穿透地层的矿井地下无线通信系统设计方案探析

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1、第
卷第
期太原理工大学学报

年
月






























































文章编号：
（）
穿透地层的矿井地下无线通信系统设计方案探析陶晋宜（太原理工大学电气与动力工程学院）摘要：针对穿透地层无线通信的特点，采用终端短路单级天线及单边带调制和弱信号接收技术，提出一种可行的穿透地层矿井

2、无线电通信系统的方案。关键词：电导率；终端短路单级天线；单边带调制；本质安全中图分类号：!，文献标识码：穿透地层的通讯属于无线通讯，但与我们常见的地面电视、广播、手持电话机的无线信号传送不天线的设计同。在地面，电磁波传播是以空气为通讯媒质，它几要想实现穿透地层的无线电可靠通信，有赖于乎没有损耗，并且电磁波的频率可选在高频段，因而在给定的信号传输条件下，选择一个最佳的发射和其辐射效率高，天线物理尺寸短，体积小。接收天线装置。在矿井低频无线信道中，一般是利穿透地层通讯电磁波要在损

3、耗较大的煤层及岩用电磁波的近区到中间区的场实现信号传输。当天石层中传播，煤层及岩石属半导电煤质。从电磁波线装置的经典计算推广到半导电媒质时，会导致对在半导电媒质中衰减常数的表达式天线装置效能估计的非单值性。这是由于天线的效，（
）率、方向系数或增益等电参数均和岩层的电导率"
及集肤深度表达式有关。在矿井穿透地层的无线电通讯中，由于不同地
"（）
区地质构造的不同，电磁波穿透的地层各层的电导其中为电磁波的频率，为媒质的磁导率（与空率及厚度都不尽相同。电磁波在每一层的传

4、递
气中的磁导率#
$中，都会发生不同程度的衰减、折射、反射。
%基本相等），为媒质的电导率。
本设计穿透区的地质构造简介可知：电磁波在半导电媒质中的穿透能力与电本设计选择的穿透地点，岩层的大概分布如图磁波的频率及媒质的电导率有关。电磁波的频
所示率越高，衰减越严重，传播距离越短。矿井的地质条为了设计方便，计算出穿透区的等效电导率，件不同，导致其电导率的不同。从而使得其穿透将穿透区的电参数简化为电导率为的均匀媒质效果也不同。因此电磁波的工作频率必须选在音频的电磁波穿透模式

5、。等效电导率的计算表达式（&$&）和甚低频（&—&’）才能为：有一定的穿透能力。
"［
］（）另外，穿透地层的通讯设备工作在煤矿井下，必
"
须符合矿井安全操作规程，要具备防爆性能和防水、式中：
为煤层与岩层的总厚度，为第岩层的防尘能力，发送功率不能很大，这样就限制了通信距电导率，
为第岩层的厚度。离，只能在技术许可的范围。选择穿透电磁波的发射点位于地面下%的作者简介：陶晋宜，女，
!年月生，硕士，讲师，研究方向：煤矿地下无线通信

6、，太原，万方数据收稿日期：
!太原理工大学学报第卷使用终端短路单极天线，需要安装良好的接地极。比较简单的方法就是用一根金属棒砸入地下一定深度，其接地等效电阻
为：
（）（）
为埋入地下的深度，为金属棒的半径，为平均电导率。在本课题中，选择接地的金属棒直径为，埋入地下
，电导率
，
（）本设计选用的终端短路单极天线的架设方式及使用环境的剖面图入如图所示。图穿透地点岩层的大概分布点，平均电

7、导率约为

天线型式的选择在本设计中，天线采用水平放置终端短路单极天线。天线上的电流是按照有耗长线的规律分布的。当天线较短时，若用终端开路形式，电流沿线成三角形分布，天线的有效长度只有实际长度的一半，辐射将会减弱，输入阻抗呈现很大的容抗，需在天线图所用天线的架设方式及使用环境回路中串入很大的电感才能调谐。串入大电感将引电磁波在半导电媒质中传播时，波长缩短，对本起较大的损耗，从而使得整个系统的效率降低，对于设计而言，其缩短系数为大功率的发射装置还容易引起过压。若天线采用终

8、端短路形式，则电流沿线分布比较均匀，幅射能力增

强，而且输入阻抗的电抗布分为小感抗，容易和发送波长
，其中为自由空间的波装置匹配。长。此外，采用终端短路的单极天线，只要终端可靠本设计中分别选择长的终端短路单极天接地，电长度可提高一倍。线作发射接收天线，天线长度满足，因此，可以本设计发送天线的安装示意如图所示。将天线视作水平电偶极子。根据本设计的天线安装方式，建立坐标系如图所示。当电磁波从发射天线向上传播时，由