无线地下通信的天线的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2012年7月20日提出的题目为无线地下通信的天线的美国申请序 列号No. 61/673, 757的优先权，该申请的公开通过引用并入于此。
技术领域
[0003] 本公开设及无线天线，并且更具体地设及无线地下传感器网络（WUSN)的地下天 线的特性。
【背景技术】
[0004] 无线地下传感器网络（WUSN)是无线传感器网络（WSN)对地下设备的自然扩张。 WUSN通常包括埋在±壤中的传感器微尘，并且例如能够提供精细农业、环境监控和虚拟围 栏方面的应用。在地下设备中建立无线通信链路可能是有挑战性的。可能会增加挑战性的 示例因素包括±壤的高电容率、±壤空气界面特性和特定的实时±壤状况。
【发明内容】
[0005] 公开了用于福射经过耗散介质的地下天线结构的系统和方法。另外，公开了用于 测量诸如±壤的耗散介质中的状况的系统和方法。在图3-8中示出了经验评估，从而示 出考虑±壤中的波长改变和从±壤空气界面的反射两者而设计的天线能够适应±壤湿度 的主要改变，并且与仅基于上壤中的波长改变而设计的天线相比，能够改善通信距离达到 587%。作为示例，在本文献中描述的具体宽带天线的选择或设计能够导致在天线和一个或 多个其他结构或网络之间发生的通信的通信距离增加。
[0006] 在一种实施方式中，公开了一种用于福射经过耗散介质的地下天线结构。所述天 线结构包括电介质基板，布置在基板上的馈送结构，W及配置在基板上、被定向并被埋在耗 散介质中的一个或多个电导体。在一些实施方式中，电导体适配于W与耗散介质相邻的半 空间中的频率福射信号。该样的适配例如可W包括至少部分地基于耗散介质的相对电容率 (例如含水量）而为一个或多个电导体设计波束宽度状态。在一些实施方式中，天线结构是 对于多种±壤状况维持小于大约负10分贝的回波损耗的宽带天线。在一个示例中，宽带天 线具有大约100毫米的直径，并且天线被埋在非均质上壤中。
[0007] 在一些实施方式中，一个或多个电导体被定向为朝向并且大致平行于自由空间与 耗散介质之间的界面，并且由地下天线结构发射的相应福射图案朝向界面是单向性的。在 一些示例中，天线结构被埋在耗散介质中大约0. 1米直到大约1. 0米处。
[000引在一些实施方式中，天线结构包括能够适配于提供适应不同±壤状况下从±壤到 空气的临界入射角度的波束宽度的电路。在天线结构的一些方面，该波束宽度状态导致对 于地下天线结构与一个或多个其他结构或网络之间的通信的无线通信距离增加。临界入射 角度可W是大约5度与大约15度之间的临界操作角度0C，其中临界操作角度0C值至少 部分地基于耗散介质的电容率。在一些示例中，临界操作角度0C表示超过该角度对于天 线结构不存在折射的角度。
[0009] 在另一个实施方式中，公开了用于测量耗散介质中的状况的无线地下系统。系统 包括一个或多个无线湿度传感器，每一个无线湿度传感器包括传感器板、在传感器板内的 处理器和与处理器通信并禪接至天线的收发器。系统还包括网关，其被配置为接收并发送 无线消息，并且进一步被配置为与网络通信，并且接收和中继来自一个或多个无线湿度传 感器的无线消息。在一些实施方式中，每个无线湿度传感器被配置为（i)从沿着耗散介质 的长度的多个传感器收集关于耗散介质的状况的数据，并且（ii)响应于检测到耗散介质 的电容率的改变的阔值水平，维持回波损耗的阔值水平。
[0010] 在一些实施方式中，耗散介质的电容率的改变的阔值水平包括耗散介质的湿度水 平的大约百分之五的增加或减少，并且回波损耗的阔值水平小于大约负10分贝。
[0011] 在一些方面，一个或多个无线湿度传感器能够收集来自耗散介质内的至少两个深 度的数据。示例的深度可W包括在耗散介质（例如±壤）的表面下面大约0.1米和在耗散 介质（例如±壤）的表面下面大约1. 0米。
[0012] 在另一个实施方式中，公开了用于操作福射经过耗散介质的地下天线结构的方 法。方法包括使用地下天线结构测量与多个无线传感器周围的耗散介质相关联的数据，其 中多个无线传感器禪接至天线结构。方法还包括响应于检测到耗散介质的电容率的改变的 阔值水平，而对于天线结构维持回波损耗的阔值水平小于大约负10分贝。示例的耗散介质 的电容率的改变的阔值水平可W包括耗散介质的湿度水平的大约百分之五的增加或减少。 方法还包括使用天线发送来自多个无线传感器的一个或多个无线消息。消息可W与测量的 数据相对应。
[0013] 有利地，所描述的系统和技术可W提供一个或多个益处，诸如基于确定实时上壤 特性而能够从无线地下传感器网络收集的信息增加。作为另一个优点，在地下通信中使用 宽带天线提供了被设计为补偿±壤中的简单波长改变的天线的显著的距离增加。
[0014] 在附图和下面的说明书中阐述一个或多个实施方式的细节。根据说明书和附图W 及权利要求，本发明的其他特征、目的和优点将会显而易见。
