矿用双极化天线的设计与应用

阎东慧

(大同煤矿集团有限责任公司同大科技研究院 山西大同 037003)

目前,煤矿综采工作面广泛使用的通信方式主要是有线通信系统和定向天线无线通信系统。有线通信系统受传输电缆、光缆约束,普遍存在着限制采掘作业和线缆经常被扯断的情况,频繁造成通信线路故障和通信质量差的问题[1,2]。

传统无线通信系统大多是在综采工作面巷道两头安装定向天线,但采煤机、刮板输送机、液压支架等大型金属设备对电磁波产生多径衰落效应[3,4]和煤岩、粉尘和水雾等介质对电磁波产生了较大的吸收和衰减,这些因素干扰了无线信号的正常传播,巷道内无线信号覆盖相当差,出现很多通信盲区,无线通信不稳定。

为了彻底解决综采工作面内通信质量差的问题,设计了一种适合于井下复杂工况的无线通信装置——矿用双极化天线。这种天线采用双极化电磁波传输替代单极化传输,工作频率为4 GHz～6 GHz频段,具有金属外壳防护,天线主要安装在液压支架顶梁下部,与工作面扩音电话系统、手持通话设备、手持视频设备构成完整的无线通讯系统,同时,还留有接口方便其他无线设备接入。这种矿用双极化天线有效地解决了工作面内无线信号的全覆盖问题,保证了无线通信系统在工作面的正常使用。

1 矿用双极化天线设计

矿用双极化天线设计重点主要是天线结构和尺寸的确定。针对煤矿特殊的使用环境,决定采用一种阶梯型的方形环缝隙结构,这种缝隙结构能够产生两个相互正交(正交可以理解为相互垂直,互不影响)的辐射电磁场,达到一个天线产生两条无线链路同时收发数据的效果,比单一极化方式具有传输距离更远和覆盖范围更广的特点,提高了工作带宽和天线收发效率。

经过大量的对比试验和优化设计,最终确定的矿用双极化天线的介质基板为常规材料FR-4,基板厚度为1.6 mm,相对介电常数为4.4,天线的平面结构的正反面如图1 所示,结构尺寸如表1 所示,其中LA、LB、H为保护天线的金属外壳的尺寸。

表1 天线结构尺寸 单位为mm

图1 天线平面结构

2 仿真测试

利用HFSS 软件对设计好的结构参数进行仿真分析。仿真时选择高斯信号作为激励源,PML 匹配吸收层作为边界。观察双极化天线的S 参数的变化趋势。双极化天线的S参数的仿真结果如图2所示。

图2 天线S参数仿真结果

由图2 可见,双极化天线在低于-10 dB 范围内的水平极化端口阻抗带宽为3.58 GHz～6.14 GHz,垂直极化端口阻抗带宽为4.24 GHz～6.11 GHz。仿真结果说明,本文设计的天线频率无论在水平极化还是垂直极化都具有较强的磁耦合馈电效果,保证了天线的工作频率为4 GHz～6 GHz。

3 实验室测试

矿用双极化天线仿真测试完成后,对天线进行实物加工。将天线置于金属壳中,金属壳四壁和底部采用不锈钢,顶部采用ABS 塑料,这种设计可以有效的防水、防尘、防摔,同时也符合《煤矿安全规程》规定矿用设备的防护等级至少为IP54 的要求,实物见图3 所示。

图3 天线的加工实物图

实物加工后进行密封,使用矢量网络分析仪对加工的矿用双极化天线进行测试,主要对天线的S 参数和端口隔离度进行测试,测试结果见图4和图5。

图4 天线端口S参数测试结果

图5 天线端口隔离度测试结果

由图4可知,天线的S参数在整个频带内均小于-10 dB,说明天线的效率较高,符合工程要求。由图5可知,天线的端口隔离度在4 GHz～6 GHz 频带内均低于-25 dB,说明两个端口互相的干扰程度较低,也符合工程要求。综合测试结果与仿真结果一致说明设计的矿用双极化天线是合理的。

4 工业性试验

设计的矿用双极化天线于2017年3月在大同煤矿集团有限责任公司云冈矿8202 工作面和2208 巷进行工业性试验。试验工作面长度133.5 m,工作面煤均厚2.23 m,工作面支架数92 架,支架中心距1.5 m。矿用天线安装于液压支架顶梁下部,间隔30个支架放置一台,头尾各放置一台,共计5台。天线的电源是127 V,天线与工作面扩音电话系统、手持通话设备、手持视频设备构成完整的无线通讯系统,如图6所示。

图6 天线设备布置图

试验期间,工作面扩音电话系统实现了无线连接,液压支架移架时有效避免了线缆的扯断问题,运行过程中矿用天线与其他系统衔接顺利、设备运行稳定、通话过程话质清晰、流畅,尤其当液压支架拉架移架时,无线信号明显比之前使用定向天线时,信号稳定、抗干扰能力强。试验结果说明,本文设计的双极化天线提高了无线通信系统的传输和覆盖效率,且系统稳定、可靠满足煤矿大规模应用的要求。

5 结论

针对煤矿综采工作面通信的特殊性,研发了一款工作在4 GHz～6 GHz 频段,并安装在液压支架顶梁下部的矿用双极化天线,现场工业性试验证明,该天线装置增强了无线系统的通讯距离和覆盖范围,提高了工作面复杂工况环境下的无线通信质量,减少了设备维护工作量,保障了煤矿生产安全、稳定、持续地运行。