矿井无线传输测试分析与矿用5G优选工作频段研究

矿井移动通信系统、人员和车辆定位系统等的研发和布置,需进行矿井无线传输特性分析,优选无线工作频段,优化无线通信基站和定位分站布置。在矿井拐弯巷道、分支巷道、辅助运输大巷、掘进巷道、综采工作面中进行了350 MHz~6 GHz较大频率范围的无线传输测试,并对测试结果进行了分析,揭示了矿井无线传输特性:(1)拐弯巷道中无线传输频率越低,衰减越小,其中350 MHz~900 MHz频段的无线传输衰减最小。(2)分支巷道中无线传输频率越低,衰减越小,其中350 MHz~900 MHz频段的无线传输衰减最小。(3)辅助运输大巷中700 MHz~900 MHz频段的无线传输衰减最小。(4)掘进巷道中700 MHz~900 MHz频段的无线传输衰减最小。(5)综采工作面中433 MHz~1300 MHz频段的无线传输衰减最小。(6)在巷道断面相同的情况下,拐弯巷道中的无线传输衰减小于分支巷道,支巷发射的分支巷道中的无线传输衰减小于主巷发射的分支巷道。巷道拐弯和分支均增加了无线传输衰减。提出了煤矿井下无线通信系统的优选工作频段与天线在拐弯和分支巷道中的最佳布置方式:(1)煤矿井下无线通信系统的工作频段应优选700 MHz~900 MHz。(2)为减小巷道拐弯和分支对无线传输的影响,无线通信基站和定位分站及其天线应设置在拐弯巷道的拐点和分支巷道的分支点。研究成果已被中华人民共和国能源行业标准NB/T11546—2024《煤矿用5G通信系统通用技术条件》、NB/T11523—2024《煤矿用5G通信基站》和NB/T 11547—2024《煤矿用5G通信基站控制器》应用。

基于多频磁负超材料的心脏起搏器无线供能研究

针对植入式心脏起搏器无线供能系统频率变化发生共振失调导致传输效率低等问题,该文提出一种基于多频磁负超材料(MB-MNG)的心脏起搏器无线供能系统。首先,根据磁负超材料等效介质理论,推导了正八边形超材料设计的基本公式,建立了MB-MNG基元模型;其次,以S-S结构为例,通过仿真和实验研究了6.78 MHz、8.94 MHz和13.56 MHz频段下系统传输效率;再次,为了研究可靠性,讨论了系统与MB-MNG之间的错位情况;最后,为确保安全性,使用多物理场仿真软件研究系统的电磁安全特性,并进行温升实验。实验结果表明:在三工作频段下,基于MB-MNG的WPT系统的输出功率为3.29W、2.77W和2.87W,与传统WPT系统和加入铁氧体薄板WPT系统对比,传输效率提高了24.6%~36.5%。同时,在系统发生偏移时,仍能保持30.73%~48.41%的传输效率;60 min充电测试内组织SAR值及最大温升均符合安全标准。

无线传感节点中频域传输信号解调与控制方法

为提高无线传感网络节点中的频域传输信号抗噪能力,优化前端镜像与噪声信号处理能力,以无线传感节点中的频域传输信号为研究对象,提出一种新的信号控制与解调方法。将无线传感信号输入设计的滤波器中,通过电容器、电阻、运算放大器相互协作完成信号滤波。引入前馈补偿通路组建两级节点信号解调线路,当输出传感信号功率超过标准,便可根据超出值,以前馈补偿的方式调节增益带宽积实现解调。在传感节点中外接一个校正电路,以校正电容调节码的方式,控制传感信号频域传输特性满足正常运行标准。仿真结果表明:在1 V的电源电压下,此滤波器中心频率为2 MHz,邻近信号抑制为55 dB,镜像信号抑制为33 dB,带内纹波为0.1 dB,通带电压增益为18 dB,工作电流为382μA。验证了所提方法具有较高的频域传输信号深度处理能力,且有助于实现无线传感网络高质量通信。

