無(wú)線地下系統(tǒng)技術(shù)方案

公開了用于輻射經(jīng)過耗散介質(zhì)的地下天線結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)和方法，以及該天線結(jié)構(gòu)。該天線結(jié)構(gòu)包括電介質(zhì)基板，布置在基板上的饋送結(jié)構(gòu)，以及一個(gè)或多個(gè)電導(dǎo)體。一個(gè)或多個(gè)電導(dǎo)體被布置在基板上、被定向并被埋在耗散介質(zhì)中。電導(dǎo)體還適配于以與耗散介質(zhì)相鄰的半空間中的頻率輻射信號(hào)。該適配包括對(duì)于一個(gè)或多個(gè)電導(dǎo)體至少部分地基于耗散介質(zhì)的相對(duì)電容率的波束寬度狀態(tài)。

Wireless Underground System

Systems and methods for radiation underground antenna structures passing through dissipative media, and the antenna structure are disclosed. The antenna structure includes a dielectric substrate, a feeding structure disposed on the substrate, and one or more electrical conductors. One or more electrical conductors are disposed on the substrate, directed and buried in a dissipative medium. The electrical conductor is also adapted to a frequency radiation signal in a half space adjacent to the dissipative medium. The adaptation includes a beam width state of at least partially based on the relative permittivity of the dissipative medium for one or more electrical conductors.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
無(wú)線地下系統(tǒng)本申請(qǐng)是申請(qǐng)?zhí)枮?01380043937.0(國(guó)際申請(qǐng)?zhí)枮镻CT/US2013/051102)的申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)要求于2012年7月20日提出的題目為無(wú)線地下通信的天線的美國(guó)申請(qǐng)序列號(hào)No.61/673,757的優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)的公開通過引用并入于此。
本公開涉及無(wú)線天線，并且更具體地涉及無(wú)線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)(WUSN)的地下天線的特性。
技術(shù)介紹
無(wú)線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)(WUSN)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)對(duì)地下設(shè)備的自然擴(kuò)張。WUSN通常包括埋在土壤中的傳感器微塵，并且例如能夠提供精細(xì)農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)控和虛擬圍欄方面的應(yīng)用。在地下設(shè)備中建立無(wú)線通信鏈路可能是有挑戰(zhàn)性的。可能會(huì)增加挑戰(zhàn)性的示例因素包括土壤的高電容率、土壤空氣界面特性和特定的實(shí)時(shí)土壤狀況。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
公開了用于輻射經(jīng)過耗散介質(zhì)的地下天線結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)和方法。另外，公開了用于測(cè)量諸如土壤的耗散介質(zhì)中的狀況的系統(tǒng)和方法。在圖3-8中示出了經(jīng)驗(yàn)評(píng)估，從而示出考慮土壤中的波長(zhǎng)改變和從土壤空氣界面的反射兩者而設(shè)計(jì)的天線能夠適應(yīng)土壤濕度的主要改變，并且與僅基于土壤中的波長(zhǎng)改變而設(shè)計(jì)的天線相比，能夠改善通信距離達(dá)到587％。作為示例，在本文獻(xiàn)中描述的具體寬帶天線的選擇或設(shè)計(jì)能夠?qū)е略谔炀€和一個(gè)或多個(gè)其他結(jié)構(gòu)或網(wǎng)絡(luò)之間發(fā)生的通信的通信距離增加。在一種實(shí)施方式中，公開了一種用于輻射經(jīng)過耗散介質(zhì)的地下天線結(jié)構(gòu)。所述天線結(jié)構(gòu)包括電介質(zhì)基板，布置在基板上的饋送結(jié)構(gòu)，以及配置在基板上、被定向并被埋在耗散介質(zhì)中的一個(gè)或多個(gè)電導(dǎo)體。在一些實(shí)施方式中，電導(dǎo)體適配于以與耗散介質(zhì)相鄰的半空間中的頻率輻射信號(hào)。這樣的適配例如可以包括至少部分地基于耗散介質(zhì)的相對(duì)電容率(例如含水量)而為一個(gè)或多個(gè)電導(dǎo)體設(shè)計(jì)波束寬度狀態(tài)。