1天線磁感應(yīng)方式
地層介質(zhì)對(duì)電磁波的衰減很大,而且頻率越高衰減越嚴(yán)重.W.C.Pritchett在測(cè)試射頻電磁波(1.65MHz)在地層的衰減得到石灰?guī)r中電磁波的平均衰減約為0.086Neper/Ft(2.49dB/m),頁(yè)巖中平均衰減為0.231Neper/Ft(6.6dB/m)[3].上世紀(jì)70年代開始,在美國(guó)內(nèi)政部地礦局(BureauofMines)的資助下,R.Wait和G.Geyer等對(duì)電磁波在大地中傳播進(jìn)行了許多研究[4-7],得到接收天線的磁場(chǎng)耦合強(qiáng)度算式:式中,i為發(fā)射天線電流,a為發(fā)射天線面積,s為透地深度,β為大地的衰減因子,σ為巖層介電常數(shù),μ為介質(zhì)磁導(dǎo)率,ω為電磁波角頻率,I0(x)和I1(x)分別為零階和1階貝塞爾函數(shù).當(dāng)大地為完全絕緣介質(zhì)時(shí),β=1,此時(shí)接收天線上的垂直磁場(chǎng)強(qiáng)度最高,巖層電導(dǎo)率越大,Hz越小,ω越大,Hz越小.JohnDurkin等根據(jù)算式(1)和大地介質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)模型[8-9],得到信號(hào)在630Hz時(shí)的衰減約0.1dB/m,3030Hz時(shí)大約0.13dB/m,說(shuō)明在超低頻頻段的衰減遠(yuǎn)低于文獻(xiàn)[3]的中頻段的衰減.20世紀(jì)90年代澳大利亞鎂思銻技術(shù)公司開發(fā)的PED(PersonalEmergencyDevice—個(gè)人急救設(shè)備)應(yīng)急指揮尋呼系統(tǒng),單向透地距離可達(dá)800m,正常通信速率0.5byte/s,加拿大VitalAlert公司也推出了自己的Canary系列透地通信產(chǎn)品.2005年Barkand等在一個(gè)石灰?guī)r礦和運(yùn)行中的煤礦中對(duì)“Telemag”半雙工透地通信原型系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試研究,該系統(tǒng)用500Hz帶寬實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)語(yǔ)音通信文獻(xiàn)[10-11].此后PED和Canary2系統(tǒng)也宣布能實(shí)現(xiàn)短距離語(yǔ)音通信.2011年開始LockheedMartin公司、StolarHorizone公司、UltraElectronics公司等也陸續(xù)研制出各自的透地通信系統(tǒng).國(guó)內(nèi)從事透地通信持續(xù)研究的學(xué)者并不多,而且絕大多數(shù)都是從事低頻電磁波方向的,如張清毅于1999年用環(huán)形天線方式對(duì)透地通信的信道特性進(jìn)行過(guò)研究[12],陶晉宜于1999年到2000年對(duì)電磁波透地通信方案及系統(tǒng)裝置方面進(jìn)行過(guò)研究[13],陳鵬等從事電磁波透地傳輸FDTD方法模擬的研究[14].天線磁感應(yīng)方式透地通信的優(yōu)勢(shì):1)由于使用的環(huán)形天線尺寸很大,因此覆蓋區(qū)域較大;2)因?yàn)榈亟橘|(zhì)電導(dǎo)率越小,電磁波傳播衰減越小,因此此透地方式受疏松地層影響較小.其缺點(diǎn):1)需要大尺寸天線.由于天線的尺寸與輻射電磁波的波長(zhǎng)相關(guān),低頻電磁波的波長(zhǎng)很大,因此一般需巨型的環(huán)形天線.PED系統(tǒng)的發(fā)射端天線直徑一般十幾公里,Canary系統(tǒng)GO系列的天線尺寸也需61m直徑;2)能量效率低;一般來(lái)說(shuō)發(fā)射機(jī)應(yīng)該工作在諧振狀態(tài),這樣輻射效率會(huì)高,但這需要諧振電路的品質(zhì)因數(shù)值很高,又會(huì)影響通信信號(hào)的帶寬,這是一對(duì)無(wú)法解決的矛盾.最近有學(xué)者提出的磁導(dǎo)(Magneticinduction)通信方式用于地下通信,如Jack等[15]研究了其用于透地通信的可行性,SunZhi提出了基于磁感應(yīng)的無(wú)線地下傳感網(wǎng)絡(luò),分析了磁導(dǎo)透地通信的信道模型與系統(tǒng)容量[16].SeokBae等則設(shè)計(jì)了一種用于透地通信的鐵氧體磁發(fā)射天線[17],這些磁通信技術(shù)主要是借鑒了近場(chǎng)磁通信技術(shù),都處于理論探討或?qū)嶒?yàn)室試驗(yàn)階段,接收端采用效率較高的霍爾傳感器、磁通量閘門探測(cè)器或螺旋天線,使用極低的信號(hào)頻率.而實(shí)際上LockheedMartin公司也稱他們的Magnelink系統(tǒng)是磁通信系統(tǒng),接收端用的是環(huán)形天線,在很低的頻率(VeryLowFrequency簡(jiǎn)寫為VLF)的情況下是磁感應(yīng)通信.