用于井下电磁能量收集的功率传输模型.pdf

第 4 2卷 第 5期 2 0 1 6年 5月 工矿 自 动 化 I nd us t r y a n d M i ne Au t oma t i o n Vo 1 ． 4 2 NO ． 5 M a y 2 01 6 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 O 5 刘 晓明 ， 满忠诚 ， 赵 端． 用 于井 下 一 0 0 5 6 0 8 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． 电磁能量收集 的功率传输模型E J ] ． i s s n． 1 6 71 25 1 x． 2 0 16 ． 0 5 ． O1 3 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 5 5 6 6 3 ． 用于井下电磁能量收集的功率传输模型 刘晓 明 ， 满 忠诚 ， 赵端 1 。 中国矿业大学 信息与电气工程学院，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ； 2 ． 中国矿业大学 物联网 感知矿山 研究中心， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ； 3 ． 矿山互联网应用技术 国家地方联合工程实验室 ， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ； 4 ． 江苏省感知矿 山物联网工程实验室，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘 要 为了将 电磁 能 量收 集技 术应 用到煤 矿 井下 ， 采 用 实验 测量 和统 计分析 的 方法对 电磁 能量收 集 的功 率传 输特 性进行 了研 究 ， 建 立 了微 波在巷 道 中路径损 耗 的一般 表 达式 ； 提 出 了一种 用 于井下巷 道的功 率传 输 模型， 有效解决矩形 、 拱形巷道 内近距离电磁能量传输效率的计算 问题。仿真和实验分析证明了该模型的正 确性 ， 同时表 明 ， 功 率 衰减 受路 径 衰减指 数 的影响较 大 ， 提 升发 射 功率不是 提 升充 电效果 的最 佳选择 ， 在 实际 应 用 中， 为 了获得 最佳接 收功 率 ， 应根 据 接收机 所 处位 置合理 选取 天线极 化 方式 。 关键 词 电磁 能量 收集 ； 功 率传 输模 型 ； 路 径 衰减 中图分类号 TD 6 5 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 6 0 4 2 9 1 1 2 9 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ w ww． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 6 0 4 2 9 ． 1 1 2 9 ． 0 1 3 ． h t ml Po we r t r a n s f e r mo d e l o f e l e c t r o ma g n e t i c e ne r g y h a r v e s t i n g u s e d i n mi n e t u n ne l s LI U Xi a omi n g ， ’ 。 一， M AN Zh o ngc he ng ， ZHAO Du a n ’ ’ 。 ’ 1． Sc ho ol o f I nf or ma t i o n a n d El e c t r i c a l En g i ne e r i ng，Ch i na Uni v e r s i t y o f M i ni n g a n d Te c hn ol o g y， Xu z h o u 2 2 1 0 0 8 ，Ch i n a ；2． I o T P e r c e p t i o n Mi n e Re s e a r c h Ce n t e r ， Ch i n a Un i v e r s i t y o f M i n i n g a n d Te c h n o l o g y ，Xu z h o u 2 2 1 0 0 8，Ch i n a ；3 ． S t a t e a n d L o c a l J o i n t En g i n e e r i n g La b o r a t o r y o f Mi n i n g I nt e r ne t Ap pl i c a t i on Te c hno l o gy，Xu z ho u 2 2 1 00 8，Chi n a； 4 ． J i a n g s u En g i n e e r i n g La b o r a t o r y o f Pe r c e p t i o n Mi n e Re s e a r c h Ce n t e r ，Xu z h o u 2 2 1 0 0 8 ，Ch i n a Ab s t r a c t I n o r de r t o a pp l y e l e c t r oma g ne t i c e ne r g y ha r v e s t i ng t e c hno l o gy i n m i ne t un ne l s ， t he p owe r t r a ns f e r c h a r a c t e r i s t i c s o f e l e c t r o ma g ne t i c e n e r g y h a r v e s t i ng we r e s t ud i e d u s i ng e xp e r i me nt a l m e a s u r e me nt an d s t a t i s t i c a l a na l y s i s me t h o d．The e xp r e s s i o n o f mi c r owa v e pa t h 1 OS S i n t u nne l wa s e s t a bl i s he d，t hus t he p owe r t r a n s f e r mo de l of e ne r gy h a r v e s t i n g us e d i n m i ne t u nn e l s wa s d e du c e d，wh i c h i s a bl e t o c a l c u l a t e p o we r t r a n s f e r e f f i c i e n c y i n b o t h a r c h e d a n d r e c t a n g u l a r t u n n e l s i n s h o r t d i s t a n c e ． S i mu l a t i o n a n d e x pe r i me n t a 1 a na l y s i s s h ows c o r r e c t ne s s o f t he mod e l ，a nd s h ows t ha t t he po we r a t t e nu a t i on i s a f f e c t e d by t he p a t h l os s e x po ne nt ，a nd i m p r ov i n g t r a ns mi t t e d po we r c on t i nu a l l y i s n o t t he o pt i m a l c h o i c e t o pr o mot e t h e c h a r g i n g e f f i c i e n c y ， i n p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n， d i f f e r e n t l o c a t i o n s s h o u l d a d o p t r e a s o n a b l e a n t e n n a p o l a r i z a t i o n s t o g a i n t h e ma x i ma l p o we r ． Ke y wo r d s e l e c t r o m a gne t i c e ne r g y ha r ve s t i ng；po we r t r a n s f e r m o de l ；pa t h l os s 收稿 日期 2 0 1 6 - 0 1 2 5 ； 修 回日期 2 0 1 6 0 3 1 5 ； 责任编辑 胡娴。 