[發明專利]一種基于低功率電小天線的地下低頻無線通信系統

有效

• 申請號: 201310409920.4
• 申請日: 2013-09-10
• 公開（公告）號: CN103441803A
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發明（設計）人: 馬靜;黃琪瑋;張宇璇
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: H04B13/02
• 分類號: H04B13/02;H01Q1/22;H01Q7/00
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司 11401
• 代理人: 皋吉甫

技術領域

本發明涉及一種基于低功率電小天線的地下低頻無線通信系統，屬于地表下低頻通信系統集成電路設計的技術領域，特別涉及一種實現埋設在土壤中的節點間低頻通信的電小天線（ESA，electrically?small?antenna）的設計。

背景技術

無線地下傳感器網絡（WUSN）可以實現地下環境的監測，諸如土壤中的水和礦物質的含量，油藏的石油泄漏，板塊運動，山體滑坡以及地震的監測，是目前相當活躍和有前途的研究領域。然而，由于傳輸介質不再是空氣，而是土壤，巖石和水，無線通信對于地下環境來說具有一定的挑戰。對于地下信道，為了繞過巖石等障礙物，技術人員必須使用低頻通信，這使得天線尺寸非常大，不適合埋設在地下。從而導致了使用電磁波（EM）完善的無線信號傳播技術不能很好的在地下環境中工作。因此，在保證低頻通信的條件下，如何縮小天線尺寸成為目前實現地下通信的研究的重點和難點，也是當前低頻地下通信的研究熱點之一。

代替傳統的電磁波無線通信，利用感應磁場進行通信，是可以解決地下通信大尺寸天線的關鍵技術之一。磁感通信可以使天線尺寸遠小于波長，加之其通信距離遠，衰減小，所以其更適用于頻率低的無線地下傳感器網絡系統。

目前，地下通信的研究主要集中在礦井區，隧道，地下車庫等地下空曠的環境，并且仍然利用高頻電磁波進行通信，由于技術難度的問題，利用磁感進行通信的研究少之又少。進行此項研究的主要有以下兩個單位：1）佐治亞理工大學的SunZhi通過對比電磁波（EM）和磁感通信（MI）的路徑損耗以及帶寬，提出一種增加傳播距離的方法。他們在礦井區進行實驗，對信道模型，信道容量等進行研究。但是，其傳播介質仍然是空氣，并不是將節點埋在土壤中。2）帝國理工大學的R.R.A.Syms對線形和十字形拓撲結構布陣的帶寬，能量密度，不同介質的發射折射等進行理論研究。另外，其學生對其工作進行總結，從其他角度進行仿真，但是都止步于理論分析，并沒有進行實際的實驗。

通信的天線尺寸大小與具體實現相關，目前通信系統采用電磁波通信方式，由于天線長度與通信波長相比擬，使得在甚低頻通信的情況下，天線尺寸達到幾千米，不易于節點的埋設；而支持電磁波通信的系統，應用到土壤中通信時，其發射功率也要求非常大，這需要我們對地下通信問題重新規劃。

發明內容

針對于上述技術缺陷，本發明基于磁感應原理設計一種小尺寸甚低頻磁感電小天線，使僅用較小的發射功率便能使接收端天線的耦合信號功率達到可分辨級別，并為接收端設計一款解決工頻干擾的模擬濾波以及多級放大電路，同時基于現場可編程陣列FPGA實現本通信系統中的數字調制、解調。本系統可用與地下——地下以及地下——地面間的定向無線通信，可作為獨立模塊完成地下傳感器數據向地面接受裝置的中短距離無線傳輸。

該通信系統包括順序連接的發送端FPGA數字控制模塊、功率放大及阻抗匹配模塊、小尺寸甚低頻發射天線、小尺寸甚低頻接收天線、接收端濾波放大模塊、接收端FPGA數字控制模塊、上位機。發送端FPGA數字控制系統和接收端FPGA數字控制模塊，其包括cyclone?II芯片、flash芯片、A/D轉換芯片、D/A轉換芯片、通道選擇芯片。其中cyclone?II芯片為Altera公司的中低端FPGA，用來實現調制邏輯、D/A接口驅動邏輯、A/D接口驅動邏輯、解調邏輯；flash芯片為外置64M的flash用來存儲接收數據；A/D轉換芯片為8位A/D轉換芯片用來產生調制后的模擬信號；D/A轉換芯片為8位D/A轉換芯片用來對接收端放大后的信號進行采樣；通道選擇芯片用來控制D/A采集不同放大倍數的信號。

所述功率放大及阻抗匹配模塊是由功率放大電路和阻抗匹配電路構成的發射端模擬電路，其中，功率放大電路由運算放大器進行前級放大，由功率三極管構成準互補輸出級電路以提高電流輸出能力，阻抗匹配電路包括使電路的輸出阻抗與負載電路的輸入阻抗相匹配的變壓器，從而使負載獲得最大功率。