专利名称：用于透地通信的系统和方法
技术领域：
本发明一般地涉及用于透过地层的无线通信的技术和系统，具体地涉及使用辐射天线进行透过地层的无线通信。
背景技术：
透地无线通信在上个世纪得到了大力研究。一些应用可以包括援救受陷矿工、改善采矿作业效率和改善从用于地下地质测量的地下设施诸如探孔的遥测技术。然而，现有技术还没有达到为任何可能深度的矿井或坑道提供透地双向通信的地步。在美国，2006年的矿工法案要求2009 6月15以前配备“地下人员与地面人员之间通过无线双向媒体进行通信的事故后通信系统”。到2009年4月四日为止，负责机构、矿井安全和卫生行政机关(MSHA)已经“观测了处在各个矿场的31个不同的通信和/或跟踪系统的61次测试或演示”，并且“与各个供应厂商讨论了 182个有关开发矿井通信和跟踪系统的不同建议”。然而，在2009年1月10日，MSHA表示“完全无线通信的技术至今还没有充分得到开发，看来就是到了 2009年6月15日在技术上也未必可行。”
发明内容
在一个方面，本发明包括无线透地通信系统的各种实施例。这样的系统可以包括被设置在地下洞穴内的第一通信单元和第二通信单元。第一通信单元包括辐射天线以及与辐射天线通信的发射机和/或接收机。第二通信单元，可以被设置在地上或地下另一个位置，也包括天线(例如辐射天线或磁环天线)以及可以被配置成执行至少与第一通信单元的发射机和/或接收机相反的功能的发射机和/或接收机。在本发明的范围内，第一通信单元可以被配置成通过它的辐射天线发送信号，而第二通信单元可以被配置成接收第一通信单元所发送的信号。或者或此外，第一通信单元可以被配置成接收第二通信单元的天线所发送的信号。第一通信单元的辐射天线可以被配置成工作在特定载频。在地上，可以料想这样的辐射天线具有特定的谐振长度。在有些实施例中，第一通信单元的辐射天线的物理长度要比相应的地上谐振长度短。除了辐射天线以及发射机和/或接收机之外，本发明的无线透地通信系统的第一通信单元还可以包括调谐器或阻抗匹配装置，这种调谐器或阻抗匹配装置可以将包括物理缩短了的辐射天线实施例的辐射天线调谐到在预定载频谐振。在另一方面，本发明还包括建立地下无线通信站的方法。在这种方法中，辐射天线的第一天线振子被定位在地下洞穴内沿第一方向取向，与地下洞穴周围的地层(例如，通道等)电绝缘。辐射天线的第二天线振子被定位在地下洞穴内沿第二方向取向。在有些实施例中，辐射天线可以具有比在它在地面上使用时在特定载频谐振的特定物理长度短的物理长度，但在地下可以被调整成在相同的特定载频谐振。在辐射天线与发射机和接收机中至少一个之间建立通信，使地下系统可以与远程无线电台通信。本发明还包括调谐地下使用的辐射天线的方法。调谐操作包括将具有比相应在地面在预定载频的谐振长度短的物理长度的辐射天线定位在一个地下位置。然后，在不增大辐射天线的物理长度的情况下，将它的电长度调整或调谐到超过地面上谐振长度，使天线在预定载频谐振。在各个实施例中，在用本发明的过程来调谐地下辐射天线时，辐射天线可以发送和/或接收频率范围很大的电磁波，包括(并不局限于)，在大约IOOkHz到大约IMHz的频率、高达大约1. 8MHz的频率和甚至高达大约140MHz的频率。对于该领域内的领域人员来说，从以下说明、附图和所附权利要求书中可以清楚地看到本发明的其他一些方面和实施例和各个方面和实施例的特征和优点以及各个术语的含意。
从以下结合附图所作的说明中可以更为充分地看到本发明的一些示范性实施例的情况。可以理解，这些附图所示的只是示范性实施例，因此不被视为对本发明的范围的限制，本发明的这些示范性实施例将用附图以附加的具体细节示出，在这些附图中图1示出了本发明的从地面上的一点到地下矿井坑道内的一点垂直透地通信的实施例的总体示意图；图2示出了辐射沿着煤层波导状传播的形式；图3示出了被定位在含有地下系统的煤层的侧面的地面系统的另一布置；图如示出了利用水平极化天线沿煤层的传播路径进行通信的两个地下发送和接收系统的布置；图4b示出了利用垂直极化的缩短了的天线沿煤层的传播路径进行通信的两个地下发送和接收系统的布置；图5例示了本发明的一个或多个地上系统和/或一个或多个固定地下系统与矿井内采矿人员所携带的便携系统通信的实施例；图6示出了偶极子的天线效率随偶极子缩短改变的情况，所示的只是在天线振子内的损耗而不包括在任何匹配电路或传输线内的损耗；图7示出了偶极子天线在比它的谐振长度短的不同长度时的阻抗的电抗分量的改变；图8示出了偶极子天线在比它的谐振长度短的不同长度时的辐射电阻的改变；图9示出了缩短了的偶极子天线的辐射效率与导体直径的关系；图10示出了在缩短了的天线中使用渐缩导电振子以便在存在最大的电流处提供较低的电阻的情况；图Ila示出了作为缩短谐振的非折叠中心馈电的偶极子天线的技术的线性加载的不同配置；
