礦井巷道無線傳輸超表面反射測試分析

摘要：高頻無線電磁波在彎曲巷道、巷道拐角處傳輸損耗大，造成信號盲區。針對該問題，提出采用超表面反射技術進行無線信號覆蓋補盲。改進超表面陣列單元傳統的十字結構，通過嵌入多級嵌套的矩形振子和改變內部十字尺寸，獲得了330°相移范圍和良好的線性相移曲線，并基于改進的十字結構設計制作了超表面反射裝置。選擇5.8 GHz 超高頻頻段，針對清水溪巷道起坡段彎曲巷道和主輔段岔口，仿真并現場測試了超表面反射裝置的信號增強效果。結果表明，在入射距離與接收距離固定、發射天線結構不同的情況下，無論是在起坡段彎曲巷道還是主輔段岔口位置，安裝超表面反射裝置后無線信號的信噪比、參考信號接收功率均得到不同程度的增強，采用線極化喇叭狀定向天線時信號增強效果最優，實測參考信號接收功率增益最大值為13 dB。分析指出礦井巷道中應用超表面無源反射技術存在入射波角度難對準、波束難集中、入射距離短等問題，結合測試結果推斷礦井巷道岔口處適合固定安裝超表面反射裝置用于點對點傳輸補盲。

關鍵詞：礦井無線傳輸；巷道信號覆蓋補盲；無線信號增強；超表面反射；超表面陣列設計

中圖分類號：TD655 文獻標志碼：A

0 引言

礦井無線通信與礦用5G 移動通信技術是煤礦智能化的關鍵支撐技術之一，井下無線通信網絡是智慧礦山建設的重要和關鍵基礎設施，廣泛應用于各生產場景[1-2]。高頻無線電更易承載大帶寬傳輸，應用范圍更廣，但頻率越高，傳播路徑損耗越大。孫繼平等[3]在三道溝煤礦輔助運輸大巷和綜采工作面分別進行了700 MHz～6 GHz 頻段無線傳輸測試，并對測試結果進行了分析，得到了不同頻率無線傳輸平均衰減曲線，得出隨著頻率升高，平均衰減基本逐步升高，5 400，6 000 MHz 的無線傳輸平均衰減明顯大于2 400，1 500 MHz。礦井無線傳輸受工作頻率、導體，以及巷道截面、轉彎、分支、傾斜等影響，如巷道轉彎會增大無線傳輸衰減，轉彎越急，衰減越大，且工作頻率越高，巷道轉彎造成的衰減越大[4-5]。李大偉[6]實測了16 m×8 m（寬×高）大斷面拱形彎曲隧道中5.8 GHz 工作頻率下的電磁波接收功率，結果表明彎曲段的路徑損耗指數為直隧段的10 余倍。

高頻無線電磁波在彎曲巷道、巷道拐角處傳輸損耗特別大，必然造成信號盲區，需進行無線信號覆蓋補盲。超表面反射技術具備調控無線信道的能力，被證實可用于非視距場景的信號延伸、信號增強，實現無線通信系統中繼補盲。L. Talbi 等[7]研究了微波散射體在非視距狀態下的潛在用途，發現在29～30 GHz 頻段內正確設計的微波散射體能有效擴展毫米波在室內走廊的通信距離，為超表面微觀電磁調控反射提供了可行性參考。B. Kim 等[8]研究了室內與室外28 GHz 電磁波傳播特性，發現非視距區域添加基于超表面制作的無源中繼后，信號接收功率可增加約10 dBm。D. Ha 等[9]針對5G 毫米波通信的室內與室外鏈路損耗過高問題，提出在窗戶位置安裝基于超表面制作的無源中繼以降低鏈路損耗，實測發現在忽略窗戶和極化影響條件下可將鏈路損耗降低40 dB。劉海霞等[10]針對毫米波通信設計了雙層十字交叉振子無源智能反射面（ReconfigurableIntelligence Surface，RIS），應用到室內典型的L 形走廊場景，驗證了無源可重構RIS 對室內無線信號覆蓋的增強效果。費丹等[11]在室內樓道測試了不同入射角度、不同接收距離條件下無RIS、隨機碼本RIS、賦形碼本RIS 的對比實驗，顯示基于RIS 調制的無線網絡能夠提升下行吞吐量約10 dB，同時提出了室內條件不能保證發射機從足夠遠的距離把入射波束打在所有陣列單元上的問題。

