Vlf发射天线系统、方法和装置制造方法
【专利摘要】提供了一种用于产生适用于通过地面或其它厚的固体障碍物通信的低频磁场的甚低频(VLF)发射天线系统、方法和装置。将至少两个环形天线布置成使得所述至少两个环形天线中的每个环形天线的磁场穿过所述至少两个环形天线中的每个其余的环形天线，从而将所述至少两个环形天线紧密地耦合。将全桥脉冲宽度调制发射器直接连接到每个环形天线以用于驱动后者。当给定环形天线的环断开并且它的磁场坍塌时，连接到其余环形天线的所述发射器增大其余环中的电流以维持恒定的磁场。
【专利说明】VLF发射天线系统、方法和装置
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]根据美国法典第35卷第119(e)款，本申请要求2011年11月17日提交的美国临时专利申请第61/561，134号的优先权，其全部内容通过引用并入于此。
【技术领域】
[0003]本发明涉及适用于通过地面或其它厚的固体障碍物通信的甚低频(VLF)发射天线。
【背景技术】
[0004]已知当前大多数无线通信技术不能穿过由诸如岩石、混凝土或土壤的材料制成的厚的固体障碍物。在大于几kHz的频率处，这些弱导电材料的趋肤深度相当小，并且电磁波被衰减到甚至是短距离(小于一米)通过固体材料通信都是不可能的程度。在诸如隧道和矿井的工作环境中，工人因而不能容易地与例如位于该隧道不同部分处或位于地面表面上的主管或其他工人通信。
[0005]这些通信系统不仅对常规的日常工作有用，而且它们在紧急情况下是不可缺少的。例如，如果隧道坍塌而使工人困于其中，则提供这种通信可以显著地减少寻找和营救被困工人的时间。这将在挽救该工人生命的机会上提供显著的改进。
[0006]因此，也已经提出一些无线方案用于基于磁感应通信的透地通信。这些系统使用导电线圈来生成甚低载波频率的发射磁场，典型为IOkHz以下。由环形天线产生的磁场的强度由天线偶极矩D给出，其中:
[0007]D = A*I*N [I]
[0008]A=天线面积,单位为m2
[0009]I =天线电流,单位安培
[0010]N =环的匝数
[0011]在煤矿开采应用中，将安全限值施加到流过给定电感的电线的电流上，以便防止开路产生能够点燃空气甲烷混合物的火花。这直接影响环形天线中使用的电流、尺寸和匝数，并且因此影响偶极矩。这继而限制了磁感应通信系统在煤矿井中安全使用的可用范围。
[0012]已知使用环形天线用于透地无线电的发射和接收功能。这种天线可以包括若干导体束，其可以并联连接以形成低电阻的发射天线，或串联连接以增加用于接收目的的环的匝数。该天线可以具有单个用于传输的馈电点。虽然并联导体减少了线圈绕组的电阻，但是它们并未显著地改变它的电感。因此，该发射天线结构的偶极矩仅可通过如任何其它传统环形天线那样增加天线尺寸(并且因此增加电感)或电流来增加。
[0013]进一步已知使用地下矿井通信系统来实现矿井通信并且使用本质安全的限流器电路用于确保该系统中的电气设备将不会弓I起燃烧条件。该限流器确保电流不会超过MSHA规定的用于本质安全的限值，并且发射器偶极矩因此受到如上所述的限制。
[0014]另外，已经描述了用于透地通信的天线包括多个导电环，其中每个环可以由分离的发射器驱动。这些发射器将相同的驱动信号提供给每个环，并且布置这些环以便它们的磁场相结合。这种布置可以通过在每个发射器与天线环之间增加限流电路来适用于本质安全的应用。
[0015]图1是传统多环天线系统的框图。为清楚起见，该框图示出具有三个环形天线的系统，但是可以使用其它数目(m)的天线。VLF信号源I连接到三个发射放大器2a、2b、2c，这些发射放大器提供输出信号，该输出信号以匹配电路3a、3b、3c和变压器4a、4b、4c为条件来将电流驱动进低阻抗天线环5a、5b、5c。在每个放大器与环形天线之间使用以虚线框所示的电流和电压限制器电路6a、6b、6c，以防止天线电流和电压超过用于给定环电感的已知安全级别。因此，如果这些电线中的一个的电流由于切断或断开该电线而中断，它将不能点燃易燃环境。
[0016]然而，如果使用了 m个环，这些环之间的互耦增加了从发射器看去的阻抗。那么，每个环中的电流仅可通过增加发射器电压来维持，其继而施加了更低的安全电流限值。为了将电压和电流维持在安全范围内，因此需要将环数m限值为小的数目，S卩，四个环，并且通过使用多个限流发射天线所提供的偶极矩和远距离B磁场中的实际改进相当小。
[0017]因此，显然仍需要改进用于磁感应通信的发射器的性能，同时满足该系统的本质安全的全部要求。进一步需要一种适用于使用电磁感应的透地无线电通信的发射器，其减少了当电流被中断时可用于在易燃环境中着火的能量。