【附图说明】
[001引图1是用于测量±壤特性并提供贯穿无线地下传感器网络（WUSN)的地下通信的 系统的概念图。
[0016] 图2A-2B是示出地下天线的示例分析的概念图。
[0017] 图3A-3C图示了在空气和±壤中的偶极子天线的回波损耗的示例理论分析。
[001引图4A-4B图示了在空气和±壤中的偶极子天线的示例仿真。
[0019] 图5A-5F图示了对于不同天线类型测量的回波损耗。
[0020] 图6A-6B图示了对于放置在不同介质中的多个不同天线的谐振频率偏移。
[0021] 图7A-7D图示了对于被埋在30厘米深度的多个天线的测量的回波损耗。
[0022] 图8图示了对于不同±壤湿度中的不同天线的多个频带。
[0023] 图9是用于无线地下传感器网络的圆形平面天线的示例图。
[0024] 图10图示了表面下的地下通信的S条路径的示例。
[00巧]图11是用于操作福射经过耗散介质的地下天线结构的示例方法。
[0026] 图12是可W用于实施在本文献中描述的系统和方法的计算设备的方块图。
[0027]在不同附图中的相同附图标记指示相同元素。
【具体实施方式】
[002引在无线地下传感器网络（WUSN)中使用的天线可W被埋在上壤、水或岩床中。埋设 天线去除了在传统通信情况下发生的天线波传播所共有的露天方面。该露天传播特性的去 除通常引入了关于天线阻抗匹配的一个或多个问题，该反过来在WUSN中的一个或多个天 线之间引入了许多通信问题。
[0029]使用电磁信号（即电磁波）的无线通信通常当波被发送经过诸如±壤或岩石的损 耗介质时设及高水平的信号衰减。在一个示例中，高水平的信号衰减可W是由于信号在介 质中的吸收。影响可能包括极度的信号损耗，由于±壤的非均质性而导致的多径效应，由于 电气接地电流而导致的噪声，和/或在降雨之后由于潮湿±壤而导致的延长的中断周期。
[0030]当传播经过±壤或岩石时的信号损耗量取决于材料的性质。例如，±壤中过多的 水的存在可能产生大量的衰减，该通常随着±壤的含水量增加而增加。在一些实施方式中， 水对信号的影响取决于在无线通信中使用的频率。通常，当传播经过±地时，低频将会经历 较小的衰减。能够影响传播经过±地的电磁信号的衰减的其他±壤因素可W包括例如±壤 密度、±壤微粒尺寸和/或±壤温度。
[0031] 图1是用于测量±壤特性并提供贯穿无线地下传感器网络（WUSN) 102的地下和地 上通信的系统100的概念图。在高层处，系统100包括传感器网络102中的多个传感器，其 用于测量环境特性。传感器可W表示无线通信网络，在其中诸如传感器数据、操作数据、命 令和/或环境数据的消息能够在传感器与诸如网络102或104的一个或多个网络之间无线 地通信，从而到达诸如服务器106的服务器。在一些实施方式中，服务器106(或者经由网 络104连接的其他设备）能够将信息和消息导至WUSN102中的一个或多个传感器。对于 每个无线传感器的通信能力可W取决于许多环境因素。因此，能够使用天线设计技术设计 电路W确保±壤特性和/或环境因素中的改变不会影响传感器的通信能力。
[003引通常，WUSN102中的传感器可特定的排列或间隔被埋设。在一个示例中，传感 器可W被均匀地间隔开并且埋在相同深度，从而在相同深度W均匀增量建立±壤测量。例 如，该能够帮助了解对农田的灌概需求。在一些实施方式中，能够基于来自测量所需的具体 信息而W变化的深度和变化的间隔来间隔开传感器。每个传感器能够包括传感器板，传感 器板内的处理器，W及与处理器通信并且禪接至天线的收发器。
[0033]在一些实施方式中，传感器可W是无线湿度传感器，其被配置为收集关于耗散介 质（例如±壤）的状况的数据。例如，传感器能够检测±壤中的改变，诸如±壤的湿度的改 变的阔值水平。
[0034]传感器能够经由配置为接收和发送无线消息的无线网关而被连接。该网关还可W配置为与一个或多个网络通信，并且接收并中继来自多个无线湿度传感器的无线消息。
[0035]在地下通信中，存在能够用于确定天线的阻抗的许多因素。该样的因素可W包括 但不限于±壤中的波长，从±壤-空气界面的反射，^及±壤湿度的改变。在下面的示例 中，天线能够被表示为Z。，并且收发器可W被表示为Zs。为了有效的无线通信，示例天线Z。 的阻抗通常与示例收发器女的输出阻抗匹配，从而使得福射功率最大化并且返回收发器的 功率最小化。
[0036] 在操作中，地下天线的阻抗是波长的函数，当电磁波在±壤中传播时波长会变 短。因此，对于给定的频率，在空气中的匹配天线当被埋在±壤中时很可能不再匹配。另 夕F，在用于农业的WUSN应用中使用的地下天线通常包括多个传感器微尘，每一个具有一个 或多个天线（例如一个或多个天线和/或天线阵列）。该些传感器微尘通常被埋在0. 3-1 米的深度。在该埋设深度，从±壤-空气界