图1 井下巷道电磁能量收集方案
刘晓明1,2,3,4， 满忠诚1， 赵端1,2,3,4
(1.中国矿业大学 信息与电气工程学院， 江苏 徐州 221008； 2.中国矿业大学 物联网(感知矿山)研究中心，江苏 徐州 221008； 3.矿山互联网应用技术国家地方联合工程实验室， 江苏 徐州 221008；4.江苏省感知矿山物联网工程实验室， 江苏 徐州 221008)
摘要：为了将电磁能量收集技术应用到煤矿井下，采用实验测量和统计分析的方法对电磁能量收集的功率传输特性进行了研究，建立了微波在巷道中路径损耗的一般表达式；提出了一种用于井下巷道的功率传输模型，有效解决矩形、拱形巷道内近距离电磁能量传输效率的计算问题。仿真和实验分析证明了该模型的正确性，同时表明，功率衰减受路径衰减指数的影响较大，提升发射功率不是提升充电效果的最佳选择，在实际应用中，为了获得最佳接收功率，应根据接收机所处位置合理选取天线极化方式。
关键词：电磁能量收集； 功率传输模型； 路径衰减
网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160429.1129.013.html
随着煤矿数字化、信息化和自动化[1]的发展，井下布置了大量的无线传感器。传感器节点多采用电池供电，而电池容量有限。电池的更换维护消耗了大量的人力和物力，同时也无法保证无线监控系统的可靠性。电磁能量收集技术的研究进展[2-5]使利用电磁能量收集的方式为传感器节点充电成为现实。电磁能量收集也称为射频能量收集，是一种将分布于周围环境的电磁能量进行收集并转换成可使用电能的技术[6]。电磁能量收集系统可直接作为无电源系统的电源，也可作为辅助电源为电池充电[3]。电磁能量收集的主要应用是为无线传感器节点供电。目前有些传感器的功耗可以做到微瓦级，基本符合电磁能量收集水平。对于一些允许间歇性工作的传感器，也可将能量收集系统直接作为传感器节点的电源。不同于地面环境具有丰富的电磁资源，煤矿井下电磁资源匮乏。欲将电磁能量收集技术应用到井下，一般需设置独立的射频源。然而，对于煤矿巷道这种受限环境来说，更有利于电磁波能量的汇聚，能显著提高能量收集的水平。同时，巷道环境中电波频段较少，也无需考虑电磁收集的宽频化问题，这就简化了系统的设计。将无线电磁能量收集应用于煤矿井下既能解决电池电量不足的问题，又避免了大量接线所产生的安全隐患。因此，研究电磁能量收集技术在井下的应用具有重要意义。
学者们对电磁能量收集系统的收集水平[7-8]、天线设计[9-10]、整流电路设计[11-12]以及超材料应用[13]进行了大量的研究，也有一些应用。但地面成果不能直接照搬到井下。在实际的煤矿巷道中，传感器节点经常被布置在巷道两侧壁及顶壁中间位置，这就形成了传感器节点沿巷道壁呈带状分布的特点。在电磁能量收集的应用中，射频发射装置被放置在巷道的中部，为了分析发射装置与传感器节点间的功率传输特性，一个关键环节便是明确在能量收集的距离(最远考虑10 m)内，电波在收发设备之间沿巷道壁传播的功率特性。从而定量分析功率传输效率，进一步为能量收发装置的设计提供理论依据。
对于无线电波在巷道中的传播规律，许多学者进行了大量的理论和实际研究，内容可概括为理论模型和数值统计模型。参考文献[14]提出了多模波导模型，并给出了理论表达式。该模型能计算矩形巷道中任意一点的接收功率。然而仿真电波沿拱形巷道壁传播时，用多模波导模型计算的结果与实测数据有较大误差。参考文献[15]通过实际测量研究了电波在巷道中的传播规律，给出了电波在大尺度下的传播模型，但对短距离情形没有具体分析。参考文献[16]测量了电波在地铁巷道中的传播特性，但只对传播特性进行了分析，而没有给出理论模型。参考文献[17-22]分别分析了巷道截面尺寸、围岩电参数、巷道壁粗糙度、围岩湿度、粉尘、水汽等对电波传播特性的影响。
