矿用多频切换半模衬底集成空腔天线设计.pdf

第 4 2卷 第 2期 2 0 1 6年 2月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n V0 L 4 2 No ． 2 Fe b ．2 0 1 6 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 2 0 0 1 9 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 l x ． 2 0 1 6 ． 0 2 ． 0 0 5 刘逢雪 ， 徐钊 ， 华钢． 矿用多频切换半模衬底集成空腔天线设计E J ] ． 工矿 自动化， 2 0 1 6 ， 4 2 2 1 9 2 2 ． 矿用多频切换半模衬底集成空腔天线设计 刘逢 雪 ， 徐钊 ， 华钢 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 摘要 根据煤矿井下无线通信和人 员实时监控对可穿戴式天线的要求， 在半模衬底集成空腔天线的基础 上 ， 分析 了通过在空腔不同位置添加短接针对谐振频率的影响 ， 并利用可拆卸式的螺丝代替短接针， 设计 了 一 种 能够 实现 2 ． 4 5 ～3 ． O 7 GHz多频 切换 的矿 用 可 穿戴 式天 线 。 由导 电布 、 导 电缝 纫 线和 皮 革衬 底 组成 的 天线 实物 的测 试结 果与仿 真 结果 一致 ， 验证 了该 天 线设计 的 可行性 。 关 键 词 井下 无线 通信 ；可 穿戴 式 天线 ；半模 衬底 集 成 空腔 天 线 ；多频切 换 天线 中图分类号 TD 6 5 5 ． 3 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 6 0 1 2 6 1 5 4 2 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． 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 O 1 6 O 1 2 6 ． 1 5 4 2 ． 0 0 5 ． h t mI De s i g n o f mi ne - - u s e d f r e q ue n c y - s wi t c ha b l e ha l f - mo de s u bs t r a t e i n t e g r a t e d c a v i t y a nt e n na LI U Fe n gxu e，XU Zha o， H UA Ga n g S c h o o l o f I n f o r ma t i o n a n d E l e c t r i c a l En g i n e e r i n g ，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 Ab s t r a c t Ba s e d o n h a l f - mo d e s u b s t r a t e i n t e g r a t e d c a v i t y a n t e n n a ，a mi n e u s e d f r e q u e n c y s wi t c h a b l e ha l f mod e s u bs t r a t e i n t e g r a t e d c a vi t y a nt e nna wa s de s i gn e d c o ns i de r i ng r e q ui r e m e nt s f o r u nde r gr o un d wi r e l e s s c o mm un i c a t i o n a nd p e r s o nn e l r e a l t i m e mon i t o r i ng． Ef f e c t o n r e s on a nc e f r e q u e nc y by a dd i n g s ho r t i n g pi n i n d i f f e r e n t po s i t i o ns i ns i de c a v i t y wa s a na l y z e d．Bas e d o n t he a na l y s i s，c a pa c i t y o f f r e q u e nc y s wi t c hi n g i n b a nd o f 2．4 5 3．0 7 G Hz wa s r e a l i z e d by i n s t a l l i ng r e mov a b l e s c r e w t hr o ug h s e v e r a l pr e d e s i g n e d h o l e s o n t h e a n t e n n a ．A p r o t o t y p e o f t h e p r o p o s e d a n t e n n a wa s f a b r i c a t e d wi t h c o n d u c t i v e f a b r i c ， c o n d u c t i v e t h r e a d s a n d l e a t h e r s u h s t r a t e ．Th e d e s i g n o f t h e p r o p o s e d a n t e n n a wa s f i n a l l y v a l i d a t e d b y a gr e e m e nt be t we e n t he s i mul a t i on a n d t e s t r e s u l t s． Ke y wo r d s u nd e r gr o un d wi r e l e s s c o m mun i c a t i o n； we a r a bl e a nt e nn a； ha l f - mo de s u hs t r a t e i n t e g r a t e d c a v i t y a nt e n na；f r e q ue nc y s wi t c h a bl e a nt e nn a 0 引言 为了避免煤矿事故发生 ， 提高井下作业的安全 系数 ， 需要对井下工作人员所处位置 、 身体各项指标 如心跳 、 血压等 以及周边环境参数 如瓦斯等有害 气体含量 进行实 时监控[ 1 ] 。随着物联 网技术和无 线传感器 网络 的迅猛发展 ， 上述各项数据都可通过 各种传感器获取[ 2 ] 。为了方便 、 实时地将数据传输 到地面基站加 以储存 和监控 ， 井下人员可 以佩戴天 线进行数据的无线传输 。