針對現有無線通信技術在井下非視距場景中的無線盲區覆蓋問題，李世銀等[12-13]認為RIS 具有無源、低功耗和易部署等特點，適用于煤礦井下場景，因此提出在井下無線通信系統中引入RIS 技術，實現無線信號覆蓋補盲。目前礦山學界缺乏對礦井巷道環境中超表面反射補盲和信號增強的研究。本文從仿真和實測角度分析礦井巷道安裝超表面反射裝置后的無線信號增強效果，為研究礦井超表面反射信道仿真、波束成形和裝置部署規劃等提供應用基礎。

1 測試條件

1.1 測試場地

選擇在煤礦災害防控全國重點實驗室的瓦斯爆炸實驗巷道——清水溪巷道的起坡段彎曲巷道和主輔段岔口這2 個電磁波傳播衰減劇烈位置測試超表面反射補盲和信號增強效果。清水溪巷道結構如圖1 所示。巷道總長896 m，主要為上半圓拱形斷面，尺寸為3.2 m×2.6 m（寬×高） ，截面積為7.2 m2。主巷包括451 m 平巷和傾角約為23°、長約260 m 的垂向斜巷，以及連接平巷和斜巷的60 m 起坡段彎曲巷道，其余186 m 為輔助巷道（副巷）。

起坡段彎曲巷道中存在約15 m 長的完全盲區，如圖2 所示。該盲區內無法直視巷口和坡頂。

主平巷與輔助巷道處于同一水平面，兩巷中線夾角約為47°，連接處有1 個岔口（主輔段岔口），如圖3 所示。

1.2 測試設備

選擇復雜巷道電磁波傳播易衰落頻段5.8 GHz進行測試。使用1 對發射機和接收機，發射機能更換天線，以便測試不同極化天線的反射效果。為使測試更接近真實礦井應用狀態，采用KTZ12.6W 礦用本安型無線中繼器（安全標志編號為MFD240244）作為接收機，如圖4（a）所示。采用KTZ12.6W 礦用本安型無線中繼器原理性樣機作為發射機，如圖4（b）所示。KTZ12.6W 礦用本安型無線中繼器可實現點對點無線組網，采用時分雙工工作方式，發射功率為23 dBm，頻段范圍為5 150～5 850 MHz，接收靈敏度為?109 dBm（20 MHz 帶寬），調制方式為16QAM，額定工作電壓為12.6 V，最大峰值電流為1 000 mA；收發模式為雙天線1TR1R，發射機的1TR 天線接口為N 型母頭射頻連接器，可現場更換天線，接收機不可更換天線。測試時使用3 種天線：天線A 為線極化鞭狀全向天線，增益為7.0 dBi；天線B 為線極化喇叭狀定向天線，增益為10.5 dBi；天線C 為圓極化螺旋狀定向天線，增益為9.0 dBi。發射機的1TR 接口可更換這3 種天線， 1R 接口固定使用天線A；接收機2 個天線接口均固定使用天線A。接收機屏幕可以直接顯示信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）、參考信號接收功率（Reference Signal Receiving Power，RSRP），便于讀取數據。

2 超表面反射裝置設計

反射型超表面裝置的典型結構通常包括3 個子層和1 個控制器[14]，外層大量金屬貼片印在金屬襯底上形成陣列，直接與入射波束作用。超表面陣列通過各個單元補償相位形成預定主波束，從而實現無源反射。為實現實時的波束調控，S. V. Hum 等[15]提出一種基于變容二極管調諧元件的電子可調諧反射陣列，設計了7×10 的可調陣列，在5.8 GHz 頻段可實現325°的相位變化，通過仿真和實測驗證了這種可調諧陣列的波束掃描能力；M. Riel 等[16]提出一種基于孔徑耦合的電子波束掃描陣列，設計了6×5 的可重構反射陣列，在5.4 GHz 頻率下波束掃描范圍可達40°；T. Makdissy 等[17]提出一種雙線性偏振移相單元，在5.24～5.80 GHz 頻帶內相對帶寬為10%，且相位誤差小于31°。