大部分研究都是针对电波在巷道中长距离下的传播特性，是为井下通信服务的，进行研究所选用的巷道大多为矩形。但是，当分析电波沿巷道壁的传播特性时，拱形巷道和矩形巷道应当分开考虑。目前为止，有关电波在短距离下沿巷道壁传播特性的研究还很少，因此，针对煤矿巷道环境研究电磁能量的传输模型有着重要的现实意义。
井下巷道电磁能量收集方案如图1所示。将无线电能发射装置安装在井下周期性移动的设备上，如巷道运输用的机车、刮板输送机等，由于这些移动设备涉及井下生产和运输的各个方面，其移动范围也覆盖了矿井下所有物联网节点的感知区域，所以，将无线电能发射装置安装在这些设备上，利用这些设备的移动对井下沿途的节点进行供电或作为备用电源对电池充电，可以确保节点拥有充足的电量。
图1 井下巷道电磁能量收集方案
电磁能量收集系统由发送端和接收端2个部分组成，如图2所示。发送端由电源供电，通过处理电路将电源提供给发送端天线；接收端由接收天线、整流电路以及调理电路3个部分组成。接收端产生的直流信号通过调理电路给传感器节点供电或为电池充电。
微波能量由发送端发出，经巷道路径传播到达无线节点接收端，经过整流电路后，由调理电路输出。电磁能量收集系统的功率传输模型如下：
Pb=PT+GT+GR-PL(d)-Pr_c-Pc_c
(1)
式中：Pb为能量收集终端的输出功率；PT为发送端的发送功率；GT为发送端天线的增益；GR为接收端天线的增益；PL(d)为微波能量在发送端和接收端天线之间的路径损耗，d为发送端和接收端天线间的距离；Pr_c为整流电路的功率损耗；Pc_c为调理电路的功率损耗。
图2 电磁能量收集系统
功率传输模型中，PT是已知的，参考文献[23]从煤矿安全的角度分析并得出结论：PT的大小不能超过6 W，GT和GR的值越大越好，但是值越大，电波覆盖的范围越小，同时实现起来技术难度也越大。PL(d)是未知的，Pr_c的值与整流电路的效率有关。参考文献[24-29]对微波整流进行了细致的研究与设计，得到的整流效率都在60%以上，其中参考文献[24]设计的整流电路最大整流效率达到了89%。Pc_c的值取决于电路的器件特性，为一个定值。由于PL(d)的不确定性，导致了Pb的不确定性。为了定量分析Pb，必须明确PL(d)的表达式。
基于实际测量所得的巷道电波路径损耗特性，能为能量收集系统的开发与设计提供最真实的指导。基于此，本文对实际巷道测量所得数据进行统计分析，从而明确PL(d)的一般表达式。
3.1 巷道环境
实验所选用的典型拱形、矩形巷道分别位于山东省滕州市的郭庄煤矿和金达煤矿，巷道截面如图3所示。拱形巷道的平均宽度和高度分别为2.7，2.6 m，矩形巷道的平均宽度和高度分别为2.75，2.7 m。
拱形巷道四周为岩石结构，内侧是混凝土结构，厚度约为10 cm，地板厚度约为25 cm。在混凝土和岩石之间铺设了一层金属网，金属网厚度约为0.2 cm，金属网的正方形网格宽度为10 cm。巷道一侧分布有4根电缆，每根电缆直径为10 cm。电缆距侧壁5 cm，电缆之间间隔8 cm，最下面1根电缆离地板1.4 m；巷道另一侧分布有1个直径为5 cm的水管，离地板1.2 m。地板一侧有宽为30 cm、深为20 cm的排水渠。偏离地板中心大概10 cm分布有1条铁轨。巷道顶部中心位置分布有1条电缆，用于给照明灯供电。
(a) 拱形巷道截面
(b) 矩形巷道截面
图3 巷道截面
矩形巷道的格局同拱形巷道类似，但是矩形巷道一般直接采用岩石作为顶板和底板，有的侧壁喷有混凝土，有的顶部喷有混凝土，还有些直接用煤层作为侧壁。实验时各种情形都有涉及。
3.2 实验方案
