Vlf發(fā)射天線系統(tǒng)、方法和裝置制造方法
【專利摘要】提供了一種用于產(chǎn)生適用于通過地面或其它厚的固體障礙物通信的低頻磁場的甚低頻(VLF)發(fā)射天線系統(tǒng)、方法和裝置。將至少兩個(gè)環(huán)形天線布置成使得所述至少兩個(gè)環(huán)形天線中的每個(gè)環(huán)形天線的磁場穿過所述至少兩個(gè)環(huán)形天線中的每個(gè)其余的環(huán)形天線，從而將所述至少兩個(gè)環(huán)形天線緊密地耦合。將全橋脈沖寬度調(diào)制發(fā)射器直接連接到每個(gè)環(huán)形天線以用于驅(qū)動(dòng)后者。當(dāng)給定環(huán)形天線的環(huán)斷開并且它的磁場坍塌時(shí)，連接到其余環(huán)形天線的所述發(fā)射器增大其余環(huán)中的電流以維持恒定的磁場。
【專利說明】VLF發(fā)射天線系統(tǒng)、方法和裝置
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]根據(jù)美國法典第35卷第119(e)款，本申請(qǐng)要求2011年11月17日提交的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)第61/561，134號(hào)的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容通過引用并入于此。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明涉及適用于通過地面或其它厚的固體障礙物通信的甚低頻(VLF)發(fā)射天線。
【背景技術(shù)】
[0004]已知當(dāng)前大多數(shù)無線通信技術(shù)不能穿過由諸如巖石、混凝土或土壤的材料制成的厚的固體障礙物。在大于幾kHz的頻率處，這些弱導(dǎo)電材料的趨膚深度相當(dāng)小，并且電磁波被衰減到甚至是短距離(小于一米)通過固體材料通信都是不可能的程度。在諸如隧道和礦井的工作環(huán)境中，工人因而不能容易地與例如位于該隧道不同部分處或位于地面表面上的主管或其他工人通信。
[0005]這些通信系統(tǒng)不僅對(duì)常規(guī)的日常工作有用，而且它們?cè)诰o急情況下是不可缺少的。例如，如果隧道坍塌而使工人困于其中，則提供這種通信可以顯著地減少尋找和營救被困工人的時(shí)間。這將在挽救該工人生命的機(jī)會(huì)上提供顯著的改進(jìn)。
[0006]因此，也已經(jīng)提出一些無線方案用于基于磁感應(yīng)通信的透地通信。這些系統(tǒng)使用導(dǎo)電線圈來生成甚低載波頻率的發(fā)射磁場，典型為IOkHz以下。由環(huán)形天線產(chǎn)生的磁場的強(qiáng)度由天線偶極矩D給出，其中:
[0007]D = A*I*N [I]
[0008]A=天線面積,單位為m2
[0009]I =天線電流,單位安培
[0010]N =環(huán)的匝數(shù)
[0011]在煤礦開采應(yīng)用中，將安全限值施加到流過給定電感的電線的電流上，以便防止開路產(chǎn)生能夠點(diǎn)燃空氣甲烷混合物的火花。這直接影響環(huán)形天線中使用的電流、尺寸和匝數(shù)，并且因此影響偶極矩。這繼而限制了磁感應(yīng)通信系統(tǒng)在煤礦井中安全使用的可用范圍。
[0012]已知使用環(huán)形天線用于透地?zé)o線電的發(fā)射和接收功能。這種天線可以包括若干導(dǎo)體束，其可以并聯(lián)連接以形成低電阻的發(fā)射天線，或串聯(lián)連接以增加用于接收目的的環(huán)的匝數(shù)。該天線可以具有單個(gè)用于傳輸?shù)酿侂婞c(diǎn)。雖然并聯(lián)導(dǎo)體減少了線圈繞組的電阻，但是它們并未顯著地改變它的電感。因此，該發(fā)射天線結(jié)構(gòu)的偶極矩僅可通過如任何其它傳統(tǒng)環(huán)形天線那樣增加天線尺寸(并且因此增加電感)或電流來增加。
[0013]進(jìn)一步已知使用地下礦井通信系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)礦井通信并且使用本質(zhì)安全的限流器電路用于確保該系統(tǒng)中的電氣設(shè)備將不會(huì)弓I起燃燒條件。該限流器確保電流不會(huì)超過MSHA規(guī)定的用于本質(zhì)安全的限值，并且發(fā)射器偶極矩因此受到如上所述的限制。
