[发明专利]一种基于低功率电小天线的地下低频无线通信系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于低功率电小天线的地下低频无线通信系统，属于地表下低频通信系统集成电路设计的技术领域，特别涉及一种实现埋设在土壤中的节点间低频通信的电小天线（ESA，electrically small antenna）的设计。

背景技术

无线地下传感器网络（WUSN）可以实现地下环境的监测，诸如土壤中的水和矿物质的含量，油藏的石油泄漏，板块运动，山体滑坡以及地震的监测，是目前相当活跃和有前途的研究领域。然而，由于传输介质不再是空气，而是土壤，岩石和水，无线通信对于地下环境来说具有一定的挑战。对于地下信道，为了绕过岩石等障碍物，技术人员必须使用低频通信，这使得天线尺寸非常大，不适合埋设在地下。从而导致了使用电磁波（EM）完善的无线信号传播技术不能很好的在地下环境中工作。因此，在保证低频通信的条件下，如何缩小天线尺寸成为目前实现地下通信的研究的重点和难点，也是当前低频地下通信的研究热点之一。

代替传统的电磁波无线通信，利用感应磁场进行通信，是可以解决地下通信大尺寸天线的关键技术之一。磁感通信可以使天线尺寸远小于波长，加之其通信距离远，衰减小，所以其更适用于频率低的无线地下传感器网络系统。

目前，地下通信的研究主要集中在矿井区，隧道，地下车库等地下空旷的环境，并且仍然利用高频电磁波进行通信，由于技术难度的问题，利用磁感进行通信的研究少之又少。进行此项研究的主要有以下两个单位：1）佐治亚理工大学的SunZhi通过对比电磁波（EM）和磁感通信（MI）的路径损耗以及带宽，提出一种增加传播距离的方法。他们在矿井区进行实验，对信道模型，信道容量等进行研究。但是，其传播介质仍然是空气，并不是将节点埋在土壤中。2）帝国理工大学的R.R.A.Syms对线形和十字形拓扑结构布阵的带宽，能量密度，不同介质的发射折射等进行理论研究。另外，其学生对其工作进行总结，从其他角度进行仿真，但是都止步于理论分析，并没有进行实际的实验。

通信的天线尺寸大小与具体实现相关，目前通信系统采用电磁波通信方式，由于天线长度与通信波长相比拟，使得在甚低频通信的情况下，天线尺寸达到几千米，不易于节点的埋设；而支持电磁波通信的系统，应用到土壤中通信时，其发射功率也要求非常大，这需要我们对地下通信问题重新规划。

发明内容

针对于上述技术缺陷，本发明基于磁感应原理设计一种小尺寸甚低频磁感电小天线，使仅用较小的发射功率便能使接收端天线的耦合信号功率达到可分辨级别，并为接收端设计一款解决工频干扰的模拟滤波以及多级放大电路，同时基于现场可编程阵列FPGA实现本通信系统中的数字调制、解调。本系统可用与地下——地下以及地下——地面间的定向无线通信，可作为独立模块完成地下传感器数据向地面接受装置的中短距离无线传输。

该通信系统包括顺序连接的发送端FPGA数字控制模块、功率放大及阻抗匹配模块、小尺寸甚低频发射天线、小尺寸甚低频接收天线、接收端滤波放大模块、接收端FPGA数字控制模块、上位机。发送端FPGA数字控制系统和接收端FPGA数字控制模块，其包括cyclone II芯片、flash芯片、A/D转换芯片、D/A转换芯片、通道选择芯片。其中cyclone II芯片为Altera公司的中低端FPGA，用来实现调制逻辑、D/A接口驱动逻辑、A/D接口驱动逻辑、解调逻辑；flash芯片为外置64M的flash用来存储接收数据；A/D转换芯片为8位A/D转换芯片用来产生调制后的模拟信号；D/A转换芯片为8位D/A转换芯片用来对接收端放大后的信号进行采样；通道选择芯片用来控制D/A采集不同放大倍数的信号。

所述功率放大及阻抗匹配模块是由功率放大电路和阻抗匹配电路构成的发射端模拟电路，其中，功率放大电路由运算放大器进行前级放大，由功率三极管构成准互补输出级电路以提高电流输出能力，阻抗匹配电路包括使电路的输出阻抗与负载电路的输入阻抗相匹配的变压器，从而使负载获得最大功率。