实验采用了2个工作在2.4 GHz(井下传感器网络常用频段)的标准半波偶极子天线。发射天线位于巷道中间(图3中O点)，这样插入损耗最小。发射天线通过1根长度为2 m的低损耗射频电缆(goreXN3449)连接微波信号源(R&S-SMB100A)。设置信号源的输出功率为16 dB·m。接收天线依次放置在图3中所标示的A，B和C三个位置，那里是经常放置无线传感器节点的位置。接收天线通过1根5 m长的射频电缆(goreXN3449)连接频谱仪 (GSP-830E)，频谱仪连接便携式计算机用于记录数据。巷道中多径效应显著，频谱仪中信号跳动剧烈，为了方便观测和记录数据，取20次测量结果的均值在频谱仪中显示。实验方案如图4所示。
图4 实验方案
依次测试发射天线在A，B和C三点的接收功率。开始测试时，发射天线和接收天线位于同一巷道截面上，然后沿巷道轴向移动发射天线，每隔0.2 m记录一次数据。考虑实际充电距离，设发射天线移动的总距离为10 m。建立如图3所示的坐标系，依次设置天线沿X，Y和Z三个方向极化，在A，B和C每一点测试3组不同天线极化方式的数据。
3.3 实验结果分析
分别在拱形和矩形巷道进行数次实验，对2种类型的巷道分开讨论分析，每种巷道实验结果类似，选取其中1组数据进行分析。
3.3.1 拱形直巷道电波传播特性
10 m的巷道距离可近似为直巷道，且属于LOS(Light-Of-Sight)区。所有测试点的结果相似，选取其中一个测试点进行分析。图5为拱形巷道中A，B，C三点在3种天线极化方式下的接收功率曲线。
(a) A点
(b) B点
(c) C点
图5 拱形巷道中A，B，C三点在3种天线极化方式下的接收功率曲线
参考文献：[14,30]提出了全波波导模型，能够计算矩形巷道中任意一点的接收功率。但是，用此模型仿真的结果与本文中实测实验数据差异较大。参考文献[31-32]认为，巷道中如此近距离的情况应属于自由空间传播区域，传播特性遵循自由空间模型，其模型如下：
(2)
式中：d0为参考距离，本文设置当收发天线位于同一截面时的距离为d0，即OA，OB和OC之间的距离；PL(d0)为参考距离d0处的接收功率；n为路径衰减指数；Xσ为零均值高斯随机变量，σ的值在0.3～3之间。
用式(2)对A，B和C三点在3个极化方向下的接收功率进行拟合，拟合曲线如图6所示。在能量收集过程中，考虑10 m距离下的平均功率，因此，拟合过程中忽略了Xσ的影响。拟合过程中产生的路径衰减指数n见表1。
(a) A点
(b) B点
(c) C点
图6 拱形巷道中A，B，C三点在3种天线极化方式下的接收功率拟合曲线
表1 拱形巷道中的路径衰减指数n
不同位置、不同天线极化方式下的PL(d0)和n值均不同。为获得最大的充电效率，不同位置应该选用不同的极化方式。n值决定了功率的衰减程度，n的绝对值越大，功率衰减越大。电波沿巷道壁传播时的n值不同于自由空间的n值(n=2)。大量实验分析表明，在拱形巷道的A和C两点，选用Y极化方向能获得最大的接收功率，而在中间的B点，近距离时选用X极化方向是最优的。但是，Y极化在B点时n的绝对值较小，因而其衰减较为平坦，在远距离(约3 m之外)时获得的功率远大于其他2种极化方式。
3.3.2 矩形直巷道电波传播特性
矩形巷道中A，B和C三点在3种天线极化方式下的接收功率曲线如图7所示。利用式(2)对图7中数据进行拟合的结果如图8所示。
(a) A点
(b) B点
(c) C点
图7 矩形巷道中的接收功率曲线
(a) A点
(b) B点
(c) C点
图8 矩形巷道中接收功率的拟合曲线
拟合过程中得到的路径衰减指数n见表2。与拱形巷道相比，矩形巷道中路径衰减指数n的绝对值较小。2种巷道中，X和Z极化方式下的衰减规律类似。但是，Y极化方式下具有较大的差异。10 m的充电距离下，在A和C两点，Y极化方式下的n具有正值。同负值相比，正值说明其接收功率随距离的增加而逐渐增大，但是其PL(d0)初始值较低，所以，其近距离时的接收功率较低。在B点，Y极化情形下的接收功率PL(d0)初始值较低，但整体衰减缓慢，其后段距离的接收功率远大于另外2种极化情形。矩形巷道中发送端的天线设计应不同于拱形巷道。