在一些實(shí)施方式中，天線結(jié)構(gòu)是對(duì)于多種土壤狀況維持小于大約負(fù)10分貝的回波損耗的寬帶天線。在一個(gè)示例中，寬帶天線具有大約100毫米的直徑，并且天線被埋在非均質(zhì)土壤中。在一些實(shí)施方式中，一個(gè)或多個(gè)電導(dǎo)體被定向?yàn)槌虿⑶掖笾缕叫杏谧杂煽臻g與耗散介質(zhì)之間的界面，并且由地下天線結(jié)構(gòu)發(fā)射的相應(yīng)輻射圖案朝向界面是單向性的。在一些示例中，天線結(jié)構(gòu)被埋在耗散介質(zhì)中大約0.1米直到大約1.0米處。在一些實(shí)施方式中，天線結(jié)構(gòu)包括能夠適配于提供適應(yīng)不同土壤狀況下從土壤到空氣的臨界入射角度的波束寬度的電路。在天線結(jié)構(gòu)的一些方面，該波束寬度狀態(tài)導(dǎo)致對(duì)于地下天線結(jié)構(gòu)與一個(gè)或多個(gè)其他結(jié)構(gòu)或網(wǎng)絡(luò)之間的通信的無(wú)線通信距離增加。臨界入射角度可以是大約5度與大約15度之間的臨界操作角度θc，其中臨界操作角度θc值至少部分地基于耗散介質(zhì)的電容率。在一些示例中，臨界操作角度θc表示超過該角度對(duì)于天線結(jié)構(gòu)不存在折射的角度。在另一個(gè)實(shí)施方式中，公開了用于測(cè)量耗散介質(zhì)中的狀況的無(wú)線地下系統(tǒng)。系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)無(wú)線濕度傳感器，每一個(gè)無(wú)線濕度傳感器包括傳感器板、在傳感器板內(nèi)的處理器和與處理器通信并耦接至天線的收發(fā)器。系統(tǒng)還包括網(wǎng)關(guān)，其被配置為接收并發(fā)送無(wú)線消息，并且進(jìn)一步被配置為與網(wǎng)絡(luò)通信，并且接收和中繼來自一個(gè)或多個(gè)無(wú)線濕度傳感器的無(wú)線消息。在一些實(shí)施方式中，每個(gè)無(wú)線濕度傳感器被配置為(i)從沿著耗散介質(zhì)的長(zhǎng)度的多個(gè)傳感器收集關(guān)于耗散介質(zhì)的狀況的數(shù)據(jù)，并且(ii)響應(yīng)于檢測(cè)到耗散介質(zhì)的電容率的改變的閾值水平，維持回波損耗的閾值水平。在一些實(shí)施方式中，耗散介質(zhì)的電容率的改變的閾值水平包括耗散介質(zhì)的濕度水平的大約百分之五的增加或減少，并且回波損耗的閾值水平小于大約負(fù)10分貝。在一些方面，一個(gè)或多個(gè)無(wú)線濕度傳感器能夠收集來自耗散介質(zhì)內(nèi)的至少兩個(gè)深度的數(shù)據(jù)。示例的深度可以包括在耗散介質(zhì)(例如土壤)的表面下面大約0.1米和在耗散介質(zhì)(例如土壤)的表面下面大約1.0米。在另一個(gè)實(shí)施方式中，公開了用于操作輻射經(jīng)過耗散介質(zhì)的地下天線結(jié)構(gòu)的方法。方法包括使用地下天線結(jié)構(gòu)測(cè)量與多個(gè)無(wú)線傳感器周圍的耗散介質(zhì)相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，其中多個(gè)無(wú)線傳感器耦接至天線結(jié)構(gòu)。方法還包括響應(yīng)于檢測(cè)到耗散介質(zhì)的電容率的改變的閾值水平，而對(duì)于天線結(jié)構(gòu)維持回波損耗的閾值水平小于大約負(fù)10分貝。示例的耗散介質(zhì)的電容率的改變的閾值水平可以包括耗散介質(zhì)的濕度水平的大約百分之五的增加或減少。方法還包括使用天線發(fā)送來自多個(gè)無(wú)線傳感器的一個(gè)或多個(gè)無(wú)線消息。消息可以與測(cè)量的數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)。有利地，所描述的系統(tǒng)和技術(shù)可以提供一個(gè)或多個(gè)益處，諸如基于確定實(shí)時(shí)土壤特性而能夠從無(wú)線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)收集的信息增加。作為另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，在地下通信中使用寬帶天線提供了被設(shè)計(jì)為補(bǔ)償土壤中的簡(jiǎn)單波長(zhǎng)改變的天線的顯著的距離增加。在附圖和下面的說明書中闡述一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式的細(xì)節(jié)。根據(jù)說明書和附圖以及權(quán)利要求，本專利技術(shù)的其他特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)顯而易見。附圖說明圖1是用于測(cè)量土壤特性并提供貫穿無(wú)線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)(WUSN)的地下通信的系統(tǒng)的概念圖。圖2A-2B是示出地下天線的示例分析的概念圖。圖3A-3C圖示了在空氣和土壤中的偶極子天線的回波損耗的示例理論分析。圖4A-4B圖示了在空氣和土壤中的偶極子天線的示例仿真。圖5A-5F圖示了對(duì)于不同天線類型測(cè)量的回波損耗。圖6A-6B圖示了對(duì)于放置在不同介質(zhì)中的多個(gè)不同天線的諧振頻率偏移。圖7A-7D圖示了對(duì)于被埋在30厘米深度的多個(gè)天線的測(cè)量的回波損耗。圖8圖示了對(duì)于不同土壤濕度中的不同天線的多個(gè)頻帶。