[0014]另外，已經(jīng)描述了用于透地通信的天線包括多個(gè)導(dǎo)電環(huán)，其中每個(gè)環(huán)可以由分離的發(fā)射器驅(qū)動(dòng)。這些發(fā)射器將相同的驅(qū)動(dòng)信號(hào)提供給每個(gè)環(huán)，并且布置這些環(huán)以便它們的磁場相結(jié)合。這種布置可以通過在每個(gè)發(fā)射器與天線環(huán)之間增加限流電路來適用于本質(zhì)安全的應(yīng)用。
[0015]圖1是傳統(tǒng)多環(huán)天線系統(tǒng)的框圖。為清楚起見，該框圖示出具有三個(gè)環(huán)形天線的系統(tǒng)，但是可以使用其它數(shù)目(m)的天線。VLF信號(hào)源I連接到三個(gè)發(fā)射放大器2a、2b、2c，這些發(fā)射放大器提供輸出信號(hào)，該輸出信號(hào)以匹配電路3a、3b、3c和變壓器4a、4b、4c為條件來將電流驅(qū)動(dòng)進(jìn)低阻抗天線環(huán)5a、5b、5c。在每個(gè)放大器與環(huán)形天線之間使用以虛線框所示的電流和電壓限制器電路6a、6b、6c，以防止天線電流和電壓超過用于給定環(huán)電感的已知安全級(jí)別。因此，如果這些電線中的一個(gè)的電流由于切斷或斷開該電線而中斷，它將不能點(diǎn)燃易燃環(huán)境。
[0016]然而，如果使用了 m個(gè)環(huán)，這些環(huán)之間的互耦增加了從發(fā)射器看去的阻抗。那么，每個(gè)環(huán)中的電流僅可通過增加發(fā)射器電壓來維持，其繼而施加了更低的安全電流限值。為了將電壓和電流維持在安全范圍內(nèi)，因此需要將環(huán)數(shù)m限值為小的數(shù)目，S卩，四個(gè)環(huán)，并且通過使用多個(gè)限流發(fā)射天線所提供的偶極矩和遠(yuǎn)距離B磁場中的實(shí)際改進(jìn)相當(dāng)小。
[0017]因此，顯然仍需要改進(jìn)用于磁感應(yīng)通信的發(fā)射器的性能，同時(shí)滿足該系統(tǒng)的本質(zhì)安全的全部要求。進(jìn)一步需要一種適用于使用電磁感應(yīng)的透地?zé)o線電通信的發(fā)射器，其減少了當(dāng)電流被中斷時(shí)可用于在易燃環(huán)境中著火的能量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018]根據(jù)第一寬泛的方面，提供一種用于基于磁感應(yīng)耦合的透地通信的甚低頻(VLF)發(fā)射天線系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括至少兩個(gè)環(huán)形天線，被布置成所述至少兩個(gè)環(huán)形天線中的每個(gè)環(huán)形天線的磁場穿過所述至少兩個(gè)環(huán)形天線中的每個(gè)其余的環(huán)形天線，從而將所述至少兩個(gè)環(huán)形天線緊密地磁耦合，以及至少兩個(gè)發(fā)射器，每個(gè)所述發(fā)射器直接連接到所述至少兩個(gè)環(huán)形天線中的對(duì)應(yīng)一個(gè)環(huán)形天線并且驅(qū)動(dòng)所述至少兩個(gè)環(huán)形天線中的所述對(duì)應(yīng)一個(gè)環(huán)形天線。
[0019]根據(jù)第二寬泛的方面，提供一種用于產(chǎn)生用于基于磁感應(yīng)耦合的透地通信的VLF調(diào)制磁場的方法，所述方法包括將數(shù)據(jù)信號(hào)調(diào)制到VLF載波頻率上，將所述調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換為PWM控制信號(hào)，以及將所述PWM控制信號(hào)應(yīng)用到至少兩個(gè)全橋發(fā)射器上，每個(gè)發(fā)射器被直接連接到至少兩個(gè)分離的環(huán)形天線中的對(duì)應(yīng)一個(gè)環(huán)形天線。