基金项 目 中国矿业大学大学生创 新训练计 划项 目 X1 0 2 9 0 1 5 0 5 8 。 作者简介 刘晓明 1 9 8 7 一 ， 男 ， 山东滕州人 ， 博士研 究生 ， 主要研究 方 向为煤矿 巷道无 线输能 机理 ， E - ma i l 1 x m0 7 7 9 1 2 6 ． c o rn。通信作 者 赵端 1 9 8 3 一 ， 男 ， 河北承德人 ， 讲师 ， 研究方向为无 线输能， E - ma i l z h a o d u a n 1 0 2 7 1 6 3 ． c o m。 2 0 1 6年第 5期 刘晓明等 用于井下电磁 能量收集的功率传输模型 5 7 0引言 随着煤矿数字化 、 信息化和 自动化[ 1 的发展 ， 井 下布置了大量的无线传感器 。传感器节点多采用电 池供电， 而电池容量有限。电池的更换维护消耗 了 大量的人力和物力 ， 同时也无法保证 无线监控系统 的可靠性。电磁 能量收集技术的研 究进展[ 2 ] 使利 用电磁能量收集 的方式 为传感 器节点充 电成为现 实 。电磁能量收集也称为射频 能量收集 ， 是一种将 分布于周围环境的电磁能量进行收集并转换成可使 用电能的技术[ 6 ] 。电磁能量收集系统可直接作为无 电源系统的电源 ， 也可作为辅助电源为电池充电 ] 。 电磁能量收集的 主要应用是 为无线传感器节 点供 电。目前有些传感器的功耗可 以做到微瓦级 ， 基本 符合电磁能量收集水平。对于一些允许间歇性工作 的传感器 ， 也可将能量收集系统直接作为传感器节 点的电源。不同于地面环境具有丰富 的电磁资源， 煤矿井下电磁资源匮乏。欲将电磁能量收集技术应 用到井下 ， 一般需设置独立的射频源 。然而 ， 对于煤 矿巷道这种受限环境来 说， 更有利 于电磁波能量的 汇聚 ， 能显著提高能量收集 的水平 。同时， 巷道环境 中电波频段较少 ， 也无需考虑电磁收集 的宽频化问 题 ， 这就简化 了系统 的设计 。将无线 电磁能量收集 应用 于煤矿井下既能解决 电池 电量不足的问题 ， 又 避免了大量接线所产生的安全隐患。因此， 研究 电 磁能量收集技术在井下的应用具有重要意义 。 学者们对电磁能量收集系统的收集水平[ 7 - 8 ] 、 天 线设计[ 9 。 。 。 、 整流 电路设计[ 】 。 以及超材料应用 进 行 了大 量 的研 究 ， 也 有 一 些应 用 。但 地 面成 果 不 能直接照搬到井下 。在实 际的煤矿巷道 中， 传感器 节点经常被布置在巷道两侧壁及顶 壁中间位置 ， 这 就形成了传感器节点沿巷道壁呈带状分布 的特点 。 在 电磁能量收集的应用 中， 射频发射装置被放置在 巷道的中部， 为了分析发射装置与传感器节点 间的 功率传输特性 ， 一个关键环节便是明确在能量收集 的距离 最远考虑 1 0 m 内， 电波在收发设备之间沿 巷道壁传播 的功率特性。从而定量分析功率传输效 率 ， 进一步为能量收发装置的设计提供理论依据 。 对于无线电波在巷道中的传播规律 ， 许多学者 进行了大量 的理论和实际研究 ， 内容可概括为理论 模型和数值统计模型 。参考文献[ 1 4 ] 提出了多模波 导模型 ， 并给出了理论 表达式 。该模型能计算矩形 巷道中任意一点的接收功率。然而仿真电波沿拱形 巷道壁传播时， 用多模波导模 型计算 的结果与实测 数据有较大误差。参考文献[ 1 5 ] 通过实际测量研究 了电波在巷道中的传播规律 ， 给出了电波在大尺度 下的传播模型 ， 但对短距 离情形没有具体分析。参 考文献[ 1 6 ] 测量了电波在地铁巷道 中的传播特性 ， 但只对传播特性进行 了分析 ， 而没有给出理论模型 。 参考文献[ 1 7 - 2 2 ] 分别分析 了巷道截面尺寸 、 围岩电 参数 、 巷道壁粗糙度、 围岩湿度、 粉尘 、 水汽等对电波 传播特性的影响。 