閻東慧

(大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司同大科技研究院 山西大同 037003)

目前,煤礦綜采工作面廣泛使用的通信方式主要是有線通信系統(tǒng)和定向天線無線通信系統(tǒng)。有線通信系統(tǒng)受傳輸電纜、光纜約束,普遍存在著限制采掘作業(yè)和線纜經(jīng)常被扯斷的情況,頻繁造成通信線路故障和通信質(zhì)量差的問題[1,2]。

傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)大多是在綜采工作面巷道兩頭安裝定向天線,但采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架等大型金屬設(shè)備對(duì)電磁波產(chǎn)生多徑衰落效應(yīng)[3,4]和煤巖、粉塵和水霧等介質(zhì)對(duì)電磁波產(chǎn)生了較大的吸收和衰減,這些因素干擾了無線信號(hào)的正常傳播,巷道內(nèi)無線信號(hào)覆蓋相當(dāng)差,出現(xiàn)很多通信盲區(qū),無線通信不穩(wěn)定。

為了徹底解決綜采工作面內(nèi)通信質(zhì)量差的問題,設(shè)計(jì)了一種適合于井下復(fù)雜工況的無線通信裝置——礦用雙極化天線。這種天線采用雙極化電磁波傳輸替代單極化傳輸,工作頻率為4 GHz～6 GHz頻段,具有金屬外殼防護(hù),天線主要安裝在液壓支架頂梁下部,與工作面擴(kuò)音電話系統(tǒng)、手持通話設(shè)備、手持視頻設(shè)備構(gòu)成完整的無線通訊系統(tǒng),同時(shí),還留有接口方便其他無線設(shè)備接入。這種礦用雙極化天線有效地解決了工作面內(nèi)無線信號(hào)的全覆蓋問題,保證了無線通信系統(tǒng)在工作面的正常使用。

1 礦用雙極化天線設(shè)計(jì)

礦用雙極化天線設(shè)計(jì)重點(diǎn)主要是天線結(jié)構(gòu)和尺寸的確定。針對(duì)煤礦特殊的使用環(huán)境,決定采用一種階梯型的方形環(huán)縫隙結(jié)構(gòu),這種縫隙結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生兩個(gè)相互正交(正交可以理解為相互垂直,互不影響)的輻射電磁場(chǎng),達(dá)到一個(gè)天線產(chǎn)生兩條無線鏈路同時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)的效果,比單一極化方式具有傳輸距離更遠(yuǎn)和覆蓋范圍更廣的特點(diǎn),提高了工作帶寬和天線收發(fā)效率。

經(jīng)過大量的對(duì)比試驗(yàn)和優(yōu)化設(shè)計(jì),最終確定的礦用雙極化天線的介質(zhì)基板為常規(guī)材料FR-4,基板厚度為1.6 mm,相對(duì)介電常數(shù)為4.4,天線的平面結(jié)構(gòu)的正反面如圖1 所示,結(jié)構(gòu)尺寸如表1 所示,其中LA、LB、H為保護(hù)天線的金屬外殼的尺寸。

表1 天線結(jié)構(gòu)尺寸 單位為mm

圖1 天線平面結(jié)構(gòu)

2 仿真測(cè)試

利用HFSS 軟件對(duì)設(shè)計(jì)好的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真分析。仿真時(shí)選擇高斯信號(hào)作為激勵(lì)源,PML 匹配吸收層作為邊界。觀察雙極化天線的S 參數(shù)的變化趨勢(shì)。雙極化天線的S參數(shù)的仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 天線S參數(shù)仿真結(jié)果

由圖2 可見,雙極化天線在低于-10 dB 范圍內(nèi)的水平極化端口阻抗帶寬為3.58 GHz～6.14 GHz,垂直極化端口阻抗帶寬為4.24 GHz～6.11 GHz。仿真結(jié)果說明,本文設(shè)計(jì)的天線頻率無論在水平極化還是垂直極化都具有較強(qiáng)的磁耦合饋電效果,保證了天線的工作頻率為4 GHz～6 GHz。

3 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

礦用雙極化天線仿真測(cè)試完成后,對(duì)天線進(jìn)行實(shí)物加工。將天線置于金屬殼中,金屬殼四壁和底部采用不銹鋼,頂部采用ABS 塑料,這種設(shè)計(jì)可以有效的防水、防塵、防摔,同時(shí)也符合《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定礦用設(shè)備的防護(hù)等級(jí)至少為IP54 的要求,實(shí)物見圖3 所示。

圖3 天線的加工實(shí)物圖

實(shí)物加工后進(jìn)行密封,使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)加工的礦用雙極化天線進(jìn)行測(cè)試,主要對(duì)天線的S 參數(shù)和端口隔離度進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果見圖4和圖5。

圖4 天線端口S參數(shù)測(cè)試結(jié)果

圖5 天線端口隔離度測(cè)試結(jié)果

由圖4可知,天線的S參數(shù)在整個(gè)頻帶內(nèi)均小于-10 dB,說明天線的效率較高,符合工程要求。由圖5可知,天線的端口隔離度在4 GHz～6 GHz 頻帶內(nèi)均低于-25 dB,說明兩個(gè)端口互相的干擾程度較低,也符合工程要求。綜合測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果一致說明設(shè)計(jì)的礦用雙極化天線是合理的。

4 工業(yè)性試驗(yàn)

設(shè)計(jì)的礦用雙極化天線于2017年3月在大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司云岡礦8202 工作面和2208 巷進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。試驗(yàn)工作面長(zhǎng)度133.5 m,工作面煤均厚2.23 m,工作面支架數(shù)92 架,支架中心距1.5 m。礦用天線安裝于液壓支架頂梁下部,間隔30個(gè)支架放置一臺(tái),頭尾各放置一臺(tái),共計(jì)5臺(tái)。天線的電源是127 V,天線與工作面擴(kuò)音電話系統(tǒng)、手持通話設(shè)備、手持視頻設(shè)備構(gòu)成完整的無線通訊系統(tǒng),如圖6所示。

圖6 天線設(shè)備布置圖

試驗(yàn)期間,工作面擴(kuò)音電話系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無線連接,液壓支架移架時(shí)有效避免了線纜的扯斷問題,運(yùn)行過程中礦用天線與其他系統(tǒng)銜接順利、設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、通話過程話質(zhì)清晰、流暢,尤其當(dāng)液壓支架拉架移架時(shí),無線信號(hào)明顯比之前使用定向天線時(shí),信號(hào)穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)。試驗(yàn)結(jié)果說明,本文設(shè)計(jì)的雙極化天線提高了無線通信系統(tǒng)的傳輸和覆蓋效率,且系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠滿足煤礦大規(guī)模應(yīng)用的要求。

5 結(jié)論

針對(duì)煤礦綜采工作面通信的特殊性,研發(fā)了一款工作在4 GHz～6 GHz 頻段,并安裝在液壓支架頂梁下部的礦用雙極化天線,現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)證明,該天線裝置增強(qiáng)了無線系統(tǒng)的通訊距離和覆蓋范圍,提高了工作面復(fù)雜工況環(huán)境下的無線通信質(zhì)量,減少了設(shè)備維護(hù)工作量,保障了煤礦生產(chǎn)安全、穩(wěn)定、持續(xù)地運(yùn)行。