图lib示出了谐振折叠中心馈电的偶极子天线的一些配置；图Ilc示出了作为缩短谐振的折叠中心馈电的偶极子天线的技术的线性加载的不同配置；图Ild示出了偏心馈电的偶极子天线的一些例子；图12示出了一种作为缩短谐振偶极子天线的技术的利用形成弯折的线性加载；图13例示了另一种通过感性加载缩短辐射偶极子天线的技术；图14例示了另一种通过用容性板进行容性加载缩短辐射偶极子天线的技术；图15例示了另一种通过用容性杆进行容性加载缩短辐射偶极子天线的技术；图16示出了在地面上由两个将辐射引导成从天线向下传播的线振子构成的八木天线；图17示出了在煤矿外沿凸出的煤层的由一些将辐射从天线引导成沿煤层传播的线振子构成的八木天线；图18示出了完全在煤矿矿井内的将辐射水平引向在同一个煤层内的其他位置的八木天线；图19示出了接到偶极子天线的馈电点上的阻抗匹配装置；图20示出了调谐地下偶极子天线的方法的流程图；图21示出了在调谐地下感性缩短了的偶极子期间天线阻抗测量的结果；图22示出了用独立的天线调谐器调谐偶极子天线的方法的流程图；图23示出了用超导线圈感性加载的短偶极子天线的透视图；图23a为图23的加载线圈装置的放大视图；以及图M示出了图23的短偶极子天线的等角端视图。
具体实施例方式下面将参照附图对本发明的各个实施例进行说明，在这些附图中同样的标号所标的是同样的或功能上类似的单元。本发明的这些实施例，如在这里和附图中所说明和例示的那样，可以被安排和设计成很多种不同的配置。因此，以下对本发明的一些如在附图中所示的示范性实施例的更为详细的说明并不构成对如在权利要求书中所给出的本发明的范围的限制，而只是对本发明的这些实施例的说明。定义和术语词“示范性”在这里只是用来表示“用作范例、情况或例示”的。在这里作为“示范性”说明的任何实施例不一定是要比其他实施例更为优选或有益的。虽然这些实施例的各个方面都在附图中示出，但这些附图不必是按比例绘制的，除非另有指示。应该理解，在将“大地”或“地层”称为希望通信透过的媒体时，它蕴含着也可以设想辐射以高的衰减率通过的所有其他固体媒体，包括含有水或空气的大地，这些水或空气无论是处在碎粒、岩石和大地的其他结构之间的空隙内还是处在大地的洞穴或空隙内。所谓“大地”和“地层”也包括为了在一个地下无线电台与另一个远程无线电台之间建立通信辐射必须透过的人为结构，诸如水泥墙、木柱之类。此外，在一个实施例中，透地传输涉及透地深度至少为30英尺的传输。其他一些实施例涉及透地深度例如至少为100和300英尺的传输。如在这里所使用的，所谓“深度”是指透过大地或另一个这样的固体媒体的距离，而不是特指沿水平、垂直还是中间方向。由于电子在发射天线的导体内的运动而引起的作用到在接收天线的导体内的电子上的力通过一些不同的现象传播，在本发明中可以以与在现有技术中利用这些现象的方式不同的方式利用这些现象。以下定义可以有赖于区分这些现象的下文。参见物理学上声誉良好的标准教科书“费曼物理学讲义，卷2” ( "Feynman Lectures on Physics, VolumeII”，Definitive Edition)的 21-1 页上的式(21. 1)设在发射天线的导体内被驱动电流通过发射天线的交变电压驱动的电子e/为“运动电荷”，如在与式01.1)有关的教科书中所提及的，再设电场E和磁场B为由于e/的运动而引起的在接收天线的导体内的另一个电子附近所产生的场。然后，设 C = q/4 3i ε 0[et,/r' 2+r' /c d(er’ /r，2) /dt]并设D = q/4 π ε 0c2 [d2 (er’) /dt2].于是，电子e/的运动所引起的作用到电子上的电场！^在这里被定义为Fe = C.作用到同一个电子上的磁场Fm在这里被定义为Fm= (er' XC)/c.辐射场在这里被定义为由以下两个作用到这同一个电子上的分量表示FK,ele。tri。三 D以及!^magnetic= (er’XD)/c.在辐射场从发射天线向接收天线传播时，这种相互作用在该领域内在不同情况下可以被称为诸如无线电发射、无线电接收、无线电波、福射、电磁辐射、电磁相互作用、电磁耦合@。在磁场从发射天线向接收天线传播时，这个相互作用在该领域内通常被称为诸如
磁编合、Faraday编合、感应和磁感应H然而，在许多时候，在该领域内这些非常特殊的现象不严谨地或不正确地被称为诸如无减鬯、和鬯之类的，或者被称为通常包罗万象的鬯^>/差，因此失去了它与其他电磁现象的差别。以上定义的重要性在于，本发明与现有技术之间的差别是本发明使用电而不是^ +。在接收天线内由于发射机天线内的交变电流和所得到的I场的传播而引起的影响随着这两个天线之间的距离增大以比所关联的场的影响快得多的速率减小。因此，磁竊合只是在非常短的距离内有效，而鬯磁竊身在大得多的距离内有效。发射机天线附近的区域^f+占优势，通常被称为if场,而远离发射机天线的区域##占优势，通常被称为运场。能高效通过鬯交互作用的接收和发射天线也能通过近场的^以辅助方式交互作用。