大部分研究都是针对 电波在巷道 中长距离下的 传播特性 ， 是为井下通信服务的， 进行研究所选用的 巷道大多为矩形 。但是 ， 当分析 电波沿巷道壁 的传 播特性时 ， 拱形巷道和矩形巷道应 当分开考虑。 目 前为止 ， 有关 电波在短距离下沿巷道壁传播特性 的 研究还很少 ， 因此 ， 针对煤矿巷道环境研究电磁能量 的传输模型有着重要的现实意义。 1 井 下巷道 电磁 能量 收集 方案 井 下巷 道 电磁能 量收集 方案 如 图 1 所示 。将 无 线电能发射装置安装在井下周期性移动 的设备上， 如巷道运输用的机车、 刮板输送机等 ， 由于这些移动 设备涉及井下生产和运输 的各个方 面， 其移动范 围 也覆盖了矿井下所有物联网节点的感知区域 ， 所以， 将无线电能发射装置安装在这些设备上 ， 利用这些 设备 的移动对井下沿途的节点进行供电或作为备用 电源对电池充 电， 可以确保节点拥有充足的电量。 传感器节 点 巷道 图 1 井 F 巷道 电磁能量收集方案 电磁能量收集系统由发送端和接收端 2 个部分 组成 ， 如图 2 所示。发送端由电源供 电， 通过处理电 路将电源提供给发送端天线 ； 接收端 由接收天线 、 整 流 电路 以及调理 电路 3个部分组成 。接收端产生的 直流信号通过调理电路给传感器节点供电或为电池 充 电 。 2 功 率传 输模型 微波能量由发送端发 出， 经巷道路径传播 到达 无线节点接收端 ， 经过整流 电路后 ， 由调理 电路输 出。电磁能量收集系统的功率传输模型如下 Pb PT GTGR PL 一 P 一 Pc - 1 式中 P 为能量收集终端的输出功率； P 为发送端 5 8 工矿 自动 化 2 0 1 6年 第 4 2卷 l卜 _ 叫电池／ 直接作为电 源l 一 一接收 端 ‘ 二二 匝 亟H壅 ．．．一一．．．一一．．一一一．．．一一．．．； 图 2电磁 能 量 收集 系统 的发送功率 ； G 为发送端天线 的增益 ； G 为接收端 天线的增益 ； P 为微波能量在发送端和接收端 天线之间的路径损耗 ， d为发送端和接收端天线间 的距离 ； P 。 为整流 电路 的功率损耗 ； P 为调理电 路 的功率损耗。 功率传输模型 中， P 是 已知的， 参考文献 F 2 3 ] 从 煤 矿安全 的角度分 析并 得 出结论 P 的大小 不 能 超过 6 W， G 和 G 的值越大越好 ， 但是值越大 ， 电 波 覆 盖 的范 围越 小 ， 同时 实现起 来 技术难 度 也越 大 。 P 是未知 的， P 的值与整流 电路的效率有关 。 参考文献F 2 4 2 9 ] 对微波整流进行了细致 的研究与 设计 ， 得到的整流效率都 在 6 0 以上 ， 其 中参 考文 献[ 2 4 ] 设计的整流电路最大整流效率达到 了 8 9 ％。 P 的值取决 于电路 的器件特性 ， 为一个定值 。由 于 P 的不确定 性 ， 导致 了 P 的不确定性 。为 了定 量分 析 P ， 必须 明确 P 的表 达式 。 3路径 损耗 实验 分析 基 于 实 际测 量所 得 的巷 道 电波 路 径 损耗 特 性 ， 能为能量收集 系统 的开发与设 计提供最 真实的指 导 。基 于此 ， 本 文 对 实 际巷 道 测 量 所 得 数 据进 行 统 计分析 ， 从而明确 P 的一般表达式。 3 ． 1 巷 道环 境 实 验所 选 用 的 典 型拱 形 、 矩 形巷 道 分 别 位 于 山 东省滕州市 的郭 庄煤矿 和金 达煤 矿， 巷 道截 面如 图 3所示。拱 形 巷 道 的平 均 宽度 和高 度 分 别 为 2 ． 7 ， 2 ． 6 1 “I 1 ， 矩形 巷 道 的 平 均 宽 度 和 高 度 分 别 为 2 ． 75， 2． 7 m 。 拱形 巷道 四周 为岩 石结 构 ， 内侧是 混凝 土结 构 ， 厚度约为 1 0 c m， 地板厚度约为 2 5 c m。在混凝土和 岩 石 之 间 铺 设 了 一 层 金 属 网 ， 金 属 网 厚 度 约 为 0 ． 2 c m， 金 属 网的 正 方 形 网格 宽 度 为 1 0 a m。巷 道 一 侧分布有 4根 电缆 ， 每根 电缆直径 为 1 0 a m。电 缆距侧壁 5 a m， 电缆之间间隔 8 c m， 最下面 1根电 缆离地板 1 ． 