典型超表面反射裝置設計時需要準確的饋源位置和入射角度計算反射電場，但巷道環境無法保障電磁波入射超表面陣列的角度。傳統超表面陣列單元在不同的波束入射角度下，單元反射相位變化差異明顯。為了增強超表面陣列單元的角度不敏感性，在傳統十字結構單元中嵌入多級嵌套的矩形振子，并改變單元內部十字尺寸和橫向矩形諧振貼片尺寸，實現330°相移范圍，獲得良好的線性相移曲線。基于改進十字結構設計的超表面陣列單元如圖5 所示。Lx，Ly 分別為十字結構單元的橫向臂和縱向臂長度； w 為矩形振子寬度， w=0.5 mm； Lx1，Ly1 分別為橫向振子和縱向振子長度， Lx1=Ly1=5.2 mm；W 為矩形諧振貼片寬度，W=0.5 mm；g 為矩形振子與諧振貼片間隙寬度，g=0.6 mm；P 為十字結構單元周期，P=17 mm。陣列單元印刷在相對介電常數為2.2、介電損耗角正切值為0.007 的接地基板F4B 上，介質板厚度h=3 mm。在入射角度θ 為0～60°情況下，超表面陣列單元反射相位變化范圍保持在60°以內，且反射相位曲線具有平行性。反射相位曲線隨單元貼片長度變化的線性度良好，且相位變化范圍大于330°，如圖6 所示。

基于改進十字結構設計并加工60 cm×60 cm（長×寬）的超表面反射板，每塊反射板具有32×32 個陣列單元，如圖7 所示。

3 巷道信號覆蓋仿真

3.1 起坡段彎曲巷道仿真

采用射線追蹤模型[18]進行確定性建模。首先根據巷道環境特點，運用幾何光學理論將天線、超表面反射裝置作為輻射源，將天線發出的信號、超表面反射裝置的反射信號等效為射線；然后對每條射線進行路徑跟蹤，在遇到巷道壁、超表面反射裝置等散射體時，按反射的物理機制計算電磁場；最后在接收點處將到達的各射線綜合，定量計算信號到達接收點的幅度、時延及瞬時相位，從而實現精準的傳播預測[19]。

起坡段彎曲巷道內信號覆蓋主要由墻體反射及直射組成，采用等效輻射源方法，參照有源基站場景，構建斷面尺寸為3.2 m×2.6 m（寬×高）、彎曲夾角為23°的矩形巷道模型。設置巷道壁為混凝土材質，反射損耗為9 dB，透射損耗為40 dB；模擬射線追蹤次數為3，發射天線設置參照天線B，發射功率為23 dBm，輻射點設置于斷面中心指向起坡段彎曲巷道且射線與斷面法線重合；發射天線與超表面反射裝置相距22 m，發射天線距接收機54 m。仿真得到起坡段彎曲巷道內安裝超表面反射裝置前后的無線信號功率分布，如圖8 所示。其顯示了單個天線或等效輻射源的功率分布，其中圖8（b）是將超表面反射裝置視作等效輻射源，其輸入功率根據天線B 參數模擬自由空間電波傳播計算得到，反射的輸出功率根據雷達散射截面計算得到，然后模擬射線追蹤得到功率分布。

從圖8（a）可看出，在起坡段彎曲巷道未安裝超表面反射裝置情況下，發射天線以23 dBm 功率、線極化喇叭狀定向形式向前輻射時，距發射天線54 m處信號功率降至?133 dBm；距發射天線22 m 的超表面反射裝置預設點位置的信號功率為?83 dBm。從圖8（b）可看出，安裝超表面反射裝置后以?83 dBm輻射作為等效反射，距超表面反射裝置32 m（距發射天線54 m）處接收機位置的信號功率為?112 dBm。仿真結果表明，起坡段彎曲巷道內安裝超表面反射裝置后，距發射天線54 m 處信號增益為21 dB。

3.2 巷道岔口仿真

參照有源基站場景，將主輔段岔口信號覆蓋設置為兩巷中線夾角為47°的矩形巷道，輻射點設置于斷面中心指向岔口且射線與斷面法線重合。發射天線與超表面反射裝置相距15 m，超表面反射裝置與接收機相距23 m。其他參數設置與起坡段彎曲巷道信號覆蓋仿真相同。仿真得到主輔段岔口安裝超表面反射裝置前后的功率分布，如圖9 所示。

從圖9（a）可看出，在主輔段岔口未安裝超表面反射裝置情況下，發射天線以23 dBm 功率、線極化喇叭狀定向形式從輔助巷道向岔口輻射時，位于主平巷一側的接收機處信號功率為?115 dBm；在距離發射天線15 m 的岔口處（超表面反射裝置預設點），信號功率為?70 dBm。從圖9（b）可看出，在岔口安裝超表面反射裝置后以?70 dBm 輻射作為等效反射，距超表面反射裝置15 m 處接收機處信號功率為?96 dBm。仿真結果表明，在巷道岔口區域安裝超表面反射裝置后，距發射天線30 m 處信號增益為19 dB。