圖9是用于無(wú)線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)的圓形平面天線的示例圖。圖10圖示了表面下的地下通信的三條路徑的示例。圖11是用于操作輻射經(jīng)過耗散介質(zhì)的地下天線結(jié)構(gòu)的示例方法。圖12是可以用于實(shí)施在本文獻(xiàn)中描述的系統(tǒng)和方法的計(jì)算設(shè)備的方塊圖。在不同附圖中的相同附圖標(biāo)記指示相同元素。具體實(shí)施方式在無(wú)線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)(WUSN)中使用的天線可以被埋在土壤、水或巖床中。埋設(shè)天線去除了在傳統(tǒng)通信情況下發(fā)生的天線波傳播所共有的露天方面。該露天傳播特性的去除通常引入了關(guān)于天線阻抗匹配的一個(gè)或多個(gè)問題，這反過來在WUSN中的一個(gè)或多個(gè)天線之間引入了許多通信問題。使用電磁信號(hào)(即電磁波)的無(wú)線通信通常當(dāng)波被發(fā)送經(jīng)過諸如土壤或巖石的損耗介質(zhì)時(shí)涉及高水平的信號(hào)衰減。在一個(gè)示例中，高水平的信號(hào)衰減可以是由于信號(hào)在介質(zhì)中的吸收。影響可能包括極度的信號(hào)損耗，由于土壤的非均質(zhì)性而導(dǎo)致的多徑效應(yīng)，由于電氣接地電流而導(dǎo)致的噪聲，和/或在降雨之后由于潮濕土壤而導(dǎo)致的延長(zhǎng)的中斷周期。當(dāng)傳播經(jīng)過土壤或巖石時(shí)的信號(hào)損耗量取決于材料的性質(zhì)。例如，土壤中過多的水的存在可能產(chǎn)生大量的衰減，這通常隨著土壤的含水量增加而增加。在一些實(shí)施方式中，水對(duì)信號(hào)的影響取決于在無(wú)線通信中使用的頻率。通常，當(dāng)傳播經(jīng)過土地時(shí)，低頻將會(huì)經(jīng)歷較小的衰減。能夠影響傳播經(jīng)過土地的電磁信號(hào)的衰減的其他土壤因素可以包括例如土壤密度、土壤微粒尺寸和/或土壤溫度。圖1是用于測(cè)量土壤特性并提供貫穿無(wú)線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)(WUSN)102的地下和地上通信的系統(tǒng)100的概念圖。在高層處，系統(tǒng)100包括傳感器網(wǎng)絡(luò)102中的多個(gè)傳感器，其用于測(cè)量環(huán)境特性。傳感器可以表示無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，在其中諸如傳感器數(shù)據(jù)、操作數(shù)據(jù)、命令和/或環(huán)境數(shù)據(jù)的消息能夠在傳感器與諸如網(wǎng)絡(luò)102或104的一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間無(wú)線地通信，從而到達(dá)諸如服務(wù)器106的服務(wù)器。在一些實(shí)本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種用于測(cè)量耗散介質(zhì)中的狀況的無(wú)線地下系統(tǒng)，包括：一個(gè)或多個(gè)無(wú)線濕度傳感器，每一個(gè)所述無(wú)線濕度傳感器包括傳感器板、在所述傳感器板內(nèi)的處理器、和與所述處理器通信并耦接至天線的收發(fā)器；網(wǎng)關(guān)，所述網(wǎng)關(guān)被配置為接收并發(fā)送無(wú)線消息，并且進(jìn)一步被配置為與網(wǎng)絡(luò)通信并且接收和中繼來自所述一個(gè)或多個(gè)無(wú)線濕度傳感器的無(wú)線消息；其中每個(gè)所述無(wú)線濕度傳感器被配置為(i)從沿著所述耗散介質(zhì)的長(zhǎng)度的所述多個(gè)傳感器收集關(guān)于所述耗散介質(zhì)的狀況的數(shù)據(jù)，并且(ii)響應(yīng)于檢測(cè)到所述耗散介質(zhì)的電容率的改變的閾值水平，維持回波損耗的閾值水平；并且其中，所述耗散介質(zhì)的所述電容率的改變的所述閾值水平包括所述耗散介質(zhì)的濕度水平的大約百分之五的增加或減少，并且回波損耗的所述閾值水平小于大約負(fù)10分貝。

【技術(shù)特征摘要】
2012.07.20 US 61/673,7571.一種用于測(cè)量耗散介質(zhì)中的狀況的無(wú)線地下系統(tǒng)，包括：一個(gè)或多個(gè)無(wú)線濕度傳感器，每一個(gè)所述無(wú)線濕度傳感器包括傳感器板、在所述傳感器板內(nèi)的處理器、和與所述處理器通信并耦接至天線的收發(fā)器；網(wǎng)關(guān)，所述網(wǎng)關(guān)被配置為接收并發(fā)送無(wú)線消息，并且進(jìn)一步被配置為與網(wǎng)絡(luò)通信并且接收和中繼來自所述一個(gè)或多個(gè)無(wú)線濕度傳感器的無(wú)線消息；其中每個(gè)所述無(wú)線濕度傳感器被配置為(i)從沿著所述耗散介質(zhì)的長(zhǎng)度的所述多個(gè)傳感器收集關(guān)于所述耗散介質(zhì)的狀況的數(shù)據(jù)，并且(...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：穆罕默德·武蘭，董欣，戴維·安東尼，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：紐泰克溫圖斯公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：美國(guó),US