煤礦生產(chǎn)及其井下環(huán)境的特殊性，決定了煤礦對(duì)通信的依賴性比較強(qiáng)，礦井通信系統(tǒng)在煤礦的生產(chǎn)調(diào)度、安全管理、監(jiān)控、搶險(xiǎn)救災(zāi)中發(fā)揮著重要的作用。隨著煤礦對(duì)通信要求的提高，現(xiàn)有的有線通信已無(wú)法適應(yīng)煤礦發(fā)展的需要。作者主要研究礦井無(wú)線通信系統(tǒng)中電磁波在煤礦井下巷道內(nèi)的傳輸特性，掌握電磁波的傳輸特性對(duì)開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)礦井無(wú)線通信系統(tǒng)和消除各種不良影響具有重要的意義。

礦井無(wú)線通信工作頻率的確定

由于煤礦井下潮濕、巷道空間狹小（僅有幾米寬）、自然條件差、地形復(fù)雜，巷道內(nèi)有拐角、分支以及爆炸危險(xiǎn)的氣體等，同時(shí)巷道內(nèi)還存在大量工業(yè)干擾，致使井下無(wú)線傳輸損耗大，通信環(huán)境非常惡劣。因此在設(shè)計(jì)一個(gè)礦井無(wú)線通信系統(tǒng)時(shí)，它的工作頻率必須選擇在合適的頻段內(nèi)。

如果礦井無(wú)線通信系統(tǒng)的工作頻率所處的頻段較低, 由于煤礦井下低頻段的工業(yè)干擾太多，導(dǎo)致該系統(tǒng)易受井下工頻電磁干擾；同時(shí)由于工作頻率比較低, 致使發(fā)射機(jī)功率偏大, 天線體積大；而且在低頻段時(shí)，數(shù)據(jù)誤碼率比較高，信道容量小，功耗大，傳輸距離短。但是低頻段電磁波的能量相對(duì)比較低，電磁波繞射能力比較強(qiáng)。

當(dāng)工作頻率在高頻段時(shí)，通信穩(wěn)定、靈活性強(qiáng)、信噪比高、信道容量大、信息傳輸速率高、適于寬頻帶傳輸、便于組網(wǎng)，高頻段的天線和設(shè)備也比較小；同時(shí)高頻段的電磁干擾比較少，傳輸距離遠(yuǎn)，通信跨距大，有利于無(wú)線通信。而且由于巷道內(nèi)電磁波傳輸?shù)淖罡呓刂诡l率達(dá)246MHz[2]，選擇較高的頻段，可以保證電磁波有效的傳輸。但是高頻段的電磁波繞射能力比較弱，對(duì)接收機(jī)性能的要求也比較高，同時(shí)高頻段電磁波的能量相對(duì)比較高，與本質(zhì)安全矛盾。

綜合以上因素，我們折中考慮，因此礦井無(wú)線通信的工作頻率選擇在UHF（Ultra High Frequency）頻段內(nèi)即300-3000MHz之間。

礦井巷道內(nèi)影響電磁波傳輸?shù)囊蛩?/h1>

保證煤礦井下無(wú)線通信的有效、暢通，作者以矩形巷道和拱形巷道為研究對(duì)象，分析UHF電磁波在巷道內(nèi)的傳輸特性。從某種意義上來(lái)說(shuō)，對(duì)煤礦井下巷道內(nèi)電磁波傳輸特性的研究，就是對(duì)電磁波衰落特性的研究。

由于煤礦井下環(huán)境特殊、情況復(fù)雜，電磁波在煤礦井下受限空間內(nèi)的傳輸與地面上有很大的不同，井下各種因素都可能對(duì)電磁波的傳輸產(chǎn)生影響，引起能量損耗，影響通信質(zhì)量。因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)一個(gè)礦井無(wú)線通信系統(tǒng)的時(shí)候，要充分考慮礦井巷道內(nèi)影響電磁波傳輸?shù)囊蛩亍?/p>

頻率對(duì)無(wú)線傳輸?shù)挠绊?/strong>

巷道內(nèi)電磁波傳輸頻率越高，衰減越小，這是由于礦井巷道對(duì)較高頻率的電磁波形成了有效的波導(dǎo)。由分析而知，礦井無(wú)線通信應(yīng)盡可能要選擇水平極化方式傳輸。

