10年 矿井无线通信系统中电磁波的传输

Abstract Basd on radio communication of the underground coal mine for the current situation,
this paper mainly studies the band of the mine radio communication and propagation attenuation of electromagnetic waves in the rectangul 、 ararched tunnel ， a various factors on the impact of electromagnetic waves propagation which frequency、bending、branch、supporting included is analyzed in the mine tunnel，and reached 900～1000MHz is better for the operating band of the mine radio
图 2 拱形巷道
拱形巷道由于能承受较大的顶压和侧压，常用
于大巷、石门，是比较常见的巷道，拱形巷道内水
平极化和垂直极化的电磁波传输衰减公式为：
⎧ ⎪α h ⎪
=
⎡ 5.13λ 2 z ⎢
⎢⎣W 3
ε r ε r
−1
+
H3
1⎤
⎥
ε r
− 1 ⎥⎦
⎨
⎪ ⎪α v ⎩
=
⎡ 4.58λ 2 z ⎢
⎢⎣W 3
1
[5] 石庆冬,孙继平.弯曲矩形隧道电磁波衰减特性[J]. 中国矿业大学学报, 2001,30(1)：91-93.
[6] 孙继平, 魏占永.矩形隧道中的金属支护立柱对电磁 波 截 止 频 率 的 影 响 [J]. 西 安 电 子 科 技 大 学 学 报,2003,30(4)：565-568.
[7] 王一平, 肖景明. 微波传播 [M]. 修订版. 北京:人 民邮电出版社,1987:239-381.
由于矿体本身的特点和掘进设计的要求，巷道 并不是平直的，存在拐弯和分支。当电磁波传输频 率一定时，巷道越弯曲，传输衰减越大；当在同一 弯曲处时，电磁波传输频率越高，衰减越大[5]。
同时巷道内的分支会增大电磁波的传输衰减，电 磁波的传输频率越高，由分支引起的传输衰减越大。 4.4 支护对无线传输的影响
由公式（1）和（2）可知巷道内电磁波传输频 率越高，衰减越小，这是由于矿井巷道对较高频率 的电磁波形成了有效的波导。根据公式（1）和（2） 得出UHF频段的电磁波衰减曲线如图3、图4所示（参 数取值为 L = 4m 、 H = 3m 、 r = 2m 、θ = 600 ，介 电常数为10）。
图 3 矩形巷道中 UHF 频段电磁波的衰减
为了保持巷道截面的形状和尺寸，保证工作人 员的安全，矿井巷道需要支护，同时随着工作面的 不断拓宽掘进，需要进一步安装支护，而支护立柱
排数的增加可以改变电磁波传输的截止频率，支护 立柱排数越多影响越严重。同时支护立柱的高度对 电磁波传输的截止频率也有影响[6]。 4.5 粗糙、倾斜对无线传输的影响
粗糙的巷道壁，会引起漫反射，进而导致能量 损耗，电磁波传输频率越高，由粗糙引起的损耗越 小，巷道越粗糙，损耗越大。
本文对矿井无线通信系统的开发和设计具有良 好的理论和实际意义，但是由于煤矿井下的复杂性， 还存在一定的缺陷，仍需进一步完善。
参考文献
[1] 陈燕,萧英喆,萧宝瑾,等. 煤矿井下一种新型无线通 信方法的研究[J].中国煤炭,2010,36(2):59-64.