11 GHz不同室内场景的WBAN信道特性研究

为了探索高频段室内无线体域网通信的可行性,对11 GHz室内无线体域网的传播特性进行了测量与研究。基于大量的测量数据,给出了11 GHz频段室内无线体域网的路径损耗、阴影效应与均方根时延扩展的统计特性。针对体对体通信时人体相对角度变化的场景,提出了一种具有相对角度影响的路径损耗模型,该模型利用了与身体角度相关的路径损耗指数、浮动截距以及身体角度因子修正相对角度变化引入的路径损耗。为了验证模型的适用性,对比分析了在小型空教室和大型会议室两种不同场景下相对角度变化对信道传播特性的影响。研究结果表明:在收发端距离固定的情况下,路径损耗指数、浮动截距和由相对角度引起的路径损耗(Path Loss caused by Relative Angle,PLRA)均与相对角度具有三角函数关系;在收发端相对角度固定时,PLRA与收发端距离无关,仅与相对角度有关。上述研究结果可以为11 GHz频段在未来室内无线体域网的使用提供理论基础与实践依据。

基于频率控制的封闭腔体微波无线输能技术

随着航空航天技术的快速发展,封闭腔体内的无线能量传输(Wireless Power Transmission,WPT)技术开始受到广泛关注.基于频率控制的WPT技术,可实现对电大封闭腔体(103×λ3)内的多方位传感器进行可控和高效的无线充电.电大腔体内的电场分布对频率的变化敏感,利用频率变化实现对封闭腔体场分布控制.实验结果表明,在S波段的1 m3腔体最高WPT传输效率为96.6%.设计的宽带整流电路实测整流效率最高为80%,整流效率高于50%的带宽为1.65 GHz.在2.401~2.495 GHz频段实现控制双接收机的不同工作状态,展现其在航空航天器等封闭空间中为传感器无线供电的应用前景.

Novel design of a compact tunable dual band wireless power transfer(TDB-WPT)system for multiple WPT applications

In this study we present the design and realization of a tunable dual band wireless power transfer(TDB-WPT)coupled resonator system.The frequency response of the tunable band can be controlled using a surface-mounted varactor.The transmitter(Tx)and the receiver(Rx)circuits are symmetric.The top layer contains a feed line with an impedance of 50Ω.Two identical half rings defected ground structures(HR-DGSs)are loaded on the bottom using a varactor diode.We propose a solution for restricted WPT systems working at a single band application according to the operating frequency.The effects of geometry,orientation,relative distance,and misalignments on the coupling coefficients were studied.To validate the simulation results,the proposed TDB-WPT system was fabricated and tested.The system occupied a space of 40 mm×40 mm.It can deliver power to the receiver with an average coupling efficiency of 98%at the tuned band from 817 to 1018 MHz and an efficiency of 95%at a fixed band of 1.6 GHz at a significant transmission distance of 22 mm.The results of the measurements accorded well with those of an equivalent model and the simulation.

川西高山峡谷地带宽窄带融合应急无线通信系统建设方法研究——以四川省雅安市建设为例

应急无线通信是应急管理信息化建设任务中至关重要的一部分,在灾害事故抢险救援过程中发挥着通信兜底的关键作用。川西高山峡谷地带地形复杂,自然灾害多发频发,应急无线通信网络需要具备更强的抗毁性和覆盖率。本文以四川省雅安市应急无线通信系统建设为例,研究采用“基站信号覆盖+无线链路组网”的方法理论,构建宽窄带融合的应急无线通信组网架构。研究提出“骨干网高点传输+次级网低点互联”相结合的多层级、多环路无线传输网络建设方法,提升网络抗毁性、容灾性和稳定性,为灾害事故抢险救援现场情报获取、音视频传输、指挥调度等业务提供高效可靠的通信保障能力,最大程度降低灾害事故损失。

低信噪比下无线声传感网络采样率偏移估计方法

现有的采样率偏移(Sampling Rate Offset,SRO)估计算法在低信噪比条件下性能严重下降.为了解决这个问题,本文提出一种基于子带二次互相关函数的频率滑动窗二次互相关(Frequency Sliding Double-Cross Correlation Processing,FS-DXCP)算法.该方法使用频域滑动窗口构建无线节点观测信号间的子带二次互相关函数矩阵,进而利用奇异值分解来自适应地消除低信噪比频段对二次互相关函数估计的影响,最后搜寻二次互相关函数的极大值点获得SRO的估计.计算机仿真实验表明:在信噪比为-5 dB时,所提方法的采样率频偏平均估计误差为4.21百万分率(part per million,ppm),这比现有的DXCP-PHAT算法的估计误差降低了约8.17 ppm.所提算法有效提升了低信噪比条件下采样率频偏的估计精度.