4 m； 巷道另一侧分布有 1 个直径为 5 a m 的水管 ， 离地板 1 ． 2 m。地板一侧有宽为 3 0 a m、 深 a 拱 形 巷道 截 面 b 矩 形 巷 道 截 面 图 3巷道截面 为 2 0 c m 的排 水 渠 。偏 离地 板 中心 大概 1 0 c m 分 布 有 1 条铁轨。巷道顶部 中心位置分布有 1条 电缆 ， 用 于给 照 明灯 供 电 。 矩 形 巷道 的格 局 同拱 形 巷 道类 似 ， 但 是 矩 形巷 道一般直接采用岩石作为顶板和底板 ， 有的侧壁喷 有 混凝 土 ， 有 的顶 部喷 有混 凝土 ， 还有 些直 接用 煤层 作为侧壁。实验时各种情形都有涉及 。 3 ． 2 实验 方案 实验采用 了 2个工作在 2 ． 4 GHz 井下传感器 网络常用频段 的标准半波偶极子天线 。发射天线 位 于巷 道 中间 图 3中 0 点 ， 这样 插 入 损 耗 最 小 。 发 射 天线通 过 1根 长 度 为 2 m 的 低 损 耗 射 频 电 缆 g o r e X N3 4 4 9 连 接 微 波 信 号 源RS S MB 1 0 0 A 。设置信 号 源 的输 出功率 为 1 6 d B m。 接收天线依 次放置在 图 3中所标示 的 A， B 和 c 三个位置 ， 那里是经常放置无线传感器节点的位置 。 接 收 天 线 通 过1 根5 m 长 的 射 频 电 缆 g o r e XN3 4 4 9 连接频谱仪 GS P 一 8 3 0 E ， 频谱仪连 接便携式计算机用于记录数据 。巷道中多径效应显 著， 频谱仪 中信号跳动剧烈， 为 了方便观测和记录数 据 ， 取 2 0次测量结果的均值在频谱仪 中显示 。实验 方 案 如 图 4所示 。 图 4实 验 方 案 依次测试发射天线在 A， B和 c三点 的接收功 率。开始测试时， 发射天线和接收天线位于 同一巷 道 截 面 上 ， 然 后 沿 巷 道 轴 向 移 动 发 射 天 线 ， 每 隔 0 ． 2 m记录一次数据 。考虑实际充 电距离 ， 设 发射 天线 移 动 的总距 离 为 1 0 m。建 立 如 图 3所 示 的坐 标 系 ， 依 次设 置 天线 沿 X， y和 Z 三 个方 向极 化 ， 在 A， B 和 C 每 一 点 测 试 3组 不 同天 线 极 化 方 式 的 数 据 。 。 L △ 2 0 1 6年第 5期 刘晓明等 用于井下电磁 能量收集的功率传输模型 5 9 3 ． 3 实验 结 果分析 分别在拱形和矩形巷道进行数次实验 ， 对 2种 类型的巷道分开讨论分析 ， 每种巷道实验结果类似 ， 选取其中 1 组数据进行分析 。 3 ． 3 ． 1 拱形直巷道 电波传播特性 百 曼 鲻 距离／ m a A点 舍 ● 兽 姗 蝤 1 0 1 T I 的巷道距离可近似为直巷道 ， 且属于 L OS L i g h t - Of - S i g h t 区。所有测试点的结果相似 ， 选取 其中一个测试点进行分析。图 5为拱形巷道 中 A， B， C三点在 3种天线极化方式下 的接收功率曲线。 距离／ m b B点 冒 ● 兽 瓣 雷 鲻 距离／ m c C点 图 5拱形巷道 中 A， B， C三点在 3种天线极化方式下 的接 收功率 曲线 参考文献[ 1 4 ， 3 o ] 提出了全波波导模型 ， 能够计 离 ； P 。 为参考距离 d 。 处 的接收功率 ； 为路径 算矩形巷道 中任意一点 的接收功率。但是 ， 用此模 衰减指 数； X 为零 均值 高 斯 随机 变量 ， 的值 在 型仿真的结果与本文 中实测实验数据差异较大。参0 ． 3 ～3之间。 考文献[ 3 1 3 2 ] 认为 ， 巷道中如此近距离的情况应属 用式 2 对 A， B和 C三点在 3 个极化方向下的 于 自由空间传播区域 ， 传播特性遵循 自由空间模型 ， 接收功率进行拟合 ， 拟合 曲线如图 6所示 。在能量 其模型如下 收集过程 中， 考虑 l O m 距离下的平均功率， 因此 ， P L P L 。 4 - l O n l g f 1 x 2 拟合过 程中 忽略了X 一 的 影响。 拟合过 程中 产生的 、 口 o ， 路径衰减指数 见表 1 。 