一种应用于矿井、巷道的双向辐射天线，属于无线通信中的天线设计领域，其特征在于：采用短金属柱激励矩形金属框，其中金属框工作在1个波长模式，金属框的两个窄边为辐射主体，其间距略小于半波长，形成阵列，实现较高增益的双向辐射，通过调整短金属柱的高度，直径，金属框的长边长度，窄边长度以及宽度可以使所述双向辐射天线在馈电端口良好的匹配，并实现较高增益的双向辐射特性。本发明专利技术具有体积小、迎风面积小、低成本、容易加工，高增益等的优点，适用于在矿井、巷道这类典型的空间受限的非自由空间传播信道内实现无线通信。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及ー种双向辐射天线，适用于矿井、巷道内实现可靠的无线通信，属于无线通信技术的天线设计领域。
技术介绍
今年来，我国矿业生产安全事故频频发生，引起了社会的广泛关注，安全生产成为焦点。矿井通信作为调度全局，前线指挥，安全监控的必要手段，也越来越受到关注。在矿井通信系统中分为有线通信与无线通信。国内外早期比较成熟的矿井通信方案基本上都是采用有线的通信方式，即有线电话线或者泄漏电缆。然而，在矿井通信系统中，有线通 信存在着诸多问题首先，在矿井下，矿井通常有几公里，甚至几十公里，电缆的铺设成本较高，维护也比较困难；其次，我国多数矿井是通过人工开采，开采程序多，作业地点分散，人员流动性大，有线通信难以满足如此灵活的应用；再次，有线通信系统中，电缆的传输损耗较大，因而需要増加中继器来増大通信距离，増加了系统的复杂性和成本开销，过多的中继器使得背景噪声急剧增加，反而会降低通信质量；另外，任何ー个中继站的故障，将导致后续的通信瘫痪。随着煤矿企业信息化，现代化的发展，无线通信的引入可以使井下的作业人员和指挥处，以及作业人员之间随时随地保持联系，提高组织效率，工作效率。当出现故障，险情时，可以迅速的发现，并组织应对措施，保障工作人员的人身安全。在井下采用无线通信方式时，首先需要考虑矿井的无线信道特性。矿井是ー个典型的空间受限的非自由空间传播信道，电磁波在其中传播吋，由于巷道四壁及矿井内不规则分布的物体引起频繁的反射、绕射、散射，从而产生显著的多径效应，同吋，电磁波受矿井内岩石、矿石等的吸收和反射，衰减很快，传输距离大大缩短。为了保障无线通信的可靠性，在矿井内需要很多个无线节点，造成系统成本増加，为了降低成本，我们首先需要増加每个无线节点的覆盖范围。从天线角度来说，解决方案便是采用具有较高增益的双向辐射特性的天线，将主辐射方向对准矿井内通道的方向，这样可以对抗电磁波传输损耗，增加每个中继基站的覆盖面积。其次，需要降低每个无线节点的成本。低成本的天线实现方案有助于降低系统的成本。因此，研究具有低成本，较高增益的双向辐射的天线对于矿井下无线通信具有重要的意义。其次，在井下进行无线通信，还要考虑到井下的特殊环境。作为高危的工作场所，矿井中通常含有大量的瓦斯(CH4, CO)，任何的火星都可能导致严重爆炸。为了保证井下エ作人员的人身安全，任何应用于井下的设备，都必须通过经过防爆测试，满足国家安全生产的要求。无线通信系统中任何可能产生火花的部件，在井下使用时，都必须要施加一定防爆结构。简单的，可以将系统置于专门的防爆盒中。但这并不适用于天线的防爆。作为射频前端，天线需要向自由空间辐射电磁波，也需要从自由空间中接收电磁波，因而天线必须与自由空间接触，也就是说天线部分必须要暴露于空气中。天线的馈电电路必须放置于防爆盒中，而天线结构又要置于空气之中，这就对整个天线的结构，馈电方式设计提出了巨大的挑战。充分，合理的利用防爆盒结构，将天线，馈电，防爆巧妙的融为一体是对矿井下天线设计的又ー项要求。另外，众所周知，井下空间狭小，为了不妨碍正常的开采工作，通信系统的体积不能太大；还有考虑到井下，特别是煤矿井下，CH4, CO等气体含量大大超过地表面，为了防止爆炸与窒息，保证氧气含量，在井下必须要有风站，且要求风速维持在2-6m/s，因而通信系统分不应妨碍通风。从天线角度考虑，小型化设计是必须的。同时还要保证天线正常工作时，不能妨碍通风，即那些有大表面积的天线是不适用于井下通信的。因而，小的风阻面也是设计中需要考虑到的。还有ー些其他的因素需要综合考虑，如高湿度对于馈电电路的影响，大量悬浮于空气中的矿石颗粒(可能导电)沉积于系统表面对系统的影响。总而言之，矿井下的恶劣的自然环境给井下无线通信提出了种种的挑战，作为无线通信系统的最前端的天线，由于其特殊性，承受了更为复杂的要求。