表2 矩形巷道中的路径衰减指数n
有了路径衰减模型，功率传输模型可重写如下：
(3)
由于关注的是平均功率，同时为了便于分析计算，式(3)中忽略了Xσ的影响。为了简化仿真过程，假设整流电路的整流效率为一定值ηr，同时忽略定值Pc_c的影响，式(3)可进一步整理如下：
(4)
整流之后，由电池端电压Uc和电流Ic，可得
(5)
式(5)中，Uc设计为定值，Ic随Pb变化而变化。依据充电电池特性，Ic值必须高于电池充电阈值才能正常充电。
设ηr为一定值的60%，不同n值下的输出功率仿真曲线如图9所示。图9(a)对应一般情况下的功率衰减情形，此时n为负值；图9(b)对应矩形巷道中Y极化时接收功率逐渐增加的情形，此时n为正值。仿真时，尽量考虑高性能天线，GT和GR都设为10，PT设为巷道中所允许的最大功率6 W，即37.78 dB·m。d0取实测时的1.1 m，10 m是发射天线沿巷道轴向移动的距离，d值应根据勾股定理进行换算。实测时，在接收功率衰减的情况下，n取值范围约为-5～-1；在矩形巷道中采用Y极化方式时接收功率逐渐增加的情况下，n取值范围约为0.5～2，但此种情况下PL(d0)值也较低。需要强调一点，仿真时，默认收发天线的方向图指向性是相对的，此时接收功率最大。从图9可以看出，当n为负值时，n绝对值越小，功率衰减越少，接收功率越平稳，可充电的距离越远；当n为正值时，情形正好与负值时相反。
(a) n为负值
(b) n为正值
图9 不同n值时的输出功率仿真曲线
由式(5)可知，充电电流Ic与Pb的变化规律一致。假设Pb值为25 dB·m(即320 mW)，考虑实际应用，设Uc为3 V，可得Ic为100 mA左右。对于不同的n值，10 m处的输出电流从33 mA降至0.03 mA左右。
假定忽略井下安全因素，将发射功率从6 W(38 dB·m)提高到20 W(43 dB·m)，设n=1，可得输出功率在不同发射功率Pt下随距离变化的仿真曲线，如图10所示。
图10 不同发射功率下的输出功率
从图10可看出，将发射功率Pt提高到20 W，输出功率的最大值和最小值将分别为0.639 W(27.8 dB·m)和0.15 W(21.7 dB·m)。由式(5)计算可得，充电电流的最大值和最小值分别为213 mA和50 mA。同提升发射功率所带来的安全隐患和能量消耗相比，充电电流的提升效果与之不成正比。由此可知，持续提升发射功率不是提升充电效果的最佳选择。
为了获得更大的充电电流，另一个方案是增加接收端天线的数量，组成接收端天线阵列。接收端天线单元之间设计成并联关系，理论上整流电流就是线性相加的。这样，2块接收天线单元汇集的电流便接近于将发射功率Pt由6 W提高到20 W时得到的电流，但具体接收端天线阵列与整流电流的定量关系还需进一步研究。
建立了拱形和矩形巷道下，基于电磁能量收集的一般功率传输模型。该模型中，能量发射装置位于巷道中部位置，能量接收装置位于巷道壁上。该模型能计算10 m近距离下微波功率沿巷道壁的传输效率。
对于功率传输模型中的路径衰减项，采用在实际巷道中实验测量、对数据进行统计分析的方法，给出了微波功率沿巷道壁衰减的一般表达式。分析结果表明，微波功率在拱形和矩形巷道中的衰减具有一定的差异性。在巷道中的同一位置，采用不同的天线极化方式具有不同的路径衰减指数。为了获得最大功率，在不同巷道位置、不同充电距离下应选用不同的天线极化方式。
功率传输模型仿真结果表明，路径衰减指数对功率的衰减影响很大。持续地提升发射功率不是提升充电效果的最佳选择。天线阵列的研究与设计是后续工作的重点。
参考文献：
[1] 吴立新,汪云甲,丁恩杰,等.三论数字矿山——借力物联网保障矿山安全与智能采矿[J].煤炭学报,2012,37(3):357-365.
