礦用漏泄通信

藉助漏泄饋線導行電磁波的原理實現礦井移動通信的無線通信。漏泄饋線兼有射頻信號傳輸 線和天線的作用，可有效地改善煤礦井下無線電波不 能遠距離傳播的缺陷，特別適用於煤礦井下、隧道等地下有限空間的場合，藉以實現固定點(設有基地台)和非固定點 (備有移動台)之間的移動通信。

基本介紹

• 中文名：礦用漏泄通信
• 外文名：mine leaky feeder communi cation 
• 學科：礦山工程
• 適用範圍：煤礦井下
• 原理：漏泄饋線導行電磁波
• 實質：無線通信

基本系統組成和工作原理

基本的漏泄通信系統 由沿巷道敷設的漏泄饋線、與饋線直接連線的基地台、 與饋線實現無線偶合的若干個移動台等組成(圖1)。

基地台與移動台通信時，基地台的發射機向漏泄 饋線饋送射頻信號，通過饋線的傳輸，與移動台天線偶 合，進入移動台接收機;或反之由移動台發射機發射， 偶合到漏泄饋線，再傳輸到基地台的接收機。

移動台相互之間一般不能直接通信而需藉助基地 台轉發。這是因為移動台間直接通信要求射頻信號的 傳輸通過兩次偶合，其偶合總損耗相當大，超過了移動 台發射功率和接收靈敏度所允許的正常範圍。

系統的無線電收發信機可按不同要求設計工作於 同頻單工、異頻單工、或異頻雙工等工作方式。中國應 用較多的是基地台異頻雙工，移動台異頻單工，工作頻 率範圍為甚高頻段。

受漏泄饋線傳輸衰耗的限制，基本系統的通信距 離較短，為數百米以至千餘米。在要求通信覆蓋面寬的 場合，應藉助於中繼器，或採用多個基地台組網。

漏泄饋線

漏泄通信系統的關鍵傳輸媒體，是一 種具有“開放”(即無電磁禁止)或“半開放”(即部分 電磁禁止)式結構的射頻傳輸線，當信號沿該線縱向傳 輸的同時，還通過其結構上的開放部分向其周圍輻射， 從而實現射頻信號能量由傳輸線向周圍空間“漏泄”; 反之，線周圍空間中射頻電磁波的能量也可通過其開 放處進入饋線而參與其縱向沿線的傳輸過程，形成饋 線內外電磁波能量的相互交換。

按漏泄饋線的結構特點，可分為連續漏泄饋線和 非連續漏泄饋線兩大類，兩者還可進一步分類如下：

連續漏泄饋線

沿線連續產生漏泄效應的傳輸 線。早期的連續漏泄饋線是一種扁平狀平行雙導線，屬 “開放”式結構。在該線的一端輸入射頻信號，則在其 周圍沿線可測到較強的漏泄場。但這種饋線現已不再 推廣套用，主要原因是傳輸效率低，並且在井下環境 中，當其表面受潮濕、煤塵、岩塵等污染，或安裝貼近 巷道壁或金屬體時，其性能急劇惡化。

近年，世界各國先後研製了各種以同軸電纜為基 礎的漏泄饋線並已達到商品化，稱漏泄同軸電纜，簡稱 漏泄電纜。這種電纜的外導體具有按一定規律開孔、開 槽、或導線疏編織等“半開放”式結構(下頁圖2)。各 國生產的漏泄電纜結構不盡相同，中國煤礦目前套用 的系疏編織開辮型結構。

處於巷道中的漏泄電纜當饋以射頻信號時，信號 主要以兩種模式沿線傳輸：單線模式和雙線模式。每種 模式對應著一種特定的電磁場分布。單線模式的場主要存在於電纜外導體與巷道壁之間，是構成漏泄場的 主要因素。由於與本模式相連繫的電流系通過有損煤 質巷道壁流通，在傳輸過程中損耗較大。雙線模式的場 主要存在於電纜的內外導體之間，故在 這裡又稱為同軸模。與本模式相連繫的 電流系通過良導體—電纜的內外導體流 通，傳輸衰減甚小。兩種電磁波通過電纜 外導體的開放處不斷地交換著能量，使 兩者能量的分配達到某種動平衡。調整 開放結構的形狀和尺寸，可調整兩者的 比例，從而達到既獲得所需的漏泄場，又 能高效率傳輸的目的。

影響漏泄電纜性能的是其內外導 體、絕緣體和外層護套的結構尺寸和均 勻性、絕緣體的材質、空氣介質的比例以 及禁止結構的型式等。其主要性能參數是內外導體的 直流電阻、特性阻抗、傳輸損耗和偶合損耗等。傳輸損 耗是指電磁波在漏泄電纜中縱向傳播過程中單位長度 上的功率損耗。偶合損耗是指漏泄電纜和附近天線之 間偶合的功率損耗，一般指離漏泄電纜一定垂直距離 處的半波偶極子天線所接收的功率與該處電纜內部傳 輸功率之比的分貝數。在礦井條件下使用尚應充分注 意其分布電容、電感電阻比和阻燃性能等與安全有關 的要求。

非連續漏泄饋線

將一般非漏泄同軸電纜分段斷 開，形成局部開放結構，中間插入漏泄和阻抗匹配的器 件而成。這種漏泄饋線，以非漏泄電纜為主體，其價格 比漏泄電纜便宜。但需另外連線插入裝置，增加安裝造 價。按插入器件類型，有波模轉換器插入式和漏泄段插入式。