具有低成本，结构简单且容易和防爆系统结合，体积小，风阻面小，较高增益的双向辐射的天线在井下通信的中将会拥有良好的应用前景。 关于符合以上要求的井下应用天线的研究或设计还是比较少的。多数研究只是将精力集中在如何实现双向辐射上，如下所述.传统的两副背靠背的八木天线可以实现双向端射辐射，然而馈源需要经3dB功分器分成两路幅都相同，相位相反向的信号分别馈电，由12单元组成的八木天线长度为2. 2 λ ^ ( λ ^为工作频率所对应的自由空间波长)，增益为12. 25dB。用背靠背组阵来实现双向辐射时，天线阵总尺寸大约为4. AXciXO. SXtl，而最大增益只有9. 25dB。背靠背的贴片天线阵列也可以实现双向辐射特性。通过共面波导结构激励背靠背贴片时，其辐射方向图是全向的，通过组阵，可以实现双向辐射。这两种天线的共同问题在于天线结构，馈电结构比较复杂，天线尺寸比较大，成本相对也较高。槽天线是ー种比较简单的实现双向辐射的天线。通过在ー块金属板上刻槽，可以实现5dBi左右的双向辐射。然而，槽天线工作时需要将金属板垂直于矿井方向，由于槽天线所需的金属板比较大，放置于矿井内会阻碍空气的流通，上面提到的背靠背的贴片阵列也存在这个问题。切ロ天线也可以是双向辐射。它是通过在地板的上方放置ー块两端挖有缺陷的贴片，通过反向的探针激励，实现了双频的双向辐射，较低频率由有缺陷的贴片模式产生，较高频率由馈电探针(类似于倒L天线)产生，但是其増益只有O. 83dBi，通过在两端各増加三个起引向器作用的寄生単元后，其増益可以达到5. 71dBi，为了降低H面的交叉极化水平，在上述天线的基础上做了修改，形成了摇把型天线，交叉极化水平得到了 17. 6dB的改善。在矿井下，浮尘特别多，特别是煤矿中，煤炭颗粒具有导电特性，容易积累在天线表面，而切ロ天线正好是水平放置，水平的大金属板上非常容易堆积浮尘，这些浮尘将严重影响天线的正常工作。螺旋天线以宽带圆极化特性为人所熟知。这种天线辐射方向图也是双向的。但是增益比较低，只有2dBi左右。贴片天线当下面的地板和上面的贴片一祥大小时，也可以实现双向辐射，但当天线很薄时，它辐射増益的很低，只有-2dBi，必须用引向器来提升增益。需要注意的是以上提到的天线设计都没有考虑到如何与防爆系统结合在一起。因而，可以说真正能够在井下应用的天线少之又少。因此，研究、设计ー种结构简单，容易和防爆系统结合，成本低廉，小迎风面积、较高増益的双向辐射天线对矿井下无线通信起到至关重要的作用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供ー种结构简单、容易和防爆系统结合，低成本，迎风面积小、较高增益的双向福射天线的设计。该双向福射天线工作于909-923MHZ。通过短金属柱激励矩形金属框，产生双向辐射。辐射主体是矩形金属框的窄边上的同相电流。金属框的总长度近似为I λ『如果将金属框看作一段很短的矩形波导，金属框的长边边长小于O. 5 λ μ那么作为波导的基模TEltl模式是截止的。馈电的短金属柱高度只有O. 045 λ ^，所以整体结构高度很低。由于整体结构对称，无须功率分配网络，能量通过短金属柱，到金属框，自然形成双向辐射，使得馈电结构简洁。该双向辐射天线馈电只需要一根半钢同轴馈线。所述半钢同轴馈线的内导体连接到短金属柱上，外导体连接到金属框。天线整体结构简单，馈电方式简洁，加工简单，这使得所述双本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.应用于矿井、巷道的双向辐射天线，其特征在于，含有矩形金属框(1)，做短探针用的短金属柱(2)以及半钢同轴馈线(3)，其中 矩形金属框(I )，是一个作为天线主体的矩形金属环，所述矩形金属框是由长条形金属片折叠而成，短边侧封闭，长边侧敞开，上端面正中心位置有一个因折叠而产生的狭缝，在下端面正中心位置处开有一小孔，小孔直径等于或略小于所述半钢同轴馈线(3)的直径，所述矩形金属环的周长约为I入O，长边边长为0. 45 A 0,略小于0. 5 A 0,短边边长为0. 06 A。，短金属柱高...
【专利技术属性】
技术研发人员：张志军，刘文冬，冯正和，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：
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