尽管有这些有益的特性，在TTE通信的现有技术中忽视了产生鬯^■竊身的天线，而赞同通过^T+交互作用的天线。以上定义中的术语在本文件内示为以避免由于它们在不同的引证中含意不同而引起的紊乱。用于透地通信的频率在考虑什么天线可以成功地实现透地通信中，传输频率是最为重要的。从无线电通信的前期直至今日，错误地认为(1)实用的透地无线通信是不可能的；或者( 在一定程度上透地无线通信是可能的，但需要使用30KHz左右以下的频率。以下来自该技术领域的参考文献证实了以上观点有关透地通信频率的各种论述1919年的美国专利1，373，612指出“在该领域内众所周知的是，所辐射的波不能透过大地或水到达任何值得注意的深度。” 1971年的美国专利3，740，488指出“频率越高衰减越大，因此载波信号在透过大地比较短的距离以后就衰减掉了。” 1973年的美国专利3，900, 878指出“一些研究已表明大地是足以阻止频率高于几千赫的无线电波传输的良导体。” 1986年的美国专利4，652，857断言“频率超过3000Hz的电磁场不能透地耦合。这样的频率受到严重衰减，以致从矿井或洞穴传输是不切实际的。”2003年的美国专利7，043，204指出“…较高频率(高于500KHz)的信号通常只能透入沉积岩1-10米。” 2006年的美国专利7，149，472指出“如以前所讨论的，透地相当距离传播的信号必须使用只有几千赫的载频。”2006年的美国专利7，149，472还指出“因此很清楚，当前不存在有效的无线地下通信系统。”矿业局J.Wallace Joyce的“岩石的电磁吸收与一些实验观测，，("Electromagnetic Absorption by Rock With Some Experimental Observations，，，in 1929-30)，如在USBM开放文件报告127-85中所引证的，给出在透过履盖在洞穴上的灰岩和砂岩的测试中，Joyce发现低频(LF)信号，诸如500Hz的，给出良好的结果，而在20到IlOKHz的那些就显著差许多。Joyce推断“这种衰减大到使无线电波不能透过大地到足以在矿井救援作业中使用的程度。”在USBM开放文件报告27-85中所引证的Aarons, J.的“低频电磁辐射” ("LowFrequency Electromagnetic Radiation，，，1959)说已发现，透地穿透性在低频是最好的，但是由于波长长，低频给出差的分辨率[在试图对地下目标定位中]。Walter Ε. Pittman, Jr.等人的“被陷矿工透地电磁定位系统” (“THROUGH-THE-EARTH ELECTROMAGNETIC TRAPPED MINER LOCATION SYSTEMS”， AREVIEW, Tuscaloosa Research Center, USBM Open File Report 127-85，ca. 1981)说在1970年前后，矿山救护和存活技术委员会“…认识到为了足以穿透大地就必须使用低频[500-1，000Hz]；但是又有数据传输率低的另一个问题。”(11页)。在1970年代对在例如从20Hz到20KHz的低频区的背景噪声和传播作了大量研究。“…根据试验结果和理论计算提出了 [由Arthur D. Little, Inc.提出]一种最佳系统。这种系统以870Hz发送…”(13页)。1974年前后，国家标准局的研究发现，对于深于300m的矿井“就必须使用低频率
11(100-500Hz)来获得适当的穿透性。”较浅的深度可以“允许使用高达5Khz甚至更高的频率。”(15 页)。USBM许可No. G133023，透地电磁专题讨论会RICHARD G. GEYER最终报告“上行链路和下行链路通信工作组总结”(“SUMMARY OF UPLINK AND DOWNLINK COMMUNICATIONSWORKING GROUP，，，Robert L. Lagace, et al.，Arthur D. Little Inc.，1973)说迄今为止，履盖层传输损耗和可得到的地面噪声数据的组合已将低于5KHz的频带视为对于要用于履盖层深度最大达到1，000英尺(这应该包括大多数的煤矿情况)的煤矿的实用窄带上行链路数据系统来说是最有利的。(183页)。