[0020]根據(jù)第三寬泛的方面，提供一種用于產(chǎn)生用于基于磁感應(yīng)耦合的透地通信的VLF調(diào)制磁場的VLF發(fā)射天線裝置，所述裝置包括:至少兩個(gè)分離的環(huán)形天線；至少兩個(gè)PWM發(fā)射器，每個(gè)PWM發(fā)射器直接連接到所述至少兩個(gè)環(huán)形天線中的對(duì)應(yīng)一個(gè)環(huán)形天線并且驅(qū)動(dòng)所述至少兩個(gè)環(huán)形天線中的所述對(duì)應(yīng)一個(gè)環(huán)形天線；以及數(shù)字信號(hào)處理器，耦合到所述至少兩個(gè)發(fā)射器并且生成驅(qū)動(dòng)所述至少兩個(gè)PWM發(fā)射器的PWM控制信號(hào)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]結(jié)合附圖，本發(fā)明的進(jìn)一步特征和優(yōu)點(diǎn)根據(jù)下面的詳細(xì)描述將變得顯而易見，其中:
[0022]圖1是現(xiàn)有技術(shù)中用于透地通信的本質(zhì)安全的天線系統(tǒng)的示意性框圖；[0023]圖2是當(dāng)電流被中斷時(shí)環(huán)形天線中的電壓和電流的曲線；
[0024]圖3是根據(jù)本發(fā)明的說明性實(shí)施例的VLF發(fā)射天線系統(tǒng)的框圖；
[0025]圖4是圖3的VLF發(fā)射天線系統(tǒng)的示意性電路圖；
[0026]圖5是根據(jù)本發(fā)明的說明性實(shí)施例的用于產(chǎn)生低頻磁場的裝置的示意圖；
[0027]圖6是圖3的VLF發(fā)射天線系統(tǒng)的天線環(huán)中的電壓和電流的曲線；
[0028]圖7a是根據(jù)本發(fā)明的說明性實(shí)施例的用于產(chǎn)生低頻磁場的方法的流程圖；以及
[0029]圖7b是圖7a的驅(qū)動(dòng)環(huán)形天線的步驟的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]為了解釋本發(fā)明所提供的改進(jìn)，首先描述基于單環(huán)天線的發(fā)射器(未示出)的性能。對(duì)于單環(huán)天線，電流由驅(qū)動(dòng)該天線的發(fā)射器的電壓和該天線的阻抗來確定。該阻抗具有兩個(gè)分量，電線電阻和電線電感。電線環(huán)的電感(La)由下式給出:
[0031]
【權(quán)利要求】
1.一種用于基于磁感應(yīng)耦合的透地通信的甚低頻(VLF)發(fā)射天線系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 至少兩個(gè)環(huán)形天線，被布置成所述至少兩個(gè)環(huán)形天線中的每個(gè)環(huán)形天線的磁場穿過所述至少兩個(gè)環(huán)形天線中的每個(gè)其余的環(huán)形天線，從而將所述至少兩個(gè)環(huán)形天線緊密地磁耦合；以及 至少兩個(gè)發(fā)射器，每個(gè)所述發(fā)射器直接連接到所述至少兩個(gè)環(huán)形天線中的對(duì)應(yīng)一個(gè)環(huán)形天線并且驅(qū)動(dòng)所述至少兩個(gè)環(huán)形天線中的所述對(duì)應(yīng)一個(gè)環(huán)形天線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述至少兩個(gè)環(huán)形天線中的每個(gè)環(huán)形天線包括絕緣的現(xiàn)場接線導(dǎo)體，所述絕緣的現(xiàn)場接線導(dǎo)體形成產(chǎn)生所述磁場的單個(gè)環(huán)，所述至少兩個(gè)環(huán)形天線的所述環(huán)具有相等的尺寸。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述至少兩個(gè)環(huán)形天線的所述導(dǎo)體被布置為圍繞公共區(qū)域的周圍，以便所述至少兩個(gè)環(huán)形天線的所述環(huán)被緊密耦合并且產(chǎn)生與所述至少兩個(gè)環(huán)形天線的所述環(huán)所產(chǎn)生的磁場的總和相等的遠(yuǎn)距離磁場。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述至少兩個(gè)發(fā)射器中的每個(gè)發(fā)射器都是全橋脈沖寬度調(diào)制(PWM)發(fā)射器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述至少兩個(gè)發(fā)射器以相同的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)所述至少兩個(gè)環(huán)形天線，以便所述至少兩個(gè)環(huán)形天線中的調(diào)制電流相同并且同相。