可穿戴式天线体积小 、 质 量轻 、 可弯折、 可集成在衣服上， 并且 和人体之间具 有 良好的电磁隔离 ， 不会对井下工作人员 的正常生 产活动造成较大影 响l_ 3 ] 。同时， 可穿戴式天线一般 被设计成无源器件 ， 以满 足井下应用 的本质安全要 求。较为常见 的井下无线通 信系统是漏泄馈线 系 统l 4 ] ， 即在井下 按照 固定距离安 装固定无 线节点 。 针对漏泄馈线系统 ， 可穿戴式天线仅需满足短距 离 的信号传输。但由于佩戴可穿戴式天线的人员在无 收稿 日期 2 0 1 5 一 l 1 1 9 ； 修回 日期 2 0 1 6 - 0 1 1 0 ； 责任编辑 盛男 。 基金项 目 国家 自然科 学基 金面上项 目 5 1 5 7 4 2 3 2 。 作者简介 刘逢雪 1 9 8 6 一 ， 男 ， 江苏徐州人 ， 博 士研究生 ， 主要研究方 向为煤矿井下信道建模 和可穿戴式天线 ， E - ma i l 7 3 7 2 5 4 0 9 8 q q ． c o m。 第 4 2卷 第 2期 2 0 1 6年 2月 工矿 自 动化 I n dus t r y a nd M i ne Au t o ma t i o n Vo 1 ． 4 2 NO ． 2 Fe b．2 0 1 6 ’” ’’ ” ’ i分析研究 l l l ．⋯ Ⅲ4 D -II， 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 2 0 0 2 2 0 5 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 0 2 ． 0 0 6 孔憝， 吴桂义 ， 钟锋 ， 等． 贵州矿区煤与瓦斯突出特征及其防治对策[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 2 2 2 2 6 ． 贵州矿区煤与瓦斯突出特征及其防治对策 孔憋 ， 吴桂义 ， 钟锋 ， 陈寄名 1 ． 贵 州大 学 矿业 学院 ， 贵 州 贵 阳5 5 0 0 2 5 ； 2 ． 贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室，贵州 贵阳 5 5 O O 2 5 摘要 通过收集分析贵州矿区 3 8 1对矿 井、 6 9 5层煤的突出指标和以往 1 2 0对矿 井发生的 2 1 4起典型煤 与瓦斯 突出事故 ， 对贵 州矿 区煤与瓦斯突出指标分布特点及突 出特征进行 了研 究， 提 出了针 对性的防突措 施 加 大煤层 突出指标 的测 试工作 ， 对 黔北 、 织 纳 、 六枝 、 盘 江 、 水城等 突 出强度 大和 突 出次数 多的矿 区制定 严 格 的 管理制度 ， 加 大煤巷 掘进 工作 面的 防突工作 ， 并加 强放 炮 管理 、 动力现 象监 测和 地质 构造探 测 ， 以此减 少 贵 州矿 区煤 与 瓦斯 突 出事故 。 关键 词 煤 与 瓦斯 突 出 ；突 出指 标 ；突 出特征 ；防 突对策 中图分类号 TD 7 1 3 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 6 0 1 2 6 1 5 4 2 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 6 0 1 2 6 ． 1 5 4 2 ． 0 0 6 ． h t ml 收稿 日期 2 0 1 5 1 1 0 7 ； 修 回日期 2 0 1 6 0 1 1 8 ； 责任编辑 盛男 。 基金项 目 “ 十二五” 国家科技支撑计划资助项 目 2 0 1 2 B AK0 4 B 0 7 。 作者简 介 孔憝 1 9 9 o 一 ， 男 ， 贵州毕节人 ， 硕士研 究生 ， 研 究方 向为矿业 系统工程 ， E - ma i l 6 4 5 3 1 3 9 1 4 q q ． c o rn。 一1 8 O a 无短接 ， 2 ． 4 5 GHz 0 一 l 8 O 一 1 8 0 1 80 c z 01 2 mm， 2 ． 8 7 GHz d X0 0， 3 ． 0 8 GHz ⋯⋯ 平面 平面 图 8 天线辐射方 向仿真结果 际情况 ， 同时避免了背 向辐射过大对人体造成影响 的问题 。今后将具体结合井巷中无线信道方向受限 以及 多径 干扰 的 问题 对该 天线 进行研 究 。 参考文献 [ 1 ] 孙继平． 煤矿事故特点与煤矿通信 、 人员定位及监 视新 技术[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 2 1 - 4 ． [ 2 ] 朱珠． 煤矿安全监控中无线传感器网络的技术应用 [ J ] ． 信息系统工程 ， 2 0 1 5 2 1 5 1 6 ． [ 3 ] S AL ONE N P， KE S KI L AMMI M． 可穿戴 式 柔性 天线 [ J ] ． 郭玉春 ， 译 ． 通信对抗 ， 2 0 1 0 2 6 0 6 4 ． [ 4 ] 于长波 ， 孙春义． 现有井下通信方式的分析 与 比较[ J ] ． 煤炭工程 ， 2 0 0 8 2 1 2 6 ～ 1 2 7 ． [ 5 ] L I U F X， K AUF MAN N T， XU Z ， e t a 1 ．We a r a b l e a p p l i c a t i o n s o f q u a r t e r wa v e p a t c h a n d h a l f 。mo d e c a v i t y a n t e n n a s [ J ] ． I E E E An t e n n a s a n d Wi r e l e s s P r o p a g a t i o n Le t t e r s ， 2 0 1 5 1 4 1 4 7 8 1 4 8 1 ． r 6 ] AL OMAI NY A， T I AN H L ． E x p e r i me n t a l e v a l u a t i o n o f we a r a b l e a n t e n n a e f f i c i e n c y f o r a p p l i c a t i o n s i n b 0 d y _ c e n t r i c wi r e l e s s n e t wo r k s r C ] ／ ／ I EEE MTT S I n t e r n a t i o n a l M i c r o wa v e W o r k s h o p S e r i e s o n RF a n d W i r e l e s s Te c h n o l o g i e s f o r B i o me d i c a l a n d He a l t h c a r e App l i c a t i on s， Lo ndo n， 20 1 4 1 - 3 ．