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研究与开发
综合以上因素，我们折中考虑，因此矿井无线 通信的工作频率选择在 UHF（Ultra High Frequency） 频段内即 300~3000MHz 之间。
3 电磁波在巷道内的传输衰减
为保证煤Байду номын сангаас井下无线通信的有效、畅通，本文 以矩形巷道和拱形巷道为研究对象，分析 UHF 电磁 波在巷道内的传输特性。从某种意义上来说，对煤 矿井下巷道内电磁波传输特性的研究，就是对电磁 波衰落特性的研究。 3.1 UHF 电波在矩形巷道内的传输衰减
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研究与开发
接收机内部噪声增大，起伏波动的周期变快，加大 传输损耗，致使信噪比减小，综合以上因素900～ 1000MHz为矿井无线通信的较佳工作频段（图3、图 4 中 星 号 标 注 的 是 500 ～ 1000MHz 整 数 点 的 衰 减 损 耗），而且选择该频段还便于和地面通信网连接。
communication through simulation. Key words：UHF radio wave；propagation characteristic；attenuation
1 引言
煤炭是我国的重要能源之一，占我国一次性能 源结构的 70%左右。煤矿生产及其井下环境的特殊 性，决定了煤矿对通信的依赖性比较强，矿井通信 系统在煤矿的生产调度、安全管理、监控、抢险救 灾中发挥着重要的作用。随着煤矿对通信要求的提 高，现有的有线通信已无法适应煤矿发展的需要， 研究矿井无线通信系统已经成为当前的热点，本文 主要研究矿井无线通信系统中电磁波在煤矿井下巷 道内的传输特性，掌握电磁波的传输特性对开发、 设计矿井无线通信系统和消除各种不良影响具有重 要的意义。
同时由图3、图4亦可以看出水平极化波的传输 衰减要小于垂直极化波的传输衰减，因此矿井无线 通信应尽可能要选择水平极化方式传输。 4.2 截面对无线传输的影响
由于矿井巷道截面要满足技术和经济的要求, 因此截面尺寸并不是固定的。由公式（1）和（2） 可知，当电磁波传输频率一定时，巷道截面越大，
传输衰减越小。例如半径分别为2m、2.5m、3m，θ
[8] 高峰,高泽华,文柳,等.煤矿井下人员定位系统通信解 决方案[J].数据通信,2010(2)：40-42.
作者简介 高 劲 强 （ 1984- ）， 男 ， 太 原 理 工 大 学 在 读 硕 士 研 究 生 ， 主 要 研 究 方 向为电力电子、信号检测与控制。
5 结论
由于煤矿井下电磁波传输损耗大，传输距离短， 所以应合理设置基站，采用无线中继基站的方式， 构建井下基站网络，将电磁信号覆盖整个矿井[8]。 同时应选择一个合适的工作频率，通过本文前面的 分析，并参考前人的研究成果，900～1000MHz为矿 井无线通信的较佳工作频段。为了使矿井无线通信 系统达到最优设计，在设计一个矿井无线通信系统 时，我们应从900～1000MHz之间选择一个最佳的工 作频率，由于各个矿井之间的差异，导致最佳工作 频率不一样。因此各矿应从实际出发，综合考虑巷 道内影响无线传输的各种因素，选择一个最佳的工 作频率，尽可能使电磁波传输损耗最小。
图 1 矩形巷道
矩形巷道内布置设备时，利用率高，矩形巷道
是最基本的矿井巷道截面形状，矩形巷道内水平极
化和垂直极化的电磁波传输衰减公式为：
⎧
⎡
⎪α ⎪
Eh
=4.343λ
2
z
⎢ ⎣
L3
ε1 + ε1 -1
H3
1⎤ ⎥
ε 2 -1 ⎦
⎨
⎪⎪α ⎩
Ev
=4.343λ
2
z
⎡ ⎢ ⎣
L3
1
+
ε2
⎤ ⎥
ε1 -1 H 3 ε 2 -1 ⎦
当巷道壁较平均面倾斜时，电磁波传输频率越 高，巷道越倾斜，引起的传输损耗越大[7]。 4.6 粉尘对无线传输的影响
煤矿井下存在大量粉尘, 而粉尘都是有耗介质, 会对巷道内的电磁波的传输造成衰减， 而且电磁波 传输频率越高,粉尘浓度越大, 传输衰减也越大[7]。 4.7 水汽对无线传输的影响
由于煤矿井下的湿度很大，巷道内存在大量的 水汽，同时由于粉尘的存在, 水汽分子会凝结成雾 滴。由于水汽、雾滴不是纯净的水，有半导电性质， 当电磁波穿过它们时，水汽分子吸收电磁波引起能 量损耗；雾滴不仅吸收电磁波，还使其发生散射， 使传输衰减增大；同时由于水汽会浸润巷道壁，而 湿润的巷道壁也使的电磁波传输衰减增大[7]。