式 中 d 。 为参考距离 ， 本 文设 置当收发天线位于 同 一 截面时的距离为 d 。 ， 即 O A， 0 lB和 0 C之间的距 莒 ● 鲁 糌 辎 距离／ m a A点 距离／ m b B点 吕 兽 瓣 辎 图 6 拱形巷道 中 A， B， C三点在 3 种天线极化方式下 的接 收功率 拟合 曲线 距离／ m c C点 表 1 拱形巷道中的路径衰减指数 度 ， 的绝对值越大 ， 功率衰减越大。电波沿巷道壁 不同位置 、 不同天线极化 方式下 的 P 。 和 ， z 值均不同。为获得最大 的充 电效率 ， 不 同位置应 该选用不同的极化方式 。 值决定了功率的衰减程 传播时的 值不同于 自由空间的 值 一2 。大量 实验分析 表 明， 在拱 形巷 道 的 A 和 C 两点 ， 选用 y极化方 向能 获得 最大 的接 收功率 ， 而在 中 间的 B点， 近距离时选用 X极 化方 向是最优的。但是 ， y极化在 B 点时 的绝对值较小 ， 因而其衰减较为 平坦 ， 在远距离 约 3 m之外 时获得的功率远 大于 其他 2种极化方式 。 3 ． 3 ． 2 矩形直巷道电波传播特性 矩形巷道中 A， B和 C三点在 3种天线极 化方 冒 ． ＼ 褂 鲻 6 O 工矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 式下的接收功率 曲线如图 7所示 。利用 式 2 对图 7中数据进行拟合 的结果如图 8所示 。 鲁 ● 兽 将 螂 距离／ m a A点 距离／ m a A点 舍 ● 兽 糌 鲻 b B点 图 7 矩形巷道 中的接收功率 曲线 冒 ● 薯 槲 鲻 距离／ m b B点 图 8 矩形巷道 中接 收功率 的拟合 曲线 拟合过程中得到的路径衰减指数 见表 2 。与 拱形巷道相 比， 矩形巷道 中路径衰减指数 的绝对 值较小 。2种巷道 中， X 和 Z极化方式下的衰减规 律类似 。但 是 ， y 极化 方 式 下 具有 较 大 的差 异 。 1 0 m 的充 电距离 下 ， 在 A 和 C两 点 ， y 极 化方 式下 的 n具有正值 。同负值相 比， 正值说 明其接收功率 随距离的增加而逐渐增大 ， 但是其 P o 初始值较 低 ， 所 以， 其 近距离 时的接收 功率较低 。在 B点 ， y极化情形下的接收功率 P 初始值较低 ， 但整 体衰减缓慢 ， 其 后段距离 的接 收功 率远 大于 另外 2种极化情形 。矩形巷道 中发送端的天线设计应不 同于拱 形 巷道 。 表 2 矩形巷道中的路径衰减指数 4功率传 输模 型仿 真分 析 有了路径衰减模型， 功率传输模型可重写如下 Pb PT- t - Gx- t - GR PL d o 一 吕 号 糌 督 鲻 毫 号 祷 鲻 c C点 距离／ m c C点 l O n l g 卜 - P 。 一P 3 由于关注的是平均功率 ， 同时为 了便于分析计 算 ， 式 3 中 忽 略 了 X 的影 响 。 为 了 简 化 仿 真 过 程， 假设整流电路的整流效率为一定值 ， 同时忽略 定值 P 的影响， 式 3 可进一步整理如下 P b 一 I P G T G P L 。 一 1 0 lg j 4 整流之后 ， 由电池端 电压 U 和电流 J 。 ， 可得 Pb U I 5 式 5 中， L ， 。 设计为定值 ， I 随 P 变化而变化 。 依据充电电池特性 ， f 值必须高于电池充 电阈值才 能正 常 充 电。 设 为一定值的 6 0 ， 不同 值下的输 出功率 仿真曲线如图 9所示 。图 9 a 对应一般情况下 的 功率衰减情形 ， 此时 为负值； 图 9 b 对应矩形巷 道 中Y极化时接收功率逐渐增加的情形 ， 此 时 为 正值 。仿真时 ， 尽量考 虑高性能天线 ， G -r和 G 都 设 为 1 0 ， P 设 为巷 道 中所允 许 的最 大 功率 6 W ， 即 3 7 ． 7 8 d B． m。d o 取实 测 时的 1 ． 1 r n ， 1 0 12 1 是 发 射 天线沿巷道轴向移动 的距离 ， d值应根据勾股定理 进行换算 。