深硬岩矿情况是困难得多的情况[与公称煤矿的状况相比]…要求频率降至500Hz，也许100Hz，甚至更低…(190页)。在“利用中频技术和现有矿井导体的控制和监视”(“Control and Monitoringvia Medium-Frequency Techniques and Existing Mine Conductors”)中，在第 IjItHarryDobroski, Jr.禾口 Larry G. Stolarczyk 角军释道近些年来，作了很多努力试图开发可用于诸如矿井之类的地下环境的无线电系统。…但不幸的是，地下无线电传播是极其困难的，一些传统的途径都没有成功。这难题无疑要求非常规的途径[即，使用矿内现有的金属线及其他导体的途径]。在“地下煤矿通信和跟踪状况，，("UndergroundCoal Mine Communications andTracking Status，，，2007) ψ, Roy S, Nutter, Jr.指出透地好而且可以用于在地面与地下之间的透地传输的频率是非常低的频率(通常为几赫兹(ELF)到 30KHz (VLF))...已不时使用低频LF(30KHz-300KHz)和中频MF(300KHz到3MHz)。矿井内甚至现在还用的矿车用30KHz到IOOKHz沿通道内的轨道和其他金属导体进行通信。这些大多起作用，但需要金属基础设施，如导体，以在任何距离进行工作。即使较高的MF频率不能很好透过，但也可以在具有金属结构的开放通路内传播。最后二个参考文献涉及中频(300-3，OOOKHz)信号沿矿井内诸如轨道、输电线和煤运送胶带运输机道之类的附带导体传播的情况。在煤矿通信领域，术语“MF系统”(例如，见“事故后矿井通信和跟踪系统”(“Postaccident Mine Communications and TrackingSystems，，，Novak, Snyder, and Kohler, IEEE Transactions on Industry application,March/April 2010))几乎已成为与这种系统同义的。这没有混淆，因为现有技术指出，不是将这样的频率用于通过TTE传播从矿井内到地面的通信。总之，现有技术指出，对于TTE通信来说使用比30KHz低得多的频率，通常低于5KHzo用于透地通信的天线应用这样低的频率限制了对可以使用的天线类型的选择。实际上，在这些低频上，波长长得在现有技术中认为只有一种小到足以在地下可得到的有限空间内使用的天线，即磁环。现有技术指出，对于透地通信来说可用的只有H。术语H,就在适当的技术领域内和在透地通信的上下文中所使用的和如在本文件中以下所使用的意义上，是指一种包括尺寸比所使用的频率的波长小许多的一个或多个金属线环和具有一个基本上是空气芯或某种铁磁芯的天线。在该技术领域内所使用的同义术语包括|、发射机环、接
收机环、环形天线、铁氧体环、铁氧体磁棒、电磁场换能器、小环形
义减和^^子。这样的小磁环天线与在其他诸如地面通信的环境所遇到的通常也是指坏形大线的大环形天4'^InJ,.用于TTE通信领域的小环形天线与用于其他环境的大环形天线的基本差别是，小环形天线基本上在只是较短距离上通过^交互作用，而大环形天线(以及几乎各种其他天线)在短距离上通过^T+交互作用还在较长距离上通过鬯交互作用。在本发明的某些实施例中所用的大环形天减与现有技术的小环形天线之间的这个差别在无线电工程文献中是非常清楚的。例如，一个被普遍采用的课本说“可以将一个，</、，#认为只不过是一个大一些的线圈，在这样的环内的电流分布与在线圈内的相同。…为了满足这个条件，环内导线的总长度必须不超过.1 λ左右。”(见“ARRL天线手册”(“ARRL Antenna Book", 20th edition p. 5-1)。此外，“一个，义，环是在环的每个部分内电流无论在振幅上还是在相位上都不相同的环。电流分布的这种变化导致与一个</、1完全不同的特性。”(见上书)因此，要被认为是一个有效的竊身器，应该具有大于波长的1/10的环圆周。就涉及本发明的而言，这个差别的重要性是深远的，如在这里所指出的“…在1/8 λ以下时[任何为Γ;^减]的[竊身]效率迅速下降。”(见上书p. 5-13)许多其他教科书可以有同样的引述。在该领域内，有时使用初看好象是一个普通的全尺寸##鬯/Mf1的某种
环參犬韙。这种天线称为长韙、接地长线、或者水f长韙犬韙或孖_。在
