礦井內(nèi)通信理論的分析范文
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本文作者：何媛司徒夢天單位：總參第六十一研究所
1.引言
礦井下的通信問題,特別是采掘工作面與其它工作面的通信問題一直巫待解決。礦區(qū)分布較廣,井下通信條件惡劣,這表現(xiàn)在井下濕度很大.設(shè)備較多、靠近工作點(diǎn)噪聲電平很高。在采礦過程中,有時還會遇到冒頂、坍塌、瓦斯爆炸等事故,急需救援,這就對井下通信設(shè)備使用的便利與可靠性提出了更高的要求。礦井內(nèi)最早使用的是有線電話通信系統(tǒng),由于電話安裝在固定位置,不適用于游動工作人員和運(yùn)動車輛,對第一線采掘面上的工人來說,使用就更不方便了,往往要走十幾米甚至幾十米才能到達(dá)電話位置。因此,有線通信系統(tǒng)并不能保證井下通信的及時暢通,于是國內(nèi)外又進(jìn)行了礦井無線通信系統(tǒng)的研制。七十年代,漏泄電纜通信系統(tǒng)研制成功并首先在英國和比利時得到應(yīng)用。到了八十年代,日本、西德、美國也都相繼在巷道和隧道內(nèi)設(shè)置了漏泄電纜通信系統(tǒng)。我國現(xiàn)已具備了生產(chǎn)漏泄電纜的能力,漏泄電纜已在幾個大煤礦得到應(yīng)用。漏泄電纜的使用開辟了礦井通信的新時代。由于它具有抗干擾能力強(qiáng)及和收發(fā)話機(jī)的天線禍合容易的特點(diǎn),因此為井下遠(yuǎn)距離的無線通信提供了方便。但是,漏泄電纜造價較高,又要專門架設(shè),對中小型煤礦來講很不經(jīng)濟(jì)。近年來,美國、西德等國又開始研究利用礦井內(nèi)現(xiàn)有線纜來導(dǎo)引電磁波的感應(yīng)式無線通信系統(tǒng),西德已開始使用感應(yīng)式無線電話系統(tǒng)。目前,我國大部分礦井內(nèi)仍采用有線電話系統(tǒng),僅在大同礦務(wù)局等幾個大礦的主干巷道內(nèi)架設(shè)了漏泄電纜。天津煤礦專用設(shè)備廠引進(jìn)西德技術(shù)生產(chǎn)的感應(yīng)式無線電話系統(tǒng)在一些煤礦也得以使用,但這種系統(tǒng)仍需在整個礦區(qū)內(nèi)架設(shè)雙感應(yīng)線。因此,如能利用礦井內(nèi)現(xiàn)有線纜(特別是照明線)建立礦井感應(yīng)式無線通信系統(tǒng),既可以解決采掘面的通信問題,又可以節(jié)省開支。本文就是論證礦井巷道內(nèi)電波沿線纜傳播的可行性,并探索其傳播與衰減規(guī)律;研究電小天線與線纜間的禍合及隧道壁和線纜對電小天線輸入阻抗的影響,從而為實(shí)際工作提供理論依據(jù)。
2.巷道內(nèi)電波傳播模式的分析
2.1物理模型的建立
在進(jìn)行實(shí)際問題的分析與計(jì)算時,我們首先需要建立一個與實(shí)際情況接近的簡化的理想模型,否則,一開始便會陷入困境。從北京門頭溝煤礦的調(diào)研中發(fā)現(xiàn),巷道截面與圓形比較接近。由文獻(xiàn)〔1」可知:當(dāng)頻率低于20MHz時,單線波模衰減率與隧道截面形狀關(guān)系不大,但依賴于截面面積。后面的理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明,在中長波電臺使用頻率范圍內(nèi),由于電波波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于巷道截面尺寸,巷道截面尺寸的變化對電波傳播影響不大。據(jù)此,我們建立以下理想模型,見圖1。
2.2隧道內(nèi)電波傳播模式的分析
電波在空隧道中不能很好地傳J擊,這是由于隧道壁對電波吸收嚴(yán)重,如果隧道有拐角,則電波的衰減就更為嚴(yán)重。因此,只能在直的空隧道中進(jìn)行近距離通信。一般的隧道中都設(shè)置有線纜或長金屬導(dǎo)體,如照明線和通風(fēng)管。下面就來討論在隧道中,.毯波借助于線纜的傳播特性。
2.2.1隨道內(nèi)含一根線纜時
設(shè)電纜半徑為C,當(dāng)ZC《電纜到隧道壁距離并遠(yuǎn)小于波長時,就可用細(xì)電纜近似條件,將電纜用一簡單的表面阻抗來模似,而不需要在電纜內(nèi)部解麥克斯韋方程,從而大大地簡化了計(jì)算。包含有一根線纜的圓形隧道,除波導(dǎo)波模外,還存在一個無截止頻率的傳輸線波模,稱之為單線波模。單線波模以線纜作為內(nèi)導(dǎo)體,隧道壁為外導(dǎo)體,電流沿導(dǎo)線流出,而沿隧道壁流回來,故而對于單線波模來說,其傳播常數(shù)接近于TEM模的傳播常數(shù)jk。。由電磁場理論可知,在一充滿某種均勻媒質(zhì)的體積中,當(dāng)存在一Z方向電流時,電磁場可以從其Z向電赫茲位和Z向磁赫茲位推導(dǎo)出。經(jīng)計(jì)算,電纜產(chǎn)生的場可由下列軸向電赫茲位解此波模方程,可求出單線波模的傳播常數(shù)廠,下面給出單線波模衰減率a隨電纜位置、頻率和隧道壁參數(shù)變化的特性曲線,見圖2、圖3、圖4。其中電纜材料取為銅從以上曲線中可以看出:
