天线的尺寸保持为与在上述图3A-3C中描述的 示例中的相同。
[0088] 为了获取±壤环境的性质，在HFSS中基于由图3A-3C中描述的示例中的模型计算 的相对电容率而建立±壤物质。另外，由于±壤的相对电容率是依赖于频率的，所W在该仿 真中，根据公式（1)来表示。
[0089] 如图4A所示，对于多个不同±壤湿度值示出了偶极子天线的回波损耗。在本示例 中，天线的埋设深度是0. 1米。如图3A-3C的理论分析中所指示的，当±壤湿度增加时，谐 振频率移动至较低频率范围。
[0090] 在本例中，谐振频率下的回波损耗的绝对值在示例3A和4A之间明显不同。该是 因为由于为了易处理进行的近似而导致的在HFSS中建模"理想"天线的不准确W及理论局 限性。例如，在40%的体积含水量下，观察到IGHz下的附加谐振频率402,该在图3A中未 示出。在该±壤湿度水平和频率下，波长比天线尺寸小，而公式（12)中的近似通常对于高 于偶极子长度两倍的波长值是有效的。
[0091] 如图4B所示，描述了在从零至0. 2米不同埋设深度下的谐振频率404。反射波的 效果改变了阻抗和谐振频率。与上述图3A-3C中的理论分析相比，HFSS的结果示出了较小 的频率波动，并且更迅速地收敛为均质上壤中的谐振频率。在该两种情况下，上壤-空气界 面的效果在地下天线设计中都是显著的。
[0092] 在图3A-3C和图4A-4B中的示例中都示出了用于地下通信的天线的设计主要受S 个因素的影响；±壤中的波长，从±壤-空气界面的反射，^及±壤湿度。然而，图3A-3C中 的理论分析仅应用于偶极子，并且因此，使用该样的方法不能获取其它类型的天线。因此， 在下面的段落中描述现场试验。
[009引地下天线的示例
[0094] 为了进一步研究±壤-空气界面对于天线的回波损耗的影响并且获得对用于地 下通信的天线的设计的理解，在下面描述经验实验。
[0095] 图5A-5F图示了对于不同天线类型测量的回波损耗。不同天线类型包括四种偶极 子天线和两种平面天线。具体地，天线包括GSM天线（图5A)，433MHz偶极子天线（图5B)， Mica2天线（图5C)[可从加州圣何塞的hossbow技术公司获得]，MicaZ天线（图抓）[可 从加州圣何塞的hossbow技术公司获得]，圆形平面天线（图5E)，W及楠圆形天线（图 5巧。
[0096] GSM天线（图5A)是为GSM设备设计的偶极子天线。它是50mm长并且由橡胶绝 缘。具有绝缘体的天线的半径是4mm。谐振频率是900MHz和1900MHz。
[0097] 433MHz偶极子天线（图5B)是为433MHz频率设计的现成天线。它是70mm长并且 也是绝缘的。绝缘体的半径是5mm。
[009引 Mica2天线（图5C)最初被附接至频繁用于无线传感器网络（WSN)实验的Mica2 微尘。它是180mm长的鞭状天线。该天线非常薄。包括绝缘体，半径是1.5mm并且谐振频 率是 433MHz。
[0099] MicaZ天线（图抓）最初被附接至MicaZ微尘。由于MicaZ在较高频率（例如 2.4GHz)下工作，所W天线较短，具有37mm的长度。
[0100] 圆形平面天线（图祀）是具有圆形激励面板（excitingpanel)的平面天线。该 面板的直径是25mm，该是基于使用公式（11)计算的±壤中的波长。
[0101] 楠圆形天线（图5F)的尺寸可W由于不同操作频率而变化。在本例中，操作频率 是433MHz，并且因此天线包括125mmX85mm的矩形地面面板。激励面板是具有62mm和49mm 两个轴的楠圆形。
[0102] 在下面的示例中，天线被埋在两个深度（0. 1米和0. 3米），并且每个天线连接至 0.3米的同轴电缆。天线与面向±壤-空气界面的激励面板水平地被埋设。电缆的另一端 连接至被用于测量每个天线的回波损耗的便携式网络分析仪。基于包括用于农业的WUSN 应用中的典型传感器节点通常被埋在0. 3米深度的信息而选择该两个深度，从而避免来自 农业机器的影响，并且在该些深度上，能够获取±壤-空气界面的影响。
[0103] 埋设深度的作用
[0104] 图5A-5F示出了每个天线在±壤中的不同深度下的回波损耗。另外，也描述了天 线在空气中的回波损耗。在本测量中的±壤湿度是20 %，该也是用于作物生长的正常条件。 [01化]如图5A所示，对于空气中的GSM天线的两个谐振频率是1. 052GHz和1. 921GHz。然 而，当天线被埋在±壤中时，谐振频率偏移至低频。对于10cm的埋设深度，谐振频率分别是 571. 8MHz和1. 442GHz。当埋设深度是30cm时，相应的谐振频率是631. 8MHz和1. 502GHz。 该谐振频率的偏移与上壤中的波长的变化相关。作为典型的，上壤中的新谐振频率不能仅 基于±壤中的相应波长而计算，该是由于从±壤-空气界面的反射。