微波频段下的电磁场调控及其在无线通信系统中的应用研究

微波频段下的电磁场调控对于提升通信系统的性能和效率具有重要意义。文章概述微波频段的特性,以及微波频段下的电磁场调控方法,探究电磁场调控在无线通信系统中的应用关键要点,并总结应用效果评价指标。同时,文章针对当前应用存在的挑战提出一系列改进措施,以期为系统研制和应用提供方案参考和技术支撑。

基于开槽和四合扣的频带扩展重构织物天线

织物半模衬底集成空腔天线适合作为可穿戴天线进行应用,但存在带宽小的缺点。在其结构基础上,提出了一款基于开槽和四合扣的频带扩展重构织物可穿戴天线。通过在顶面添加开槽的方法实现基模频带扩展,通过在辐射开口添加金属四合扣的方法实现频带重构。该天线在四合扣断开、闭合状态下分别覆盖不同的无线体域网频带,可动态覆盖相对带宽为17.5%的频率范围(2.27~2.71 GHz)。利用电脑缝纫技术制备了实物天线,通过仿真与实测验证了设计,分析了人体、柱面弯曲对天线性能的影响。

基于WSN+UWB的室内人员定位系统设计

随着社会发展,家长对幼儿安全越来越重视,幼儿园环境安全与否直接关系到儿童的健康及生命。为保障园区内幼儿状况及安全,文章提出了一种室内人员定位系统设计,该系统在满足基本定位需求的同时,采用了超宽带(Ultra Wide Band,UWB)技术,具有穿透性强、抗干扰和功耗低等优势,其性能表现已超过蓝牙和Wi-Fi,并以UWB技术作为主要技术依据,将无线传感网络(Wireless Sensor Network,WSN)技术与UWB技术相结合,设计了一款智能化的人员看护及定位系统,测试结果证明了该系统设计可满足园区内人员监测及定位警报的需求。

煤矿井下无线传输衰减分析测试与最佳工作频段研究

5G,UWB,ZigBee,WiFi6等矿井移动通信、人员及车辆定位、无线传输等技术在煤矿井下应用,促进了煤矿安全生产和煤矿智能化建设。然而受电气防爆的限制,煤矿井下无线发射功率不大于6 W,制约着矿井无线传输距离,增加了基站用量和系统成本,不便于系统使用和维护。在无线发射功率受电气防爆限制的条件下,选择传输衰减较小的无线工作频段,可有效提高无线传输距离,减小基站用量和系统成本。为满足矿井无线传输工作频段选择与优化的需求,在国家能源集团国神公司三道沟煤矿的辅助运输大巷和综采工作面分别进行了700 MHz~6 GHz频段的无线传输测试,并对测试结果进行了分析,提出了矿井无线传输优选频段:(1)辅助运输大巷无线传输的最佳工作频段为700~910 MHz。(2)综采工作面无线传输的最佳工作频段为700~1710 MHz。(3)辅助运输大巷无线传输衰减比综采工作面无线传输衰减小,且随着频率增大,辅助运输大巷与综采工作面无线传输衰减的差值变小。(4)矿井无线传输的最佳工作频段为700~1710 MHz。

Wireless Energy Harvesting Using Rectenna Integrated with Voltage Multiplier Circuit at 2.4 GHz Operating Frequency

In this paper, we utilized villared rectifier technique to harvest wireless energy to overcome previously used RF-WEH rectenna. Our design focuses mainly on a multiple-stage Villard voltage multiplier model to rectify the output voltage of the rectenna and transferred it to a dc load. As a starting point, optimization and parameter analysis offer a novel and small antenna for the 2.45 GHz ISM band that precisely matched. Moreover, the fabricated prototype has measured and simulated results have confirmed the antenna’s accuracy in the reflection coefficient. Second, a highly efficient antenna may effectively harvest the electrical energy by combining with the two-stage voltage multiplier circuit presented at the ISM band. Furthermore, the proposed rectenna has the optimum performance compared to state of art rectennas in terms of efficiency, power range, and impedance bandwidth showing pronounced achievement and increasing the DC output power significantly. The prototype is fabricated and experimentally tested to confirm the concept. Measurement results show that the proposed rectenna can be used for RF energy harvesting applications.

New band-notched UWB antenna

A simple and compact ultra wideband （UWB） printed monopole antenna with band-notched performance is proposed in this paper. The antenna is partially grounded so that the Q value is depressed and the impedance bandwidth is broadened. A small strip bar is loaded on each arm of the similar U-shaped radiator. The impedance bandwidth of the antenna overlap with IEEE 802.11a is rejected consequently. The geometry parameters of the antenna are investigated and optimized with HFSS. The measured bandwidth of the proposed antenna occupies about 7.89 GHz covering from 3.05 GHz to 10.94 GHz with expected notched band from 4.96 GHz to 5.98 GHz. A quasi-omnidirectional and quasi-symmetrical radiation pattern in the whole band is also obtained. As a result, a UWB wireless communication system can be simplified with the band-notched UWB antenna presented.