实测时 ， 在接收功率衰减的情况下 ， 取 值范围约为一5 ～一1 ； 在矩形巷道中采用 Y极化方 2 0 1 6年第 5期 刘晓明等 用于并下电磁能量收集的功率传输模型 6 1 式时接收功率逐渐增加 的情况下 ， 取值范 围约为 0 ． 5 ～2 ， 但此种情况下 P 值也较低。需要强调 一 点， 仿真时， 默认收发天线的方向图指 向性是相对 的， 此时接收功率最大。从 图 9可以看出， 当 7 “／ 为负 值时 ， 绝对值越小 ， 功率 衰减越少 ， 接 收功率越平 稳 ， 可充电的距离越远 ； 当 行为正值 时， 情形正好与 负值 时相反 。 言 ● 号 静 雷 丑 簿 吕 ● ∞ 糌 丑 挥 a n为负值 距 禹 ／ m b r t 为正值 图 9 不同 值时 的输 出功率仿 真曲线 由式 5 可知 ， 充 电 电流 I 与 P 的变 化规 律 一 致。假设 P b 值 为 2 5 d Bm 即 3 2 0 mw ， 考虑实 际应 用 ， 设 U 为 3 V， 可 得 为 1 0 0 mA 左 右 。对 于不 同的 值 ， 1 0 m处 的输 出电流从 3 3 mA 降至 0 ． 0 3 mA 左右 。 假定 忽 略井下安 全 因素 ， 将发射 功率 从 6 w 3 8 d B m 提高到 2 O W 4 3 d B m ， 设 7 “／ 一1 ， 可 得输 出功率在不同发射功率 P 下 随距离变化的仿 真 曲线 ， 如 图 1 0所 示 。 冒 ● 兽 瓣 丑 舞 距离／ m 图 1 O 不同发射功率下 的输 出功率 从 图 1 0可看出， 将发射功率 P 提高到 2 0 W ， 输 出功率 的最 大 值 和最 小值 将 分别 为 0 ． 6 3 9 W 2 7 ． 8 d B m 和 0 ． 1 5 W 2 1 ． 7 d B m 。 由式 5 计 算 可 得 ， 充 电 电流 的最 大 值 和 最 小值 分 别 为 2 1 3 mA和 5 0 mA。同提升发射功率所带来 的安全 隐患和能量消耗相 比， 充 电电流的提升效果与之不 成正 比。由此可知 ， 持续提升发射功率不是提升充 电效果 的最佳选择。 为 了获 得更 大 的充 电 电流 ， 另 一 个 方 案是 增 加 接收端天线的数量， 组成接 收端天线阵列。接收端 天线单元之间设计成并联关 系， 理论上整流电流就 是线性相加的。这样 ， 2块接 收天线单元汇集 的电 流便接近于将发射功率 P 由 6 W 提高到 2 0 w 时 得到的电流， 但具体接收端天线阵列与整流电流 的 定量关系还需进一步研究 。 5结 语 建立 了拱形 和矩形巷道下 ， 基于电磁能量收集 的一般功率传输模 型。该模 型中， 能量发射装置位 于巷道中部位置 ， 能量接收装置位于巷道壁上 。该 模型能计算 1 0 m近距离下微波功率沿巷道壁的传 输 效 率 。 对于功率传输模型中的路径衰减项 ， 采用在实 际巷道 中实验测量、 对数据进行统计分析的方法 ， 给 出了 微波功 率沿 巷道 壁 衰减 的一般 表达 式 。分析结 果表明， 微波功率在拱形和矩形巷道 中的衰减具有 一 定 的差异 性 。在 巷 道 中 的 同一 位 置 ， 采 用 不 同 的 天线极化方式具有不 同的路径衰减指数 。为了获得 最 大 功率 ， 在 不 同巷道 位 置 、 不 同充 电距离 下应 选用 不同的天线极化方式 。 功率传输模 型仿真结果表 明， 路径衰减指数对 功率的衰减影响很大。持续地提升发射功率不是提 升充电效果的最佳选择。天线阵列的研究与设计是 后续工作的重点 。 参 考文献 [ 1] 吴立新 ， 汪 云 甲， 丁恩 杰 ， 等． 三论数 字矿 山借 力 物联 网保 障矿 山 安 全 与 智 能 采 矿 [ J ] ． 