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述PWM信號(hào)中的每個(gè)PWM信號(hào)的采樣周期小于所述至少兩個(gè)環(huán)形天線中的每個(gè)環(huán)形天線的時(shí)間常數(shù)的八分之一，所述時(shí)間常數(shù)根據(jù)所述環(huán)形天線的電感和電阻來確定。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中響應(yīng)于所述至少兩個(gè)天線中所選擇的一個(gè)天線的所述導(dǎo)體的接線的斷開，驅(qū)動(dòng)所述至少兩個(gè)環(huán)形天線中的每個(gè)其余的環(huán)形天線的所述至少兩個(gè)發(fā)射器中的每個(gè)發(fā)射器響應(yīng)于負(fù)載阻抗的減少而自動(dòng)地增大所述至少兩個(gè)環(huán)形天線中的每個(gè)其余的環(huán)形天線的所述環(huán)中的電流，從而抑制由所述接線的所述斷開引起的反EMF。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述至少兩個(gè)環(huán)形天線中的每個(gè)環(huán)形天線被操作為在所述至少兩個(gè)天線的所述環(huán)中的一個(gè)環(huán)開路時(shí)，所述每個(gè)環(huán)形天線的所述環(huán)中的電流增大到等效于所述至少兩個(gè)天線的所述環(huán)的單個(gè)環(huán)的最大安全電流之上而不產(chǎn)生著火的危險(xiǎn)。
9.一種用于產(chǎn)生用于基于磁感應(yīng)耦合的透地通信的VLF調(diào)制磁場的方法，所述方法包括: 將數(shù)據(jù)信號(hào)調(diào)制到VLF載波頻率； 將所述調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換為PWM控制信號(hào)；以及 將所述PWM控制信號(hào)應(yīng)用到至少兩個(gè)全橋發(fā)射器，每個(gè)發(fā)射器直接連接到至少兩個(gè)分離的環(huán)形天線中的對(duì)應(yīng)一 個(gè)環(huán)形天線。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，進(jìn)一步包括緊鄰地布置各自形成所述至少兩個(gè)環(huán)形天線中的對(duì)應(yīng)一個(gè)環(huán)形天線的環(huán)的導(dǎo)體，以便所述導(dǎo)體圍繞公共區(qū)域的周圍并且所述至少兩個(gè)環(huán)形天線中的每個(gè)環(huán)形天線的磁場穿過所述至少兩個(gè)環(huán)形天線中的每個(gè)其余的環(huán)形天線，從而將所述至少兩個(gè)環(huán)形天線緊密地磁耦合。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，進(jìn)一步包括以高于等效于所述至少兩個(gè)環(huán)形天線的所述環(huán)的單個(gè)環(huán)的最大安全電流的電流來操作所述至少兩個(gè)環(huán)形天線中的每個(gè)環(huán)，以便增大所述環(huán)的整體所產(chǎn)生的遠(yuǎn)距離磁場。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，進(jìn)一步包括響應(yīng)于負(fù)載阻抗的減少而自動(dòng)地增大所述環(huán)中的每個(gè)其余的環(huán)中的電流，從而抑制所述環(huán)中所選擇的一個(gè)開路的環(huán)中的反EMF。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，進(jìn)一步包括檢測(cè)所述至少兩個(gè)發(fā)射器中的一個(gè)發(fā)射器是否開路并且將所述至少兩個(gè)發(fā)射器中的每個(gè)其余的發(fā)射器中的電流緩慢地減少至原始值。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，進(jìn)一步包括檢測(cè)指示所述至少兩個(gè)發(fā)射器中所選擇的一個(gè)發(fā)射器開路的故障，將所述至少兩個(gè)發(fā)射器中的每個(gè)其余的發(fā)射器中的電流減少到零，以及防止通過所述至少兩個(gè)發(fā)射器的進(jìn)一步傳輸直到所述故障被清除。