(1)波模轉換器由電感電容等元件組成，其作用 是當射頻信號在電纜中以同軸模式傳輸到波模轉換器 處時，將部分同軸模能量轉換成單線模，同時令未轉換 的同軸模繼續前進而不產生反射。單線模在電纜外向開口處兩側傳播，形成足夠強的漏泄場供通信耦合之 需。當單線模沿線傳播而衰減到不足以滿足正常通信時，應再插入一個波模轉換器以提供所需的漏泄場。正 確設計波模轉換器中元件的參數，可對上述能量轉換 實現最佳化控制。波模轉換器的插入間隔視工作頻率、單 線模傳輸衰減及離基地台的距離而異，一般在數百米到百米之間。

這種漏泄饋線系由比利時國家採掘工業研究所 (簡稱INIEX)的德隆涅教授(P. Delogne)首先研製 成功，其相應的漏泄通信系統稱為INIEX—Delogne 系統。

(2)漏泄段插入式漏泄饋線是用適當長度的漏泄 電纜段代替上述波模轉換器而成。其與波模轉換器相 比的優點在於，當工作頻率高至甚高頻、特高頻段時， 要求波模轉換器的插入間隔甚短，一般為70～100m， 使插入裝置的數量、安裝造價上升。而漏泄段插入式同 軸電纜可以商品化，避免了在安裝過程中對傳輸電纜 的頻繁切斷和插入連線工作。

與連續漏泄饋線相比，寬間隔、短漏泄段的非連續 漏泄饋線的優點是其安裝要求較低。

漏泄通信系統組網

漏泄通信系統按是否採用中 繼放大器，分為無中繼系統和有中繼系統。前者又有單基地台系統和多基地台系統，後者又有單向中繼系統和雙向中繼系統：

無中繼單基地台系統

用於通信距離較短的情 況。漏泄電纜隨通信路徑敷設。當通信路徑有分岔時， 分岔處需接入適當的功率分配裝置，以合理分配各支 路的射頻信號功率並避免阻抗不匹配引起的反射干 擾。

無中繼多基地台系統用於通信覆蓋面較寬，超 過一個基地台覆蓋能力的情況。由若干個單基地台系 統聯網組成。多個基地台藉助電話線由地面控制站實 施聯絡控制。較成功的套用實例最早見於英國1970年 安裝在蘇格蘭Logannet礦井的系統，美國紐約等地早 期的捷運系統也採用這種組成方式。Logannet礦井采 用了約9km漏泄電纜和7km電話線對，一個地面控 制站，三個井下基地台，本安型電話安全柵和若干個手 持式無線電話機來組成系統(見圖3)。全程劃分 成三段，每段中央設一基地台，通過一對電話線從井上 對三個基地站實施聯絡控制。通道工作頻率為VHF 低段70～90MHz，該段工作頻率隨後被英國國家煤炭 局 (National Coal Board)確定為NCB制井下專用傳 輸頻段。

單向中繼系統

由漏泄電纜、按一定間隔插入電 纜段中的單向中繼放大器、基地台、移動台以及基地電 源等組成。基本特徵是漏泄電纜本身在傳輸無線電信 號的同時還饋送直流電以驅動單向中繼放大器工作， 使無線電信號在由基地台至移動台的單一方向上得到 放大以彌補線路傳輸損失。實際通信距離可延伸到 10km以上。系統的發展起源於七十年代，英國的馬丁 (D. J. R. Martin) 博士和戴維斯教授 (Q. V. Davis)作出了重要貢獻。由於中繼工作方式為單向的， 為實現自移動台到基地台的信息傳輸，研製了音頻反 饋系統和中頻反饋系統，以滿足雙向通信的要求。

(1)音頻反饋漏泄通信系統 基本特徵是基地台 發信機和基地台收信機分設在系統兩端，用電話聯絡 線完成通道全程的輔助聯結(圖4)。其不足之處是難 以實現系統分支。較成功的套用實例見於1973年安裝 在英國C礦(Cadley Hill)的系統，採用16dB增益的 單向中繼器，耗電僅2.5mA，線路按12V饋電，輸出 功率約12.5mW，中繼間距為500m，工作頻段為70～ 90MHz。以上中繼系統的典型數據被英國國家煤炭局 (NCB) 採納為準制式。

(2) 中頻反饋漏泄通信系統 基本特徵是基地台 收發信機均設在系統一端，無需專用聯絡電話線，具有 設定系統分支的靈活性(見圖5)。無線電射頻信 號在系統中保持單方向傳輸，至所有系統分支的末端 經變頻器轉為中頻信號，再經由漏泄電纜回饋至系統 始端構成雙向傳輸通路。對於中頻頻段的信號，反方向 通過中繼器及傳輸線本身的傳輸損失相當小，無需任 何中間放大，可滿足實際套用。

雙向中繼系統

基本特徵是採用了串聯插接在漏 泄電纜中的雙向中繼器(，在兩個傳輸方 向上對不同的射頻信號均能提供各自方向上的增益，省略了單向中繼系統中的專用聯絡電話線或變頻器和 中頻反饋措施，且能實現系統靈活分支。英國NCB制 中繼系統的典型數據為增益16dB、耗電2.5mA、饋電 12V、輸出功率約1mW、中繼間距為500m、工作頻段 為70～90MHz。