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本文作者：何媛司徒夢(mèng)天單位：總參第六十一研究所

1.引言

礦井下的通信問(wèn)題,特別是采掘工作面與其它工作面的通信問(wèn)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(guò)程中,有時(shí)還會(huì)遇到冒頂、坍塌、瓦斯爆炸等事故,急需救援,這就對(duì)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(dòng)工作人員和運(yùn)動(dòng)車輛,對(duì)第一線采掘面上的工人來(lái)說(shuō),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(shí)暢通,于是國(guó)內(nèi)外又進(jìn)行了礦井無(wú)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(guó)和比利時(shí)得到應(yīng)用。到了八十年代,日本、西德、美國(guó)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(guó)現(xiàn)已具備了生產(chǎn)漏泄電纜的能力,漏泄電纜已在幾個(gè)大煤礦得到應(yīng)用。漏泄電纜的使用開(kāi)辟了礦井通信的新時(shí)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(wú)線通信提供了方便。但是,漏泄電纜造價(jià)較高,又要專門架設(shè),對(duì)中小型煤礦來(lái)講很不經(jīng)濟(jì)。近年來(lái),美國(guó)、西德等國(guó)又開(kāi)始研究利用礦井內(nèi)現(xiàn)有線纜來(lái)導(dǎo)引電磁波的感應(yīng)式無(wú)線通信系統(tǒng),西德已開(kāi)始使用感應(yīng)式無(wú)線電話系統(tǒng)。目前,我國(guó)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(gè)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(wú)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(gè)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(wú)線通信系統(tǒng),既可以解決采掘面的通信問(wèn)題,又可以節(jié)省開(kāi)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(duì)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(wèn)題的分析與計(jì)算時(shí),我們首先需要建立一個(gè)與實(shí)際情況接近的簡(jiǎn)化的理想模型,否則,一開(kāi)始便會(huì)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(shí),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(zhǎng)波電臺(tái)使用頻率范圍內(nèi),由于電波波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于巷道截面尺寸,巷道截面尺寸的變化對(duì)電波傳播影響不大。據(jù)此,我們建立以下理想模型,見(jiàn)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(duì)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(zhǎng)金屬導(dǎo)體,如照明線和通風(fēng)管。下面就來(lái)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(shí)

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(zhǎng)時(shí),就可用細(xì)電纜近似條件,將電纜用一簡(jiǎn)單的表面阻抗來(lái)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(jiǎn)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(gè)無(wú)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(lái),故而對(duì)于單線波模來(lái)說(shuō),其傳播常數(shù)接近于TEM模的傳播常數(shù)jk。。由電磁場(chǎng)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(shí),電磁場(chǎng)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(chǎng)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(jiàn)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(shí)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(shí)回流電阻增大,衰減率當(dāng)然也隨之增大。

(2)對(duì)相同的Pc/a來(lái)說(shuō),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(shí),單線波模衰減率對(duì)隧道半徑的依賴性減小,因此對(duì)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(shí)

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(shí),隧道內(nèi)能承載兩個(gè)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(zhǎng)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(duì)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(guò)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(shí),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(shí),電纜的存在對(duì)X向電偶極子的輸入阻抗無(wú)影響。

(2)對(duì)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(shí),電纜對(duì)其輸入阻抗影響最大,兩者間禍合最強(qiáng);但當(dāng)功時(shí),電纜對(duì)其輸入阻抗無(wú)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(duì)法線與它平行的小環(huán)天線的輸入阻抗無(wú)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(jiàn)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(dòng)力電纜一直延伸的巷道中(含兩個(gè)拐彎),當(dāng)通信距離達(dá)500~60。米時(shí)信號(hào)未見(jiàn)明顯的衰減,但當(dāng)電纜和照明線中斷或拐到其它巷道時(shí),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(wú)禍合。另外,在房山人防工事內(nèi),我們測(cè)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(jí)和變化趨勢(shì)是相同的。