该领域内，这些天线是端部接地的，从而产生通过大地的返回电流。因此，它们起I环天线的作用。尽管使用“长”这个词，这样的天线在与在现有技术中始终使用的低频配合使用时的长度与所关联的波长相比实际上是非常短的，因此不是鬯有效辐射器。例如，在ΙΚΗζ，半个波长是150，000米。因此，在该领域所使用的术语“长线”有些误导，在这个频率上具有良好的辐射效率的线可能还是很长，但按照在无线电工程领域内通常用法，术语"长线天线"应指有几倍150，000米那样长的天线。在环内建立强的磁场，但是在环的外部环所建立的磁场很弱，因为在环的所有部分内的电流几乎始终完全同相，于是在环的任何部分内的电流被在环上其他处的正好相反的电流平衡，使得在环的外部离这两部分有一段距离的磁场由于破坏性干扰几乎完全相互抵消。同样，在的情况下，相等而相反的电流流过天线导线和返回的大地路径，从而它们的辐射大部分相互抵消掉了。同样，天·^所产生的电场几乎完全被限制在环内的空间。因此，H天·^所产生的在一定的距离处就很弱，因为环各处相反的电流的作用几乎抵消掉了。有效辐射的导体是电长度为半个波长左右的，通常被称为/厚截于。然而，正如天线的情况，这种在地下通信领域内有时称为/岸"^子的天线实际上是电长度短、实质上是##^/1的天线，所利用的是它们的^^合特性。对于另一种与偶农于有关的在该领域内有时称为·^状义减’或"鞭状偶极子”的短电长度天线，情况也是这样。这样一些在地下通信领域内用作天线有时模糊地被称为电偶极子、电辐射器良鬯义减’，即使这些同样的术语在其他领域内几乎始终用来表示天线。在有些地下研究实验中，这样的一些被称为”电接收传感器”或”短偶极子”的天线在大地传播测量中用作接收传感器(见USBM许可No. G133023专题讨论会最终报告，15页、23页)。尽管这类被误用的术语，正在使用在这样非常低的频率使用的短天线，因此所述天线主要通过^^逆交互作用，用来检测I场而不是电磁辐射、如对该文献中的实际实验的审查将确认的那样。因此，该领域具有它自己的结合犬减·使用的独特和专用术语。以下参考文献就普遍将磁环天线用于透地通信和定位来说具体支持了以上针对现有技术的断言。1964年的美国专利3，967，201说丨‘可以证明对于透过损耗大的媒体[诸如大地]的通信来说磁偶极子比等效的电偶极子更为有效。“1982年的美国专利3，900，878指出“在低于这个范围[即低于几千赫]的频率，传输主要通过磁场而不是实际电磁辐射进行。” 2008年的美国专利2008/0009242A1说在地下传送数据中需考虑的一个难题是，在磁^"子在通过潮湿的下层土壤、粘土和岩石的媒体发送时遭到比较大的衰减。…为了克服这个衰减大的难题，使用磁竊合犬4’。···在地下环境中，用电绝缘的滋竊合犬4’提供了许多超过鬯耦合X韙
的优点。Walter Ε. Pittman, Jr.等人的“被陷矿工透地电磁定位系统” (“THROUGH-THE-EARTH ELECTROMAGNETIC TRAPPED MINER LOCATION SYSTEMS”， AREVIEW, Tuscaloosa Research Center, USBM Open File Report 127-85，ca.1981)说[矿山救护和存活技术委员会1970年前后]认为接磁长韙和麻这两种天线在低频[500-1，000Hz]的矿井使用中可能是有效的。(11页)根据试验结果和理论计算Arthur D. Little公司在1973年提出了一种最佳系统，“从半径为Im的100匝15々16线[为Γ]天线发送而由半径为0. 4m的四匝[为Γ]天线接收。”USBM许可No. G133023，透地电磁专题讨论会RICHARD G. GEYER最终报告“上行链路和下行链路通信工作组总结”(“SUMMARY OF UPLINK AND DOWNLINK COMMUNICATIONSWORKING GROUP，，，Robert L. Lagace, et al.，Arthur D. Little Inc.，1973)说迄今为止，[从矿井内向上的]上行链路通信基本上使用磁距垂直取向的环源天戏。…这样的环形天线对于矿井内设备来说与戎韙天线相比是更为优选的，因为它们的输入电阻小、阻抗特性随着时间改变不大和安装方便…(184页)。迄今为止，[从地面向下的]下行链路通信基本上使用接地的