(l)單線波模衰減率當(dāng)電纜靠近隧道壁時增大。這是因?yàn)殡娎|越靠近隧道壁,沿壁返回的電流就越不均勻,更集中在與導(dǎo)線靠近的那一部分壁上,這時回流電阻增大,衰減率當(dāng)然也隨之增大。
(2)對相同的Pc/a來說,衰減率隨隧道半徑的增大而減小。這是因?yàn)樗淼腊霃皆龃?電流沿壁的回流面積增大,回流電阻減小,衰減率當(dāng)然也隨之減小。
(3)單線波模衰減率隨頻率升高而增大。這是因?yàn)轭l率升高使趨膚深度減小,回流電阻增大。但頻率降低,收發(fā)天線效率低,與電波禍合差。綜合考慮,選用中頻較好。
(4)頻率降低時,單線波模衰減率對隧道半徑的依賴性減小,因此對隧道截面形狀的依賴性也減小了。
(5)隧道壁電導(dǎo)率的增加,一方面使趨膚深度減小,造成回流電阻增大,導(dǎo)至單線波模衰減率增大,另一方面,由于歐姆損耗減小,又能使回流電阻減小,單線波模衰減率減小,這兩種效應(yīng)總的結(jié)果決定著單線波模衰減率的增減。
2.2.2隨道內(nèi)含多根線纜時
設(shè)隧道內(nèi)有。條線纜,位置為第f條線纜的比外阻抗為半徑為載流為,在細(xì)電纜近似和忽略線纜間互禍的條件下,可求得波模方程為:當(dāng)隧道內(nèi)只含兩條線纜時,隧道內(nèi)能承載兩個具有傳輸線特性的波模,即單線波模和雙線波模,它們的幾/I:比值分別接近于+1和一1。值得一提的是,漏泄電纜和雙感應(yīng)線的傳播機(jī)制正是如此。
3.隧道內(nèi)電小天線和波模之間的藕合
在中頻范圍,波長遠(yuǎn)大于隧道截面尺寸和收發(fā)信機(jī)的天線尺寸。因此,所用的線天線和環(huán)天線可等效為電偶極子和磁偶極子。電偶極子在自由空間的輸入阻抗為位于隧道內(nèi)的電小天線,輻射能量的一部分被隧道壁所吸收,使得其輸入阻杭增大。由于電小天線和線纜間的禍合,一也使得電小天線的輸入阻抗發(fā)生變化。令Z才代表由于隧道壁影響而使偶極子輸入阻抗增加的那一部分,Z。代表隧道內(nèi)的線纜對偶極子輸入阻抗的影響,則在含有線纜的隧道中,偶極子的輸入阻抗為:其中Z。為偶極子在自由空間的輸入阻抗。通過研究電小天線與線纜之間的禍合,我們可得如下結(jié)論:
(l)電纜的存在使橫向放置(指在X一Y平面)的電偶極子的輸入阻抗增大。當(dāng)必時,X向放置的電偶極子與電纜間禍合最強(qiáng);但是當(dāng)必。一功。時,電纜的存在對X向電偶極子的輸入阻抗無影響。
(2)對法線為橫向的小環(huán)天線,電纜使其輸入阻抗增大。設(shè)小環(huán)天線的法線為X向,則當(dāng)功時,電纜對其輸入阻抗影響最大,兩者間禍合最強(qiáng);但當(dāng)功時,電纜對其輸入阻抗無影響。
(3)電纜使與它平行放置的電偶極子的輸入阻抗減小,但對法線與它平行的小環(huán)天線的輸入阻抗無影響。
(4)偶極子離電纜越遠(yuǎn),它們間的禍合越弱。
(5)偶極子與電纜的禍合,隨頻率的升高而增大。因此,在實(shí)際工作中,應(yīng)將偶極子和小環(huán)天線橫向放置,見圖6、圖7,并避免出現(xiàn)圖4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果1989年,在北京門頭溝煤礦的兩次實(shí)驗(yàn)中,所用頻率為25okHz~4。。kH二,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在動力電纜一直延伸的巷道中(含兩個拐彎),當(dāng)通信距離達(dá)500~60。米時信號未見明顯的衰減,但當(dāng)電纜和照明線中斷或拐到其它巷道時,通信距離僅為10米左右,這就驗(yàn)證了電波沿巷道內(nèi)線纜傳播的可行性。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明,在圖7所示情形下,電纜與小環(huán)天線禍合最強(qiáng);而在圖g所示情形下,電纜與小環(huán)天線間無禍合。另外,在房山人防工事內(nèi),我們測試了不同頻率下的單線波模衰減率。圖10為實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果的比較。從圖中可看出,兩者的數(shù)量級和變化趨勢是相同的。