[0106] 当天线被埋在±壤中时，回波损耗曲线的形状通常改变。该改变能够在433MHz天 线（图地）和初始MicaZ天线（图5D)中看到。在433MHz天线中，当天线被埋在±壤中时， 在低频下出现多个谐振频率。在MicaZ天线的情况下，当天线被埋设时，谐振频率下的回波 损耗比放置在空气中的天线低15地，如箭头504所示。原因是±壤介质的影响在不同频率 下不是线性的，如上面的公式（10)和（12)所指示的，其中0是f的线性函数，但是Z。不 是0的线性函数。如图所示，在低频范围下的阻抗比高频范围下的更受影响。对于433MHz 天线（图5B)，在高于4GHz的频率下的回波损耗保持与空气中的结果相似，并且对于MicaZ 天线（图6D)，该适用于高于5GHz的频率。Mica2天线（图5C)的结果指示其具有在频率 范围上的较差性能，因为其谐振频率的回波损耗高于-10地。
[0107] 与偶极子天线不同，平面天线在±壤中的回波损耗曲线的形状保持与空气中的相 似（图祀和5F)。该可能是由于平面天线的不同福射机构，其中波首先传播经过基板的边 缘，其在天线被埋在±壤中时不会改变。基板能够减轻在福射的近场中的±壤的影响。因 此，对于该些平面天线，回波损耗曲线在空气中和±壤中保持相似。
[0108] 每个天线的谐振频率的特定偏移是已知因素，并且在图6A中示出与空气中的谐 振频率相比的偏移的百分比。如图6A所示，偏移的百分比对于不同天线来说是不同的。 433MHz天线和MicaZ天线具有最大的偏移，分别由箭头602和604示出。对于MicaZ天 线，当埋设深度是10cm时偏移42%，并且当埋设深度增加至30cm时偏移48%。同时，对于 433MHz天线，当埋设深度是10cm时偏移40%，并且当埋设深度是30cm时偏移36%。不同 深度下的偏移差异通常由从±壤-空气界面反射的波引起，其干扰了天线上的电流分布W 及因此天线的阻抗。该影响对于不同频率来说不是线性的。此外，由于反射电场的相位，偏 移在不同深度处波动。另外，该波动对于不同天线是不同的。例如，楠圆形平面天线，如果 埋设深度从10cm增加至30畑1，偏移能够从19 %减少至5 %。另一方面，对于Mica2天线，对 于埋设深度的相同改变，偏移从18%增加至36%。因此，对于地下通信中的天线，环境不能 被认为均质的，并且反射波对于具体天线的影响可W被分析从而确定用于±壤的精确设计 的天线。此外，该影响不能被概括，并且每种不同的天线类型可能需要特定分析。
[0109] 图6B图示了在不同介质中的上述天线的多个频带。当设计用于地下使用的天线 时，设计应该考虑在具体介质中的带宽效应。实际上，-10地的回波损耗通常被用作阔值W 限定具体天线的频带。在图6B中示出对于图5A-5F中描述的天线的带宽测量。方块指示 天线的频带。如图所示，两种平面天线606和608具有天线中的最宽的带宽。作为示例，能 够观察到圆形平面天线（图祀）具有（在30cm深度下的0.54-6.OGHz)的极宽带宽。该特 性在地下通信中是期望的，因为它能够适应不同的±壤状况。
[0110] 上壤湿度的影响
[0111] 由于自然降水过程随时间变化，所W上壤湿度随时间改变变化量。下面的示例示 出在S种不同±壤湿度设定（即干燥巧％VWC)、正常（20%VWC)和潮湿（37%VWC))中对 于四种天线（GSM天线、433MHz天线和两种平面天线）的回波损耗的记录。测试床的±壤成 分是23. 7 %的沙子和28. 7 %的粘±。
[011引图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。如上面 参考公式（1)和（2)所描述的，当±壤湿度增加时，±壤的电容率也增加，该导致波长进一 步减小。因此，在图7A和7B中示出的回波损耗曲线中，当±壤湿度增加时，谐振频率偏移 至更低范围。对于GSM天线（图7A)，当体积含水量（VWC)从5%增加至20%时，谐振频率 移动至比空气中的谐振频率低3%的频率。此外，当VWC从20%增加至37%时，观察到谐振 频率的附加的3. 1 %的降低。此外，在谐振频率下的回波损耗的准确值对于不同的±壤湿度 值变化。对于433MHz天线（图7B)回波损耗的改变是相当大的。在272MHz的频率下，对 于VWC= 5 %，谐振频率下的回波损耗是-8地。然而，当VWC增加至20 %时，该谐振频率偏 移至242MHz并且回波损耗降低至-18地。随着VWC进一步增加至37%，该谐振频率偏移至 182MHz并且回波损耗进一步降低至-23. 5地。经验结果证实当天线被埋在±壤中时，谐振 频率和谐振频率下的回波损耗值都会改变。因此，在天线的设计中，即使它在空气中表现良 好，当相同的天线被埋在±壤中时，也不能保证相等的性能。
[0113] 关于图7C和7D所示的两种平面天线的测量，回波损耗曲线的形状随着±壤湿度 的改变而相当大地改变。该可能部分地由该两种天线缺乏绝缘而引起。因此，含水量的改 变直接影响天线的电流分布。
[0114] 图8图示了对于不同±壤湿度中的不同天线的多个频带。对于GSM天线、433MHz 天线、楠圆形天线和圆形