水子长戏源天韙。…在矿井内线的磁场基本上是水平的…(191页)。“便携式VLF至MF无线矿井通信的发射天线”(“TRANSMIT ANTENNAS FOR PORTABLEVLF TO MF WIRELESS MINE COMMUNICATIONS”，USBM CONTRACT FINAL REPORT (H0346045),Robert L. Lagace, et al, Arthur D.Little Inc.,1977)说相对波长的[小型便携式发送天线的]尺寸将它们归为电尺寸小的天线，它们由于非常的性质因此是差的辐射器。还没有出现较大的突破，或者要出现，以改变这个事实。…结果是，对具体天线的选择不应该根据它的藉身效率。…因此，可以推断，传统的空芯背带豕天线或许还有小钱桌环天线对于频率低于IMHz左右的漫游矿工便携式无线电应用来说将是最适当和合理的选择。(3页)。直径为.5的10匝的典型#天线的辐射效率被援引为具有“可以忽略的只有2Χ1(Γ7(%的天线效率。”(33页)。…即使是最佳加载的2米凝状犬我’在它短到0. 05 λ左右以下时其效率在HF频带的低端也迅速下降(41页)因此，便携式矿井无线语音通信应用的发送天线尺寸限制加上所要求的系统带宽使高藉身效率的目的不仅难以达到，而且对于VLF、LF甚至MF、从IOKHz到1000MHz的无线电频带也是不希望的。(45页)。因此，显而易见的是，根据这个对天线在导电性媒体内性能的测量，_于在自由空间内具有的优于环的优点不适用于导电媒体…[从而]环显然被看作最有利的天线。(47 页)。…传统的·^农义减与MF频带无线无线电应用不兼容。(51页)传统的玄Zdg减为MF矿井无线漫游矿工应用的最适当和最有效的选择之一。因此，并不意外的使，南非人和英国人已正式通过将这样的天线分别用于采矿和消防的援救型便携式MF频带通信。(M页)。在许多应用中，磁芯材料加载的环与空气芯豕相比以显著减小了的横截面
积和体积提供了相等的或有所改善的性能。(63页)。所讨论的是“沿坑道顶伸展和用顶螺栓在煤层上方的岩石接地的;^夫减天减’”。采用所说明的接地，以及在所给定的300Khz频率和10到100米长度，这些天线是在这篇论文中由此计算了“夫我’和它的在煤层顶内的返回通路的有效H”。(78-80页)。USBM开放文件报告127-85所引用的“确定位置和取向的准静态磁场技术” (“Quasi-Static Magnetic-Field Technique for Determining Position andOrientation，，，Raab et al. , ca. 1981)说埋入发射机在地面所产生的[ELF]场实质上是一个纯准静态肩截子场，而所关联的电场可以忽略。…相反，I场的幅度随距离下降非常快。“供地下使用的中频机身环形天线”("Medium frequency body loop antennafor use underground",B. A. Austin,IEE Colloquium on Electrically Small Antennas,Oct.23，1990)说可以考虑候选的天线类型是在或廣偶截子:即短存或凝我 或V、环。在它们之
间的最终选择主要受实际情况影响。由于在狭窄的坑道和通道内工作环境受到非常大的限制，使得鞭状天线是既不实用又很危险的选项。
…支持^;或^^チ的另ー个重要因素是，在将这两种天线设置在半径R的绝 缘洞穴(例如，坑道)内吋，在损耗大的介质媒体(岩石)内，蒋是较为有效的辐射器[与 差不多大小的电偶极チ相比]。“^ffiM^jSWi&T^C^fflff“( “Underground Wireless Communications using Magnetic Induction'', Zni Sun and Ian F. Akyi丄diz, IEEE Communications Society, ICC 2009 proceedings)说“沿用已久的使用途I (EM)放的无线通信技术在这个[地下]环境内由于高路 径损耗、动态通道状况和大天线尺寸三个问题而不能正常工作。”…肌[磁感应]对于陆上无线通信通常是不利的，因为磁场強度比EM[电磁]波 下降快得多。TTE通信的专利公开所规定的天线
权利要求
1.一种无线透地通信系统，包括地层；地层内的第一通信单元，所述第一通信单元包括发射机，和与发射机通信的辐射天线，用来产生和发送预定载频的电磁波；以及第二通信单元，被配置成以预定载频透过地层与第一通信单元通信，所述第二通信单元包括用来接收预定载频的电磁波的天线，和与该天线通信的接收机。
2.根据权利要求1的无线透地通信系统，其中，所述第一通信单元还包括与第一通信单元的辐射天线通信的接收机。
3.根据权利要求2的无线透地通信系统，其中，所述第一通信单元的发射机和接收机是组合在一起的。
4.根据权利要求2的无线透地通信系统，其中，所述第二通信单元还包括与第二通信单元的天线通信的发射机。
5.根据权利要求4的无线透地通信系统，其中，所述第二通信单元的接收机和发射机是组合在一起的。
6.根据权利要求1的无线透地通信系统，其中，所述第二通信单元在地面以上。
7.根据权利要求1的无线透地通信系统，其中，所述第二通信单元在地面以下。
8.根据权利要求1的无线透地通信系统，其中，所述第一通信单元和第二通信单元被配置成以频率低于140MHz左右的电磁波进行通信。
