[發明專利]無線地下通信的天線

有效

• 申請號: 201380043937.0
• 申請日: 2013-07-18
• 公開（公告）號: CN104769773B
• 公開（公告）日: 2017-12-05
• 發明（設計）人: 穆罕默德·武蘭;董欣;戴維·安東尼
• 申請（專利權）人: 紐泰克溫圖斯公司
• 主分類號: H01Q1/38
• 分類號: H01Q1/38;H01Q1/24
• 代理公司: 中原信達知識產權代理有限責任公司11219
• 代理人: 陳依虹,劉光明

相關申請的交叉引用

本申請要求于2012年7月20日提出的題目為無線地下通信的天線的美國申請序列號No.61/673,757的優先權，該申請的公開通過引用并入于此。

技術領域

本公開涉及無線天線，并且更具體地涉及無線地下傳感器網絡(WUSN)的地下天線的特性。

背景技術

無線地下傳感器網絡(WUSN)是無線傳感器網絡(WSN)對地下設備的自然擴張。WUSN通常包括埋在土壤中的傳感器微塵，并且例如能夠提供精細農業、環境監控和虛擬圍欄方面的應用。在地下設備中建立無線通信鏈路可能是有挑戰性的。可能會增加挑戰性的示例因素包括土壤的高電容率、土壤空氣界面特性和特定的實時土壤狀況。

發明內容

公開了用于輻射經過耗散介質的地下天線結構的系統和方法。另外，公開了用于測量諸如土壤的耗散介質中的狀況的系統和方法。在圖3-8中示出了經驗評估，從而示出考慮土壤中的波長改變和從土壤空氣界面的反射兩者而設計的天線能夠適應土壤濕度的主要改變，并且與僅基于土壤中的波長改變而設計的天線相比，能夠改善通信距離達到587％。作為示例，在本文獻中描述的具體寬帶天線的選擇或設計能夠導致在天線和一個或多個其他結構或網絡之間發生的通信的通信距離增加。

在一種實施方式中，公開了一種用于輻射經過耗散介質的地下天線結構。所述天線結構包括電介質基板，布置在基板上的饋送結構，以及配置在基板上、被定向并被埋在耗散介質中的一個或多個電導體。在一些實施方式中，電導體適配于以與耗散介質相鄰的半空間中的頻率輻射信號。這樣的適配例如可以包括至少部分地基于耗散介質的相對電容率(例如含水量)而為一個或多個電導體設計波束寬度狀態。在一些實施方式中，天線結構是對于多種土壤狀況維持小于大約負10分貝的回波損耗的寬帶天線。在一個示例中，寬帶天線具有大約100毫米的直徑，并且天線被埋在非均質土壤中。

在一些實施方式中，一個或多個電導體被定向為朝向并且大致平行于自由空間與耗散介質之間的界面，并且由地下天線結構發射的相應輻射圖案朝向界面是單向性的。在一些示例中，天線結構被埋在耗散介質中大約0.1米直到大約1.0米處。

在一些實施方式中，天線結構包括能夠適配于提供適應不同土壤狀況下從土壤到空氣的臨界入射角度的波束寬度的電路。在天線結構的一些方面，該波束寬度狀態導致對于地下天線結構與一個或多個其他結構或網絡之間的通信的無線通信距離增加。臨界入射角度可以是大約5度與大約15度之間的臨界操作角度θc，其中臨界操作角度θc值至少部分地基于耗散介質的電容率。在一些示例中，臨界操作角度θc表示超過該角度對于天線結構不存在折射的角度。

在另一個實施方式中，公開了用于測量耗散介質中的狀況的無線地下系統。系統包括一個或多個無線濕度傳感器，每一個無線濕度傳感器包括傳感器板、在傳感器板內的處理器和與處理器通信并耦接至天線的收發器。系統還包括網關，其被配置為接收并發送無線消息，并且進一步被配置為與網絡通信，并且接收和中繼來自一個或多個無線濕度傳感器的無線消息。在一些實施方式中，每個無線濕度傳感器被配置為(i)從沿著耗散介質的長度的多個傳感器收集關于耗散介質的狀況的數據，并且(ii)響應于檢測到耗散介質的電容率的改變的閾值水平，維持回波損耗的閾值水平。

在一些實施方式中，耗散介質的電容率的改變的閾值水平包括耗散介質的濕度水平的大約百分之五的增加或減少，并且回波損耗的閾值水平小于大約負10分貝。

在一些方面，一個或多個無線濕度傳感器能夠收集來自耗散介質內的至少兩個深度的數據。示例的深度可以包括在耗散介質(例如土壤)的表面下面大約0.1米和在耗散介質(例如土壤)的表面下面大約1.0米。

在另一個實施方式中，公開了用于操作輻射經過耗散介質的地下天線結構的方法。方法包括使用地下天線結構測量與多個無線傳感器周圍的耗散介質相關聯的數據，其中多個無線傳感器耦接至天線結構。方法還包括響應于檢測到耗散介質的電容率的改變的閾值水平，而對于天線結構維持回波損耗的閾值水平小于大約負10分貝。示例的耗散介質的電容率的改變的閾值水平可以包括耗散介質的濕度水平的大約百分之五的增加或減少。方法還包括使用天線發送來自多個無線傳感器的一個或多個無線消息。消息可以與測量的數據相對應。

有利地，所描述的系統和技術可以提供一個或多個益處，諸如基于確定實時土壤特性而能夠從無線地下傳感器網絡收集的信息增加。作為另一個優點，在地下通信中使用寬帶天線提供了被設計為補償土壤中的簡單波長改變的天線的顯著的距離增加。