【发明内容】
[0018]根据第一宽泛的方面，提供一种用于基于磁感应耦合的透地通信的甚低频(VLF)发射天线系统，所述系统包括至少两个环形天线，被布置成所述至少两个环形天线中的每个环形天线的磁场穿过所述至少两个环形天线中的每个其余的环形天线，从而将所述至少两个环形天线紧密地磁耦合，以及至少两个发射器，每个所述发射器直接连接到所述至少两个环形天线中的对应一个环形天线并且驱动所述至少两个环形天线中的所述对应一个环形天线。
[0019]根据第二宽泛的方面，提供一种用于产生用于基于磁感应耦合的透地通信的VLF调制磁场的方法，所述方法包括将数据信号调制到VLF载波频率上，将所述调制信号转换为PWM控制信号，以及将所述PWM控制信号应用到至少两个全桥发射器上，每个发射器被直接连接到至少两个分离的环形天线中的对应一个环形天线。
[0020]根据第三宽泛的方面，提供一种用于产生用于基于磁感应耦合的透地通信的VLF调制磁场的VLF发射天线装置，所述装置包括:至少两个分离的环形天线；至少两个PWM发射器，每个PWM发射器直接连接到所述至少两个环形天线中的对应一个环形天线并且驱动所述至少两个环形天线中的所述对应一个环形天线；以及数字信号处理器，耦合到所述至少两个发射器并且生成驱动所述至少两个PWM发射器的PWM控制信号。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]结合附图，本发明的进一步特征和优点根据下面的详细描述将变得显而易见，其中:
[0022]图1是现有技术中用于透地通信的本质安全的天线系统的示意性框图；[0023]图2是当电流被中断时环形天线中的电压和电流的曲线；
[0024]图3是根据本发明的说明性实施例的VLF发射天线系统的框图；
[0025]图4是图3的VLF发射天线系统的示意性电路图；
[0026]图5是根据本发明的说明性实施例的用于产生低频磁场的装置的示意图；
[0027]图6是图3的VLF发射天线系统的天线环中的电压和电流的曲线；
[0028]图7a是根据本发明的说明性实施例的用于产生低频磁场的方法的流程图；以及
[0029]图7b是图7a的驱动环形天线的步骤的流程图。
【具体实施方式】
[0030]为了解释本发明所提供的改进，首先描述基于单环天线的发射器(未示出)的性能。对于单环天线，电流由驱动该天线的发射器的电压和该天线的阻抗来确定。该阻抗具有两个分量，电线电阻和电线电感。电线环的电感(La)由下式给出:
[0031]
【权利要求】
1.一种用于基于磁感应耦合的透地通信的甚低频(VLF)发射天线系统，所述系统包括: 至少两个环形天线，被布置成所述至少两个环形天线中的每个环形天线的磁场穿过所述至少两个环形天线中的每个其余的环形天线，从而将所述至少两个环形天线紧密地磁耦合；以及 至少两个发射器，每个所述发射器直接连接到所述至少两个环形天线中的对应一个环形天线并且驱动所述至少两个环形天线中的所述对应一个环形天线。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少两个环形天线中的每个环形天线包括绝缘的现场接线导体，所述绝缘的现场接线导体形成产生所述磁场的单个环，所述至少两个环形天线的所述环具有相等的尺寸。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述至少两个环形天线的所述导体被布置为围绕公共区域的周围，以便所述至少两个环形天线的所述环被紧密耦合并且产生与所述至少两个环形天线的所述环所产生的磁场的总和相等的远距离磁场。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少两个发射器中的每个发射器都是全桥脉冲宽度调制(PWM)发射器。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述至少两个发射器以相同的PWM信号驱动所述至少两个环形天线，以便所述至少两个环形天线中的调制电流相同并且同相。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述PWM信号中的每个PWM信号的采样周期小于所述至少两个环形天线中的每个环形天线的时间常数的八分之一，所述时间常数根据所述环形天线的电感和电阻来确定。
7.根据权利要求2所述的系统，其中响应于所述至少两个天线中所选择的一个天线的所述导体的接线的断开，驱动所述至少两个环形天线中的每个其余的环形天线的所述至少两个发射器中的每个发射器响应于负载阻抗的减少而自动地增大所述至少两个环形天线中的每个其余的环形天线的所述环中的电流，从而抑制由所述接线的所述断开引起的反EMF。