4 巷道信號覆蓋測試

4.1 起坡段彎曲巷道測試

測試環境為清水溪巷道的起坡段彎曲巷道。超表面反射裝置部署如圖10 所示。在起坡段彎曲巷道內部署2 塊超表面反射裝置，1 塊貼地部署，1 塊掛載于頂板，2 塊裝置與水準面的夾角均約為30°，中心水平距離約為60 cm。在主平巷部署1 臺發射機，距貼地超表面反射裝置22 m；在主斜巷部署1 臺接收機，距貼地超表面反射裝置32 m，線極化天線采用垂直極化方式安裝。

測試過程：啟動發射機和接收機，在起坡段彎曲巷道內不安裝超表面反射裝置情況下，測量信號傳播54 m 后的SNR 和RSRP；在巷道內安裝超表面反射裝置，發射機依次安裝天線A 和天線B，分別測量信號傳播54 m 后的SNR 和RSRP。

4.2 巷道岔口測試

測試環境為清水溪巷道主輔段岔口。超表面反射裝置部署如圖11 所示。在岔口部署1 塊超表面反射裝置，其中心法線與水平面平行，與主平巷中心線呈30°夾角。在輔助巷道部署1 臺發射機，距超表面反射裝置15 m；在主平巷部署1 臺接收機，距超表面反射裝置23 m，線極化天線采用垂直極化方式安裝。

測試過程：啟動發射機和接收機，在岔口不安裝超表面反射裝置情況下，測量信號傳播38 m 后的SNR 和RSRP；在岔口安裝超表面反射裝置，發射機依次安裝天線A、天線B、天線C，分別測量信號傳播38 m 后的SNR 和RSRP。

4.3 測試結果及分析

根據不同發射天線形式，測量了起坡段彎曲巷道、主輔段岔口2 個地點安裝超表面反射裝置前后的SNR 和RSRP，計算得到二者的增益，結果見表1。對便于對比，表1 中列出了采用線極化喇叭定向天線時的仿真結果。

從表1 可看出，采用線極化喇叭狀定向天線進行仿真（b1）得到的信號增益與采用該類型天線進行巷道測試（b2）得到的結果相差9 dB，主要原因是存在巷道建模誤差、傳播參數誤差、對準誤差、材料損耗誤差等[20]。對比線極化鞭狀全向天線巷道測試（a）和采用線極化喇叭狀定向天線巷道測試（b2）結果可知，無論是在起坡段彎曲巷道還是主輔段岔口位置，定向天線的信號增強效果均優于全向天線，表明波束集中入射有利于增強反射信號。對比線極化喇叭狀定向天線巷道測試（b2）和圓極化螺旋狀定向天線巷道測試（c）結果可知，線極化定向天線的信號增強效果優于圓極化定向天線。綜合來看，無論是在起坡段彎曲巷道還是主輔段岔口位置，采用不同的發射天線情況下，安裝超表面反射裝置后無線信號均得到不同程度的增強。

5 總結及展望

仿真和測試了彎曲巷道和巷道岔口處采用不同發射機天線條件下無源超表面反射技術的信號增強效果，可知采用定向天線時RSRP 增益最大，為13 dB，與文獻[10-11，20-21]論述的實測或仿真增強效果相符。這表明無源超表面反射技術可用于信號盲區覆蓋補盲，但應用條件較為苛刻，且存在入射波角度難對準、波束難集中、入射距離短等問題。覆蓋補盲應用需準確測量地形環境、精密規劃入射反射角度，同時要求波束波瓣寬度窄、輻射能量集中、方向性強。針對這些問題，未來仍需研究基于多層結構相位調控能力的超表面角度不敏感性、基于相控陣天線或波束成形器件的波束精確控制、基于實時相位和振幅調整的超表面動態調控機制等。

從測試結果推斷：礦井環境中適合固定部署超表面反射裝置用以反射補盲，在未進行精確無線規劃的情況下臨時部署超表面反射裝置，則難以保障反射補盲效果；超表面反射傳播更適合岔口補盲，對于大曲率半徑的彎曲巷道，不應局限于超表面反射傳播形式， 還應研究超表面透射傳播形式； 增強8～15 dB 信號強度一般不足以顯著提高傳輸速率，但可以提高一定的傳輸距離，采用點對點傳輸可取得更好的傳輸距離提升效果。超表面無源反射改善傳輸速率、傳播距離的效果仍需進一步實測驗證，是否適用于高速率業務仍待證實。目前超表面反射技術未實現完全雙向反射，解決入射波和反射波之間的相干性和相位匹配仍是應用的重大課題。

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基金項目：國家重點研發計劃項目（2022YFB4703603）；煤礦災害防控全國重點實驗室2022 年開放基金項目（2022SKLKF12）。