埋地式无线传感器的磁感应通信天线模型

董玉莹 郝建军 牟永飞

摘 要：磁感应通信方式由于其传播特性不受介质电学特性影响、无多径效应、天线尺寸小等优点，非常适合在地层介质中或水下环境传输信号使用。然而其在近场衰减快的特点，也限制了传输距离。为增加通信距离，在Zhi Sun超材料天线模型的基础上，提出了一种改进的小型超材料天线模型，即在螺旋线圈内部增加铁氧体棒，随后又对球形超材料壳内用弱磁材料进行了填充。用Comsol对此模型进行了仿真，并比较了大半径线圈模型、大半径铁氧体模型、小半径超材料模型以及改进的小半径超材料模型在不同的填充物条件下接收端天线感应的磁场强度。仿真结果表明相同传播距离条件下，改进的小半径超材料天线方案的磁通信系统的接收端天线处的磁场强度最高;如果只对接收磁天线超材料壳内加填充材料而发送端天线壳内不加填充材料的情况下，改进的小型超材料天线模型的接收天线处耦合磁场强度相比大半径的线圈模型时接收天线的磁耦合强度提高了约20 dB.

关键词：磁感应通信;超材料;铁氧体;埋地式无线传感器

中图分类号：TN 929 文献标志码：A

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0319 文章编号：1672-9315（2019）03-0522-07

Abstract：Due to its advantages of being immune to propagation medium’s electrical characteristics and multi-path effect with small-sized antenna， magnetic induction communications are suitable for signal transmission in underground or underwater. However， fast propagation attenuation in near field limits its transmission distance. Aimed at increasing its communication range， an improved antenna model based on metamaterials， i.e.， a model with a coil wound on ferrite rod in spiral is proposed. And further spherical metamaterial shell is filled with weak-magnetic material. The model is simulated using Comsol. The magnetic fields induced by the large radius coil model， the large radius coil with ferrite rod model， the small radius metamaterial model and the improved small radius metamaterial model with different fillings compared respectively. Simulation results show that the magnetic field intensity induced by the improved small radius metamaterial antenna model is the highest among aforementioned 4 models. And when the receiver antenna are filled with the weak-magnetic materials while the sender antenna filled nothing， the magnetic field intensity in receiver end induced by the improved small-sized metamaterial antenna model is enhanced by about 20dB of compared to that of the large radius coil antenna.Key words：megnetic induction communication;metamaterial;ferrite;buried wireless sensor

0 引 言

在煤矿的地下开采过程中，时常會面临着冒顶、透水、火灾、瓦斯突出等灾害[1-2]，为预防可能发生的危险，必须加强对顶板压力、煤层内部温度、瓦斯浓度等情况的监测，这需要预先埋设传感器到顶板、侧壁和煤层当中，由于有线通信方式的局限，这些传感器和数据采集装置最好以无线通信的方式构成网络并与巷道的通信设备通信[3-4]。然而以电磁波为载波的无线地下传感器网络由于其信号在含水分的地层介质中存在着传播损耗巨大、信道不稳定以及天线尺寸大等缺点[5-6]，不适合用于无线传感器网络的节点间通信。相比电磁波，使用磁信号为载体的通信其信道环境相对稳定，不受地层介质含水率的影响，也没有多径效应导致的信号衰落，非常适合用于无线地下传感器网络节点间的通信[7-9]。但作为信号载体的磁场强度在近场传播衰减快，这极大地限制了磁感应方式的通信距离。磁感应通信方面的研究最早始于上世纪末的低频透地通信，由于要穿透几百米的地层，这种透地通信方式的使用频率很低，这就需要使用尺寸巨大的环形天线[10-11]。2010年，Zhi Sun等人建立了无线地下磁感应信道模型[12-13]，并从路径损耗和带宽等方面与电磁波通信进行对比，验证了其可行性。为了扩大通信距离，他又提出了磁感应波导技术[14-17]，即在收发端之间部署多个相互耦合的中继线圈。2013年，Seok Baede等人提出了一个小型的脉冲铁氧体磁场发生器来扩大通信距离[18]。铁氧体磁芯圆柱采用具有高磁导率和低磁损耗的锰锌材料，可通过聚合线圈天线周围的磁场扩大通信距离。2016年，Zhi Sun等人提出了一个超材料增强型的磁感应机制[19]。磁感应收发端的天线线圈被一层超材料的球形外壳包围，这一层超材料外壳的磁导率为负数，可以有效地增加线圈周围的磁场。为进一步延长磁感应通信的距离，主要从增强磁场强度的角度出发，提出了改进的小型超材料天线模型。

1 改进的超材料天线模型超材料[20-21]是一种人工复合媒质，具有天然常规介质不具备的超常的物理特性，主要有左手材（双负介质）和单负介质[22-25]（负介电或负磁导），具有放大消逝波、电磁隐身等优点。文中所用超材料是一种磁导率为负数的单负介质。普通的磁通信模型[26-27]是采用2个相互耦合的空芯线圈构成磁感应信号收发装置，发射线圈和接收线圈处于同心位置，其中心轴线与地面平行。如果在收发线圈外部都增加一层超材料球壳，会使磁感应信号穿过超材料层后能够增强电磁波近场的磁场分量，也就是说提高了接收端的磁场强度。其等效电路如图1所示。其中Rc为线圈电阻，Ω;Ls为线圈自感的实部，H;Lx为线圈自感的虚部，H;C为用于调谐电路谐振的补偿电容，F;Rl为接收器负载，Ω;Vg为信号源的电压，V;M为2个相邻线圈之间的互感，H.补偿电容取值为C=1ω20Ls;ω0=2πf，f为线圈的谐振频率。同时，普通的磁通信由于没有超材料的放大作用，其自感虚部Lx≈0.

4 结 论

1）在发射端的线圈内增加铁氧体磁芯棒能够增强其接收端的磁场强度。2）收发端球形外壳内填充物的不同也会影响接受端的磁场强度。选择只对接收端的球形外壳内添加相对磁导率为5的弱磁材料，该改进的小型超材料天线模型接收端的磁场强度比大半径的线圈模型增加约20 dB，比大半径的铁氧体模型增加约18 dB，比超材料模型增加约8 dB.因此在相同磁场强度下，改进的小型超材料天线模型的通信距离更远。

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