8.根据权利要求2所述的系统，其中所述至少两个环形天线中的每个环形天线被操作为在所述至少两个天线的所述环中的一个环开路时，所述每个环形天线的所述环中的电流增大到等效于所述至少两个天线的所述环的单个环的最大安全电流之上而不产生着火的危险。
9.一种用于产生用于基于磁感应耦合的透地通信的VLF调制磁场的方法，所述方法包括: 将数据信号调制到VLF载波频率； 将所述调制信号转换为PWM控制信号；以及 将所述PWM控制信号应用到至少两个全桥发射器，每个发射器直接连接到至少两个分离的环形天线中的对应一 个环形天线。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括紧邻地布置各自形成所述至少两个环形天线中的对应一个环形天线的环的导体，以便所述导体围绕公共区域的周围并且所述至少两个环形天线中的每个环形天线的磁场穿过所述至少两个环形天线中的每个其余的环形天线，从而将所述至少两个环形天线紧密地磁耦合。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括以高于等效于所述至少两个环形天线的所述环的单个环的最大安全电流的电流来操作所述至少两个环形天线中的每个环，以便增大所述环的整体所产生的远距离磁场。
12.根据权利要求10所述的方法，进一步包括响应于负载阻抗的减少而自动地增大所述环中的每个其余的环中的电流，从而抑制所述环中所选择的一个开路的环中的反EMF。
13.根据权利要求11所述的方法，进一步包括检测所述至少两个发射器中的一个发射器是否开路并且将所述至少两个发射器中的每个其余的发射器中的电流缓慢地减少至原始值。
14.根据权利要求11所述的方法，进一步包括检测指示所述至少两个发射器中所选择的一个发射器开路的故障，将所述至少两个发射器中的每个其余的发射器中的电流减少到零，以及防止通过所述至少两个发射器的进一步传输直到所述故障被清除。
15.一种用于产生用于基于磁感应耦合的透地通信的VLF调制磁场的VLF发射天线装置，所述装置包括: 至少两个分离的环形天线； 至少两个PWM发射器，每个PWM发射器直接连接到所述至少两个环形天线中的对应一个环形天线并且驱动所述至少两个环形天线中的所述对应一个环形天线；以及 数字信号处理器，耦合到所述至少两个发射器并且生成驱动所述至少两个PWM发射器的PWM控制信号 。
16.根据权利要求15所述的装置，其中所述至少两个环形天线中的每个环形天线包括绝缘的现场接线导体，所述绝缘的现场接线导体形成产生磁场的单个环，并且其中所述导体围绕公共区域的周围布置，以便所述至少两个环形天线中的每个环形天线的所述磁场穿过所述至少两个环形天线中的每个其余的环形天线，从而将所述至少两个环形天线紧密地磁率禹合。
17.根据权利要求16所述的装置，其中响应于所述至少两个天线中所选择的一个环形天线的所述导体的接线的断开，驱动所述至少两个环形天线中的每个其余的环形天线的所述至少两个发射器中的每个发射器响应于负载阻抗的减少而自动地增大所述至少两个环形天线中的每个其余的环形天线的环中的电流，从而抑制由所述接线的所述断开引起的反EMF。
18.根据权利要求15所述的装置，其中所述至少两个PWM发射器中的每个PWM发射器包括直接连接到所述至少两个环形天线中的所述对应一个环形天线的功率场效应晶体管(FET)的全桥结构。
19.根据权利要求15所述的装置，进一步包括耦合到所述至少两个PWM发射器的电源和耦合到所述电源以用于所述电源的防止过电压和过电流中的至少一个的保护的保护电路，其中所述过电流可以高达具有与所述至少两个环形天线中的每个环形天线相同的尺寸的单环天线的本质安全电流的七倍。
20.根据权利要求15所述的装置，其中所述至少两个PWM发射器中的每个PWM发射器的状态被用信号发送到所述至少两个PWM发射器中的每个其余的PWM发射器，以使得所述至少两个PWM发射器中的每个PWM发射器能够在所述至少两个环形天线中所选择的一个环形天线变成开路时将每个所述PWM发射器的电流减少到原始值或关闭。
21.根据权利要求19所述的装置，其中所述保护电路包括用于在两个独立电路故障时提供所述保护的三个分 离的冗余级。
【文档编号】H04B1/04GK104025471SQ201280064490
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2012年11月19日 优先权日:2011年11月17日
【发明者】M·J·罗珀, V·普扎科夫 申请人:维拓警报通信公司