]進(jìn)一步的，所述單體電容為低損耗電容。
[0015]進(jìn)一步的，所述各天線單元的工作頻率小于ΙΟΚΗζ。
[0016]本實(shí)用新型還提供了一種天線單元，包括一個交流回路和一個激勵回路；交流回路包括至少一匝導(dǎo)電體形成的線圈，以及導(dǎo)電體兩端之間連接的電容模塊；激勵回路包括一個導(dǎo)電環(huán)，導(dǎo)電環(huán)具有一個開口端，開口端用于連接通信系統(tǒng)的發(fā)射或接收信號端口 ；一個天線單元中的交流回路與激勵回路之間絕緣、磁場耦合設(shè)置。
[0017]進(jìn)一步的，所述激勵回路間隔圍設(shè)于交流回路外側(cè)，或者交流回路間隔圍設(shè)于激勵回路外側(cè)。
[0018]進(jìn)一步的，所述導(dǎo)電體為導(dǎo)電條、導(dǎo)電帶或?qū)Ь€。
[0019]本實(shí)用新型提出的新的天線單元，交流回路的線圈不直接與通信系統(tǒng)發(fā)射或接受端連接，從而使線圈具有較高的Q值，可以有效抑制工作頻帶外的噪聲信號，同時相對于傳統(tǒng)的接收或發(fā)射天線以同樣幾何外形尺寸達(dá)到傳統(tǒng)天線方案的幾倍至十幾倍的天線有效面積(Antenna aperture)，顯著提高透地通信設(shè)備對微弱信號的接收，從而解決了透地通信傳輸距離短的問題，使通信距離能夠達(dá)到1000米以上。
[0020]本實(shí)用新型的新天線采用多個天線單元，形成陣列天線，可以有效提高通信速率。每個天線單元的線圈設(shè)置為工作在對應(yīng)(相同或不同)頻率的電容加載線圈，進(jìn)而通過陣列結(jié)構(gòu)，將各天線單元的工作頻帶有效組合起來，實(shí)現(xiàn)整個天線陣列系統(tǒng)具有更寬的帶寬，顯著提高通信系統(tǒng)的信道容量從而提高通信速率。采用這種陣列形式的自諧振天線系統(tǒng)能同時滿足透地通信系統(tǒng)的透地距離和語音等多媒體通信的需求。
[0021]透地通信系統(tǒng)需要將天線工作頻率控制在1KHz以下，從而使系統(tǒng)發(fā)射的電磁波的磁場能密度遠(yuǎn)大于電場能密度，實(shí)現(xiàn)低路徑損耗的場通信狀態(tài)。
【附圖說明】
[0022]圖1是自諧振式陣列天線實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)原理圖；
[0023]圖2是自諧振式陣列天線實(shí)施例1的通信主機(jī)示意圖；
[0024]圖3是另一種天線單元的結(jié)構(gòu)原理圖；
[0025]圖4是自諧振式陣列天線實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)原理圖；
[0026]圖5是自諧振式陣列天線實(shí)施例2的通信主機(jī)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0028]自諧振式陣列天線實(shí)施例1
[0029]如圖1、圖2所示，一種自諧振式陣列天線，包括第一、第二兩個天線單元，每個天線單元由一個交流回路和一個激勵回路構(gòu)成。
[0030]對于第一天線單元，其交流回路為一個電容加載線圈105，線圈兩端通過一個單體電容106連接。電容采用低損耗電容。線圈105為一匝帶狀(或條狀)導(dǎo)體。激勵回路107圍設(shè)于線圈105外，形成一個導(dǎo)電環(huán)，該導(dǎo)電環(huán)的開口端101經(jīng)導(dǎo)線連接至透地通信系統(tǒng)104的發(fā)射/接收端口 103。
[0031]對于第二天線單元，其交流回路為一個電容加載線圈108，線圈兩端通過一個單體電容109連接。電容采用低損耗電容。線圈108為一匝帶狀(或條狀)導(dǎo)體。激勵回路110圍設(shè)于線圈108外，形成一個導(dǎo)電環(huán)，該導(dǎo)電環(huán)的開口端102經(jīng)導(dǎo)線連接至透地通信系統(tǒng)104的發(fā)射/接收端口 103。
[0032]如圖2，端口 101、102串聯(lián)，串聯(lián)后與通信系統(tǒng)104的發(fā)射/接收信號端口 103相連。
[0033]通過調(diào)節(jié)激勵回路與電容加載