15.一種用于產(chǎn)生用于基于磁感應(yīng)耦合的透地通信的VLF調(diào)制磁場的VLF發(fā)射天線裝置，所述裝置包括: 至少兩個(gè)分離的環(huán)形天線； 至少兩個(gè)PWM發(fā)射器，每個(gè)PWM發(fā)射器直接連接到所述至少兩個(gè)環(huán)形天線中的對(duì)應(yīng)一個(gè)環(huán)形天線并且驅(qū)動(dòng)所述至少兩個(gè)環(huán)形天線中的所述對(duì)應(yīng)一個(gè)環(huán)形天線；以及 數(shù)字信號(hào)處理器，耦合到所述至少兩個(gè)發(fā)射器并且生成驅(qū)動(dòng)所述至少兩個(gè)PWM發(fā)射器的PWM控制信號(hào) 。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其中所述至少兩個(gè)環(huán)形天線中的每個(gè)環(huán)形天線包括絕緣的現(xiàn)場接線導(dǎo)體，所述絕緣的現(xiàn)場接線導(dǎo)體形成產(chǎn)生磁場的單個(gè)環(huán)，并且其中所述導(dǎo)體圍繞公共區(qū)域的周圍布置，以便所述至少兩個(gè)環(huán)形天線中的每個(gè)環(huán)形天線的所述磁場穿過所述至少兩個(gè)環(huán)形天線中的每個(gè)其余的環(huán)形天線，從而將所述至少兩個(gè)環(huán)形天線緊密地磁率禹合。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其中響應(yīng)于所述至少兩個(gè)天線中所選擇的一個(gè)環(huán)形天線的所述導(dǎo)體的接線的斷開，驅(qū)動(dòng)所述至少兩個(gè)環(huán)形天線中的每個(gè)其余的環(huán)形天線的所述至少兩個(gè)發(fā)射器中的每個(gè)發(fā)射器響應(yīng)于負(fù)載阻抗的減少而自動(dòng)地增大所述至少兩個(gè)環(huán)形天線中的每個(gè)其余的環(huán)形天線的環(huán)中的電流，從而抑制由所述接線的所述斷開引起的反EMF。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其中所述至少兩個(gè)PWM發(fā)射器中的每個(gè)PWM發(fā)射器包括直接連接到所述至少兩個(gè)環(huán)形天線中的所述對(duì)應(yīng)一個(gè)環(huán)形天線的功率場效應(yīng)晶體管(FET)的全橋結(jié)構(gòu)。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，進(jìn)一步包括耦合到所述至少兩個(gè)PWM發(fā)射器的電源和耦合到所述電源以用于所述電源的防止過電壓和過電流中的至少一個(gè)的保護(hù)的保護(hù)電路，其中所述過電流可以高達(dá)具有與所述至少兩個(gè)環(huán)形天線中的每個(gè)環(huán)形天線相同的尺寸的單環(huán)天線的本質(zhì)安全電流的七倍。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其中所述至少兩個(gè)PWM發(fā)射器中的每個(gè)PWM發(fā)射器的狀態(tài)被用信號(hào)發(fā)送到所述至少兩個(gè)PWM發(fā)射器中的每個(gè)其余的PWM發(fā)射器，以使得所述至少兩個(gè)PWM發(fā)射器中的每個(gè)PWM發(fā)射器能夠在所述至少兩個(gè)環(huán)形天線中所選擇的一個(gè)環(huán)形天線變成開路時(shí)將每個(gè)所述PWM發(fā)射器的電流減少到原始值或關(guān)閉。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，其中所述保護(hù)電路包括用于在兩個(gè)獨(dú)立電路故障時(shí)提供所述保護(hù)的三個(gè)分 離的冗余級(jí)。
【文檔編號(hào)】H04B1/04GK104025471SQ201280064490
【公開日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2012年11月19日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月17日
【發(fā)明者】M·J·羅珀, V·普扎科夫 申請(qǐng)人:維拓警報(bào)通信公司