9.根据权利要求8的无线透地通信系统，其中，所述第一通信单元和第二通信单元被配置成以频率低于1. 8MHz左右的电磁波进行通信。
10.根据权利要求9的无线透地通信系统，其中，所述第一通信单元和第二通信单元被配置成以频率在IOOkHz左右到IMHz左右的范围内的电磁波进行通信。
11.根据权利要求1的无线透地通信系统，其中，所述第一通信单元和第二通信单元透过地层通信的最小距离为100英尺左右。
12.根据权利要求11的无线透地通信系统，其中，所述第一通信单元和第二通信单元透过地层通信的最小距离为300英尺左右。
13.根据权利要求1的无线透地通信系统，其中，所述第一通信单元和第二通信单元中至少一个包括阻抗匹配装置。
14.根据权利要求13的无线透地通信系统，其中，所述阻抗匹配装置的至少一个电路元件被冷却到导电性增强的状态。
15.根据权利要求14的无线透地通信系统，其中，所述阻抗匹配装置的所述至少一个电路元件被冷却到超导性状态。
16.根据权利要求1的无线透地通信系统，其中，至少第一通信单元包括高温超导材料。
17.根据权利要求16的无线透地通信系统，其中，所述高温超导材料增强所述辐射天线的至少一部分的导电性状态。
18.根据权利要求1的无线透地通信系统，其中，所述第一通信单元的辐射天线包括馈电点；与馈电点电连通以便从馈电点接收功率的第一天线振子；以及与馈电点电连通以便从馈电点接收功率的第二天线振子，所述第二天线振子被相对于第一天线振子布置，使得在馈电点处的预定载频的交变电压会在第一天线振子与第二天线振子之间产生交变电场，其中，所述第一天线振子和第二天线振子中至少一个是与地层电绝缘的。
19.根据权利要求18的无线透地通信系统，其中，所述第一天线振子和第二天线振子都是与地层电绝缘的。
20.根据权利要求18的无线透地通信系统，其中，所述第一天线振子和第二天线振子是相互电绝缘的。
21.根据权利要求18的无线透地通信系统，其中，所述第一通信单元和第二通信单元中至少一个的辐射天线还包括连接第一和第二天线振子的端部的第三天线振子。
22.根据权利要求1的无线透地通信系统，其中，所述辐射天线包括下列中至少一个折叠式偶极子天线、倒V形偶极子天线、具有寄生元件的偶极子天线、具有多个受激振子的偶极子阵列天线、Μοχοη偶极子天线、大环形天线、四边形天线、三角形天线、长线天线、菱形天线、行波天线、单极天线、鞭状天线、蝴蝶结天线、Goubau天线、法向模螺旋偶极子天线、L形天线和偏心馈电偶极子天线。
23.根据权利要求1的无线透地通信系统，其中，所述第一通信单元和第二通信单元中至少一个的辐射天线包括谐振天线系统的至少一部分。
24.根据权利要求1的无线透地通信系统，其中，所述第一通信单元和第二通信单元中至少一个的辐射天线包括感性加载辐射天线、容性加载辐射天线、线性加载辐射天线和弯折线天线中至少一个。
25.根据权利要求1的无线透地通信系统，其中，至少第一通信单元的辐射天线所产生的电场的最大范围至少为预定载频的电磁波的自由空间波长的长度的千分之一。
26.根据权利要求25的无线透地通信系统，其中，至少第一通信单元的辐射天线所产生的电场的最大范围至少为预定载频的电磁波的自由空间波长的长度的百分之三。
27.根据权利要求沈的无线透地通信系统，其中，至少第一通信单元的辐射天线所产生的电场的最大范围至少为预定载频的电磁波的自由空间波长的长度的百分之一。
28.根据权利要求27的无线透地通信系统，其中，至少第一通信单元的辐射天线所产生的电场的最大范围至少为预定载频的电磁波的自由空间波长的长度的十分之一。
29.根据权利要求沈的无线透地通信系统，其中，所述辐射天线所产生的电场的最大范围包括跨越至少第一通信单元的辐射天线的最大距离。
30.根据权利要求1的无线透地通信系统，其中，至少第一通信单元被配置成防止在矿井环境中着火或爆炸。
31.根据权利要求1的无线透地通信系统，还包括下列中至少一个地下人员定位系统；以及地下人员通信系统。
32.根据权利要求31的无线透地通信系统，其中，所述地下人员定位系统使用射频标识设备。
33.根据权利要求1的无线透地通信系统，其中，第一通信单元的辐射天线是基本上水平取向的。
34.一种无线透地通信系统，包括地层；第一通信单元，包括发射机，和与发射机通信的辐射天线，用来产生预定载频的电磁波；以及地层内的第二通信单元，所述第二通信单元包括用来接收透过地层发送的预定载频的电磁波的辐射天线，禾口与该辐射天线通信的接收机。
35.一种建立地下无线通信点的方法，包括下列步骤将辐射天线的第一天线振子设置在地层的洞穴内，并与地层电绝缘，使第一天线振子沿第一方向延伸；将辐射天线的第二天线振子设置在地层的空穴内，使第二天线振子沿第二方向延伸；以及建立辐射天线与发射机之间的通信。