（1）
其中，L 为矩形巷道的宽度，H 为矩形巷道的高度，
ε1 、 ε2 为介电常数，z 为传输距离[3]。 3.2 UHF 电波在拱形巷道内的传输衰减
H = r (1+ cosθ ) 为拱形巷道高度的最大值， εr 为介
电常数，z 为传输距离[3]。
4 影响传输损耗的因素
由于煤矿井下环境特殊、情况复杂，电磁波在 煤矿井下受限空间内的传输与地面上有很大的不 同，井下各种因素都可能对电磁波的传输产生影响， 引起能量损耗，影响通信质量。因此我们在设计一 个矿井无线通信系统的时候，要充分考虑矿井巷道 内影响电磁波传输的因素。 4.1 频率对无线传输的影响
当工作频率在高频段时，通信稳定、灵活性强、 信噪比高、信道容量大、信息传输速率高、适于宽 频带传输、便于组网，高频段的天线和设备也比较 小；同时高频段的电磁干扰比较少，传输距离远， 通信跨距大，有利于无线通信。而且由于巷道内电 磁波传输的最高截止频率达 246MHz[2]，选择较高的 频段，可以保证电磁波有效的传输。但是高频段的 电磁波绕射能力比较弱，对接收机性能的要求也比 较高，同时高频段电磁波的能量相对比较高，与本 质安全矛盾。
研究与开发
矿井无线通信系统中电磁波的传输
高劲强 陶晋宜 闫兴德
（太原理工大学电气与动力工程学院，太原 030024）
摘要 针对目前煤矿井下无线通信的状况，本文主要研究了矿井无线通信的频段以及电磁波在 矿井矩形、拱形巷道内的传输衰减，分析了在矿井巷道内频率、截面、弯曲、分支、支护等多种因 素对电磁波传输产生的影响，并通过仿真得出 900～1000MHz 为矿井无线通信的较佳工作频段。
都为 60° 的空拱形巷道内水平极化电磁波的传输衰 减曲线为：
图 5 不同截面大小的传输衰减
由上图可以看出,在相同频率的条件下，电磁波 在半径为3 m的拱形巷道内传输衰减最小。
同 时 根 据 文 献 [4] 可 知 当 电 磁 波 的 工 作 频 率 在 UHF频段时，巷道的等效半径与波长比值越大，电 磁波的传输衰减越小，当比值大于10时，电磁波在 任何巷道截面中的传输衰减都很小。 4.3 弯曲、分支对无线传输的影响
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研究与开发
[3] 张长森,田子健. UHF 电波在任意截面隧道中的传播 特性[J].辽宁工程技术大学学报,2005,24(3):384-386.
[4] 魏占永,孙继平,陆俭国.隧道横截面对电磁波传播特性 的影响[J]. 电子科技大学学报, 2003,36(6):620-623.
关键词：UHF 电波；传输特性；衰减
Electromagnetic Wave Propagation of the Mine Radio Communication System
Gao Jinqiang Tao Jinyi Yan Xingde (Taiyuan University of Technology, College of Electrical and Power Engineering, Taiyuan 030024)
ε
+
r
⎤ ⎥
ε r
−1
H3
ε r
− 1 ⎥⎦
（2）
其 中 W = 2r 为 拱 形 巷 道 宽 度 的 最 大 值 ，
图 4 拱形巷道中 UHF 频段电磁波的衰减
由图3、图4可以看出在UHF频段的低频处，电 磁波的传输衰减随频率增大急剧减小；当电磁波在 UHF频段的高频处时，随着频率增大传输衰减变化 不大。但是由于工作频率超过1000MHz时，会导致
2 矿井无线通信频段的确定
由于煤矿井下潮湿、巷道空间狭小（仅有几米 宽）、自然条件差、地形复杂，巷道内有拐角、分支 以及爆炸危险的气体等，同时巷道内还存在大量工 业干扰，致使井下无线传输损耗大，通信环境非常
恶劣[1]。因此在设计一个矿井无线通信系统时，它 的工作频率必须选择在合适的频段内。
如果矿井无线通信系统的工作频率所处的频段 较低, 由于煤矿井下低频段的工业干扰太多，导致 该系统易受井下工频电磁干扰；同时由于工作频率 比较低, 致使发射机功率偏大, 天线体积大；而且在 低频段时，数据误码率比较高，信道容量小，功耗 大，传输距离短。但是低频段电磁波的能量相对比 较低，电磁波绕射能力比较强。