截面對(duì)無(wú)線傳輸?shù)挠绊?/strong>

由于礦井巷道截面要滿足技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的要求, 因此截面尺寸并不是固定的。當(dāng)電磁波傳輸頻率一定時(shí)，巷道截面越大，傳輸衰減越小。在相同頻率的條件下，電磁波在半徑為3 m的拱形巷道內(nèi)傳輸衰減最小。當(dāng)電磁波的工作頻率在UHF頻段時(shí)，巷道的等效半徑與波長(zhǎng)比值越大，電磁波的傳輸衰減越小，當(dāng)比值大于10時(shí)，電磁波在任何巷道截面中的傳輸衰減都很小。

彎曲、分支對(duì)無(wú)線傳輸?shù)挠绊?/strong>

由于礦體本身的特點(diǎn)和掘進(jìn)設(shè)計(jì)的要求，巷道并不是平直的，存在拐彎和分支。當(dāng)電磁波傳輸頻率一定時(shí)，巷道越彎曲，傳輸衰減越大；當(dāng)在同一彎曲處時(shí)，電磁波傳輸頻率越高，衰減越大。同時(shí)巷道內(nèi)的分支會(huì)增大電磁波的傳輸衰減，電磁波的傳輸頻率越高，由分支引起的傳輸衰減越大。

支護(hù)對(duì)無(wú)線傳輸?shù)挠绊?/strong>

為了保持巷道截面的形狀和尺寸，保證工作人員的安全，礦井巷道需要支護(hù)，同時(shí)隨著工作面的不斷拓寬掘進(jìn)，需要進(jìn)一步安裝支護(hù)，而支護(hù)立柱排數(shù)的增加可以改變電磁波傳輸?shù)慕刂诡l率，支護(hù)立柱排數(shù)越多影響越嚴(yán)重。同時(shí)支護(hù)立柱的高度對(duì)電磁波傳輸?shù)慕刂诡l率也有影響。

粗糙、傾斜對(duì)無(wú)線傳輸?shù)挠绊?/strong>

粗糙的巷道壁，會(huì)引起漫反射，進(jìn)而導(dǎo)致能量損耗，電磁波傳輸頻率越高，由粗糙引起的損耗越小，巷道越粗糙，損耗越大。當(dāng)巷道壁較平均面傾斜時(shí)，電磁波傳輸頻率越高，巷道越傾斜，引起的傳輸損耗越大。

粉塵對(duì)無(wú)線傳輸?shù)挠绊?/strong>

煤礦井下存在大量粉塵, 而粉塵都是有耗介質(zhì), 會(huì)對(duì)巷道內(nèi)的電磁波的傳輸造成衰減， 而且電磁波傳輸頻率越高,粉塵濃度越大, 傳輸衰減也越大。

水汽對(duì)無(wú)線傳輸?shù)挠绊?/strong>

由于煤礦井下的濕度很大，巷道內(nèi)存在大量的水汽，同時(shí)由于粉塵的存在, 水汽分子會(huì)凝結(jié)成霧滴。由于水汽、霧滴不是純凈的水，有半導(dǎo)電性質(zhì)，當(dāng)電磁波穿過(guò)它們時(shí)，水汽分子吸收電磁波引起能量損耗；霧滴不僅吸收電磁波，還使其發(fā)生散射，使傳輸衰減增大；同時(shí)由于水汽會(huì)浸潤(rùn)巷道壁，而濕潤(rùn)的巷道壁也使的電磁波傳輸衰減增大。

作者最后指出，由于煤礦井下電磁波傳輸損耗大，傳輸距離短，所以應(yīng)合理設(shè)置基站，采用無(wú)線中繼基站的方式，構(gòu)建井下基站網(wǎng)絡(luò)，將電磁信號(hào)覆蓋整個(gè)礦井。同時(shí)應(yīng)選擇一個(gè)合適的工作頻率，通過(guò)本文前面的分析，并參考前人的研究成果，900～1000MHz為礦井無(wú)線通信的較佳工作頻段。

為了使礦井無(wú)線通信系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)一個(gè)礦井無(wú)線通信系統(tǒng)時(shí)，我們應(yīng)從900～1000MHz之間選擇一個(gè)最佳的工作頻率，由于各個(gè)礦井之間的差異，導(dǎo)致最佳工作頻率不一樣。因此各礦應(yīng)從實(shí)際出發(fā)，綜合考慮巷道內(nèi)影響無(wú)線傳輸?shù)母鞣N因素，選擇一個(gè)最佳的工作頻率，盡可能使電磁波傳輸損耗最小。

（編自《電氣技術(shù)》，原文標(biāo)題為“礦井無(wú)線通信系統(tǒng)中電磁波的傳輸”，作者高勁強(qiáng)、陶晉宜 等。）