礦用雙極化天線的設計與應用

閻東慧

(大同煤礦集團有限責任公司同大科技研究院 山西大同 037003)

目前,煤礦綜采工作面廣泛使用的通信方式主要是有線通信系統和定向天線無線通信系統。有線通信系統受傳輸電纜、光纜約束,普遍存在著限制采掘作業和線纜經常被扯斷的情況,頻繁造成通信線路故障和通信質量差的問題[1,2]。

傳統無線通信系統大多是在綜采工作面巷道兩頭安裝定向天線,但采煤機、刮板輸送機、液壓支架等大型金屬設備對電磁波產生多徑衰落效應[3,4]和煤巖、粉塵和水霧等介質對電磁波產生了較大的吸收和衰減,這些因素干擾了無線信號的正常傳播,巷道內無線信號覆蓋相當差,出現很多通信盲區,無線通信不穩定。

為了徹底解決綜采工作面內通信質量差的問題,設計了一種適合于井下復雜工況的無線通信裝置——礦用雙極化天線。這種天線采用雙極化電磁波傳輸替代單極化傳輸,工作頻率為4 GHz～6 GHz頻段,具有金屬外殼防護,天線主要安裝在液壓支架頂梁下部,與工作面擴音電話系統、手持通話設備、手持視頻設備構成完整的無線通訊系統,同時,還留有接口方便其他無線設備接入。這種礦用雙極化天線有效地解決了工作面內無線信號的全覆蓋問題,保證了無線通信系統在工作面的正常使用。

1 礦用雙極化天線設計

礦用雙極化天線設計重點主要是天線結構和尺寸的確定。針對煤礦特殊的使用環境,決定采用一種階梯型的方形環縫隙結構,這種縫隙結構能夠產生兩個相互正交(正交可以理解為相互垂直,互不影響)的輻射電磁場,達到一個天線產生兩條無線鏈路同時收發數據的效果,比單一極化方式具有傳輸距離更遠和覆蓋范圍更廣的特點,提高了工作帶寬和天線收發效率。

經過大量的對比試驗和優化設計,最終確定的礦用雙極化天線的介質基板為常規材料FR-4,基板厚度為1.6 mm,相對介電常數為4.4,天線的平面結構的正反面如圖1 所示,結構尺寸如表1 所示,其中LA、LB、H為保護天線的金屬外殼的尺寸。

表1 天線結構尺寸 單位為mm

圖1 天線平面結構

2 仿真測試

利用HFSS 軟件對設計好的結構參數進行仿真分析。仿真時選擇高斯信號作為激勵源,PML 匹配吸收層作為邊界。觀察雙極化天線的S 參數的變化趨勢。雙極化天線的S參數的仿真結果如圖2所示。

圖2 天線S參數仿真結果

由圖2 可見,雙極化天線在低于-10 dB 范圍內的水平極化端口阻抗帶寬為3.58 GHz～6.14 GHz,垂直極化端口阻抗帶寬為4.24 GHz～6.11 GHz。仿真結果說明,本文設計的天線頻率無論在水平極化還是垂直極化都具有較強的磁耦合饋電效果,保證了天線的工作頻率為4 GHz～6 GHz。

3 實驗室測試

礦用雙極化天線仿真測試完成后,對天線進行實物加工。將天線置于金屬殼中,金屬殼四壁和底部采用不銹鋼,頂部采用ABS 塑料,這種設計可以有效的防水、防塵、防摔,同時也符合《煤礦安全規程》規定礦用設備的防護等級至少為IP54 的要求,實物見圖3 所示。

圖3 天線的加工實物圖

實物加工后進行密封,使用矢量網絡分析儀對加工的礦用雙極化天線進行測試,主要對天線的S 參數和端口隔離度進行測試,測試結果見圖4和圖5。

圖4 天線端口S參數測試結果

圖5 天線端口隔離度測試結果

由圖4可知,天線的S參數在整個頻帶內均小于-10 dB,說明天線的效率較高,符合工程要求。由圖5可知,天線的端口隔離度在4 GHz～6 GHz 頻帶內均低于-25 dB,說明兩個端口互相的干擾程度較低,也符合工程要求。綜合測試結果與仿真結果一致說明設計的礦用雙極化天線是合理的。

4 工業性試驗

設計的礦用雙極化天線于2017年3月在大同煤礦集團有限責任公司云岡礦8202 工作面和2208 巷進行工業性試驗。試驗工作面長度133.5 m,工作面煤均厚2.23 m,工作面支架數92 架,支架中心距1.5 m。礦用天線安裝于液壓支架頂梁下部,間隔30個支架放置一臺,頭尾各放置一臺,共計5臺。天線的電源是127 V,天線與工作面擴音電話系統、手持通話設備、手持視頻設備構成完整的無線通訊系統,如圖6所示。

圖6 天線設備布置圖

試驗期間,工作面擴音電話系統實現了無線連接,液壓支架移架時有效避免了線纜的扯斷問題,運行過程中礦用天線與其他系統銜接順利、設備運行穩定、通話過程話質清晰、流暢,尤其當液壓支架拉架移架時,無線信號明顯比之前使用定向天線時,信號穩定、抗干擾能力強。試驗結果說明,本文設計的雙極化天線提高了無線通信系統的傳輸和覆蓋效率,且系統穩定、可靠滿足煤礦大規模應用的要求。

5 結論

針對煤礦綜采工作面通信的特殊性,研發了一款工作在4 GHz～6 GHz 頻段,并安裝在液壓支架頂梁下部的礦用雙極化天線,現場工業性試驗證明,該天線裝置增強了無線系統的通訊距離和覆蓋范圍,提高了工作面復雜工況環境下的無線通信質量,減少了設備維護工作量,保障了煤礦生產安全、穩定、持續地運行。