36.根据权利要求35的方法，其中，设置第二天线振子的步骤包括使第二天线振子与地层电绝缘。
37.根据权利要求35的方法，其中，设置第二天线振子的步骤包括使第二天线振子沿与第一天线振子的第一方向成至少45度左右的角度的第二方向取向。
38.根据权利要求35的方法，其中，设置第一天线振子的步骤和设置第二天线振子的步骤包括将第一和第二天线振子设置在矿井内。
39.根据权利要求35的方法，还包括将辐射天线调谐成以预定载频透过地层发送电磁辐射，以补偿地层的电效应。
40.根据权利要求39的方法，其中，调谐的步骤包括调整辐射天线的电长度。
41.一种调谐辐射天线以便以预定载频透过地层通信的方法，包括下列步骤将辐射天线设置在地下位置，该辐射天线的长度相对于它在地面上在预定载频的谐振长度缩短了；相对于在辐射天线用于预定载频时的已知的地面上谐振长度缩短辐射天线的电长度；以及调整辐射天线的电长度，该电长度保持小于所述已知的地面上谐振长度，以在辐射天线的馈电点达到所希望的阻抗匹配。
42.根据权利要求41的方法，其中，调整电长度的步骤包括补偿地层对辐射天线的至少一部分的电效应。
43.根据权利要求41的方法，其中，调整电长度的步骤还包括将辐射天线的至少该部分与地层内至少一个附带导体耦合。
44.根据权利要求42的方法，其中，调整辐射天线的电长度的步骤包括将阻抗匹配装置连接到辐射天线的馈电点上，以在阻抗匹配装置的输入端与辐射天线的馈电点之间变换阻抗。
45.根据权利要求44的方法，其中，调整的步骤包括当辐射天线在阻抗匹配装置的输入端受到馈电时给辐射天线添加串联感抗。
46.根据权利要求41的方法，其中，调整的步骤是自动进行的。
47.根据权利要求41的方法，其中，调整的步骤是手动进行的。
48.根据权利要求41的方法，其中，调整电长度的步骤包括测量辐射天线的至少一个特性；调整电长度；以及重新测量所述至少一个特性。
49.根据权利要求48的方法，其中，测量辐射天线的至少一个特性的步骤包括下列中至少一个测量在馈电点的阻抗；使用网络分析器；测量驻波比；以及测量传入辐射天线的功率。
50.根据权利要求48的方法，其中，调整电长度的步骤还包括重复所述调整和重新测量，直至达到所希望的阻抗。
51.根据权利要求41的方法，其中，调整电长度的步骤包括下列中至少一个减小或增大辐射天线的至少一个导电振子的物理长度；调整辐射天线的至少一个电感元件的电感；调整辐射天线的至少一个导电振子的电容；改变辐射天线的馈电点的位置；以及选择与辐射天线关联的阻抗匹配装置的设置。
52.一种透过地层通信的方法，包括以下步骤将预定载频的电磁波透过地层从在地层一侧的第一位置处的第一辐射天线发送到在地层对侧的第二位置处的第二辐射天线。
53.根据权利要求52的方法，其中，发送的步骤包括透过至少100英尺的地层发送电磁波。
54.根据权利要求53的方法，其中，发送的步骤包括透过至少300英尺的地层发送电磁波。
55.根据权利要求52的方法，其中，发送的步骤包括发送大约140MHz或更低的预定载频的电磁波。
56.根据权利要求55的方法，其中，发送的步骤包括发送大约1.8MHz或更低的预定载频的电磁波。
57.根据权利要求56的方法，其中，发送的步骤包括发送在IOOkHz左右到IMHz左右的范围内的预定载频的电磁波。
58.根据权利要求52的方法，其中，发送的步骤包括从地下位置发送电磁波。
59.根据权利要求58的方法，其中，发送的步骤包括向另一个地下位置发送电磁波。
60.根据权利要求58的方法，其中，发送的步骤包括向地上位置发送电磁波。
61.根据权利要求52的方法，其中，发送的步骤包括向地下位置发送电磁波。
62.一种超导辐射天线，包括辐射天线；用来感性加载该辐射天线的振子的超导线圈和超导电容器元件中至少一个；包围至少该超导线圈的密封冷却箱；以及与该密封冷却箱内的内箱连通的低温冷却设备。
全文摘要
本发明公开了用于在发送天线与接收天线之间透过大地无线发送信号的系统和方法，其中通信天线产生显著远场辐射以及除了磁耦合之外还可以基本上通过发射和吸收电磁辐射来交互作用的类型的。通常选择可以比常规用于透地(TTE)通信的频率高得多的频率。在许多希望TTE通信的情况下，由这些类型的天线产生和利用的电磁耦合和所关联的磁耦合提供比利用主要仅通过磁耦合来交互作用的天线可获得的更大的有效通信范围。
文档编号H04B13/02GK102598551SQ201080031810
公开日2012年7月18日 申请日期2010年6月3日 优先权日2009年6月3日
发明者D·L·马歇尔 申请人:马歇尔无线电遥测股份有限公司