煤 炭 学 报 ， 2 0 1 2， 3 7 3 3 5 7 3 6 5 ． [2] MAND AL S ，T UR I C C HI A L ，S A R P E S HKAR R ． A l o w- p 0 we r ， b a t t e r y - f r e e t a g f o r b o d y s e n s o r n e t w o r k s [ J ] ． P e r v a s i v e C o mp u t i n g ，2 0 1 0 ， 9 1 71 - 77 ． [3] VI S S E R H J ， VUL L E R S R J M． R F e n e r g y h a r v e s t i n g a n d t r a n s p o r t f o r wi r e l e s s s e n s o r n e t wo r k 6 2 工矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2 卷 [ 4] [5] [ 6] [7 ] [8] [9] [ 1 O ] [ 1 1 - ] [ 1 2 3 E 1 3 3 [ 1 4 3 a p p l i c a t i o n s p r i n c i p l e s a n d r e q u i r e m e n t s [J] ． P r o c e e d i n g s o f t h e I EE E，2 0 1 3， 1 0 1 6 1 4 1 0 1 4 2 3 ． YANG Y，W ANG C，LI J ．Po we r s e n s o r n e t wo r k s b y wi r e l e s s e n e r g y - c u r r e n t s t a t u s a n d f u t u r e t r e n d s [ C 3 ／ ／ I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n C o mp u t i n g ， Ne t wo r k i n g a n d Co mmu n i c a t i o n s ， 2 0 1 5 ， Ga r d e n Gr o ve，CA ， 20 15 1 6 1 9． I CH I H ARA T， M I TANI T ， SHI N0HARA N． S t u d y a n d d e v e l o p me n t o f a n i n t e r mi t t e n t mi c r o wa v e p o we r t r a n s mi s s i o n s y s t e m f o r a Z i g B e e d e v i c e V C ] ／ ／ I EEE W i r e l e s s P o we r Tr a n s f e r Co n f e r e n c e ， J e j u， 2O1 4 8 9． 赵争鸣 ， 王旭东．电磁能量收集技术现状及发展趋势 [ J ] ．电工技术学报 ，2 0 1 5 1 3 1 - 1 1 ． HEM OUR S， W U K． Ra d i o f r e q u e n c y r e c t i f i e r f o r e l e c t r o ma g n e t i c e n e r g y h a r v e s t i n gd e v e l o p me n t p a t h a n d f u t u r e o u t l o o k[ J ] ．P r o c e e d i n g s o f t h e I E E E， 2 0 1 4， 1 0 2 1 1 1 6 6 7 1 6 9 1 ． SAA【 - BI N． ALAM M ， M 0URY S． M u l t i pl e - ba n d a n t e n n a c o u p l e d r e c t i f i e r c i r c u i t f o r a mb i e n t RF e n e r g y h a r v e s t i n g f o r WS N [C] ／ ／ I n t e ma t i o n a l Co n f e r e n c e o n I n f o r ma t i c s 。 El e c t r o n i c s Vi s i o n， 20 1 42 3 24． DI NG Y ， ARSLAN T． Br oa d ba nd di f f e r e n t i a 1 a n t e nn a f o r f ul l wa ve RF e ne r gy s c