一种基于NB-IoT的无线井下数据采集终端设计

针对城市窨井数量大、位置分散、安全事故频发、管理困难等问题,设计出一种基于窄带物联网技术(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT)的井下数据无线采集终端。终端采用低功耗STM32芯片作为主控制器,NB-IoT无线通信模块采用BC26模组,数据采集终端具有自动采集数据、主动预警、初始蓝牙配置等功能。实验结果表明:所设计的无线采集终端功耗低、稳定性高,让城市井盖管理更加智能化,让故障检修更加便捷化,提高城市管理的智能化水平。

Multi-Band Rectangular Patch End-Fire Antenna Array

A novel multi-band end-fire antenna array was designed, fabricated, and characterized. Analytical calculations were carried out to determine the critical antenna dimensions and the design was optimized using a 3D electromagnetic finite-element solver. The measured results were in good agreement with the designed results. The proposed antenna array exhibits multi-band capabilities which can be potentially used for applications that require a multi-band end-fire radiation pattern.

Design and Analysis of a Compact Band Notch UWB Antenna for Body Area Network

This paper presents the design of a small printed ultra wideband antenna with Band Notched characteristics. Both the free space and on-body performances of this antenna were investigated through simulation. The newly designed UWB antenna is more revised small form factor sized, with the ability to avoid interference caused by WLAN (5.15 - 5.825 GHz) and WiMAX (5.25 - 5.85 GHz) systems with a band notch. The return loss response, gain, radiation pattern on free space of the antenna were investigated. After that, the on-body performances were tested on 3-layer human body model with radiation pattern, gain, return loss, and efficiency at 3.5, 5.7, 8, 10 GHz and all the results were compared with free space results. As the on-body performance was very good, the proposed antenna will be suitable to be used for multi-purpose medical applications and sports performance monitoring.

基于带状线的混合模态涡旋波天线设计

鉴于涡旋电磁波所体现出的独特空间电磁场分布特征,以及其携带的轨道角动量在理论上所具有的无穷维度模态正交特性,涡旋电磁波在无线通信领域和雷达探测与成像领域均表现出重要的研究价值和应用潜力;从涡旋电磁波的电磁场分布和原理入手,针对当前混合模态涡旋波天线结构尺寸大、模态干扰大的问题,设计了一种基于带状线的叠层结构的抗干扰混合模态涡旋电磁波阵列天线;在C波段设计叠层结构的混合模态天线阵列,并基于带状线屏蔽性能优势设计1分4和1分8两种馈电网络,以及进行实物加工和近、远场测试;通过加入软件无线电平台,搭建无线收发传输链路,验证该天线阵列多路信号传输特性能正确解复用且隔离度较好,实现频谱效率的提升。

基于带状无线传感器网络的实时智能数据收集算法

为减少在带状无线传感器网络下数据传输延时,提出一种基于数据压缩和线路调度的实时智能数据收集算法.首先通过对采集数据进行变换训练评估数据相关性,确定分割编码最长尺度,以此重编码实现冗余信息压缩;然后计算数据收集占用的最大时间槽长度,调度网络收集链路,最小化时延;最后通过多路径传输机制构建传输能耗模型,利用Lagrange函数算法求解,完成数据收集.仿真实验结果表明,该算法网络负载均衡,数据收集传输时延较小,能量消耗小,鲁棒性较好.

一种双频段可切换3-Bit相位调控智能超表面

随着6G技术的快速发展,传统大规模阵列技术成本高、功耗大、复杂度高等问题愈发严重。而智能超表面凭借其实时调控空间电磁波幅度、相位、极化、频率以及传播方向的能力,有望实现人为主动重构无线信道的愿景。为了能够提升智能超表面在无线通信中调控电磁波的能力,设计了一种可在两个频段工作的3-Bit相位调控智能超表面。该超表面单元上集成了一个PIN二极管和一个变容管,用以联合控制超表面的工作频段和相位响应。全波仿真结果首先展示了智能超表面单元的相位调控及频率可重构性能,继而在之后验证了其阵面波束调控功能。该款智能超表面有望实现多频段无线信号覆盖增强,重构无线传播环境,为6G技术的发展提供支持。