[2] MANDAL S, TURICCHIA L, SARPESHKAR R. A low-power, battery-free tag for body sensor networks[J]. Pervasive Computing, 2010,9(1):71-77.
[3] VISSER H J, VULLERS R J M. RF energy harvesting and transport for wireless sensor network applications: principles and requirements[J]. Proceedings of the IEEE, 2013,101(6):1410-1423.
[4] YANG Y, WANG C, LI J. Power sensor networks by wireless energy-current status and future trends[C]// International Conference on Computing, Networking and Communications, 2015, Garden Grove, CA,2015:16-19.
[5] ICHIHARA T, MITANI T, SHINOHARA N. Study and development of an intermittent microwave power transmission system for a ZigBee device[C]// IEEE Wireless Power Transfer Conference, Jeju, 2014:8-9.
[6] 赵争鸣, 王旭东. 电磁能量收集技术现状及发展趋势[J]. 电工技术学报, 2015(13):1-11.
[7] HEMOUR S, WU K. Radio-frequency rectifier for electromagnetic energy harvesting: development path and future outlook[J]. Proceedings of the IEEE, 2014,102(11): 1667-1691.
[8] SAAD-BIN-ALAM M, MOURY S. Multiple-band antenna coupled rectifier circuit for ambient RF energy harvesting for WSN[C]//International Conference on Informatics, Electronics & Vision, 2014: 23-24.
[9] DING Y, ARSLAN T. Broadband differential antenna for full-wave RF energy scavenging system[C]//Loughborough Antennas and Propagation Conference, Loughborough, 2013:11-12.
[10] KHANDAKER M R A, WONG K K. Masked beamforming in the presence of energy-harvesting eavesdroppers[J]. IEEE Transactions on Information Forensics and Security,2015,10(1):40-54.
[11] NINTANAVONGSA P,MUNCUK U,LEWIS D R, et al. Design optimization and implementation for RF energy harvesting circuits[J]. IEEE Journal on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems, 2012,2(1):24-33.
[12] ALAM S B, ULLAH M S, MOURY S. Design of a low power 2.45 GHz RF energy harvesting circuit for rectenna[C]//International Conference on Informatics, Electronics & Vision, Dhaka, 2013: 17-18.
[13] CHENG Q, CUI T J, JIANG W X,et al. An omnidirectional electromagnetic absorber made of metamaterials[J]. New Journal of Physics, 2010,12(6): 63006.
[14] SUN Z, AKYILDIZ I F. Channel modeling and analysis for wireless networks in underground mines and road tunnels[J]. IEEE Transactions on Communications, 2010,58(6):1758-1768.
[15] ZHANG Y P, HWANG Y. Characterization of UHF radio propagation channels in tunnel environments for microcellular and personal communications[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 1998,47(1): 283-296.
[16] HE R, ZHONG Z, BRISO C. Broadband channel long delay cluster measurements and analysis at 2.4 GHz in subway tunnels[C]//IEEE 73rd Vehicular Technology Conference, Yokohama, 2011: 15-18.
[17] 孙继平,成凌飞,张长森.截面尺寸对矩形巷道中电磁波传播的影响[J].中国矿业大学学报,2005,34(5):596-599.
[18] 成凌飞,孙继平.矩形隧道围岩电参数对电磁波传播的影响[J].电波科学学报,2007,22(3):513-517.
[19] 姚善化,吴先良,张量.矿井巷道壁粗糙度对电磁波传播损耗的影响[J].合肥工业大学学报:自然科学版,2010,33(11):1725-1727.
[20] 成凌飞,张丽丽,李雷,等.矿井巷道围岩湿度对电磁波传播的影响[J].河南理工大学学报:自然科学版,2012,31(5):571-574.
[21] 潘涛,李艳东.煤矿巷道中粉尘对电磁波传播特性的影响[J].煤炭科学技术,2007,35(7):97-99.
[22] 魏占永.隧道中水汽对电磁波传播特性的影响[J].煤炭科学技术,2003,31(2):39-41.
[23] 孙继平,贾倪.矿井电磁波能量安全性研究[J].中国矿业大学学报,2013,42(6):1002-1008.
[24] LI L, KISHI A, LIU Q, et al. GaN schottky barrier diode with TiN electrode for microwave rectification[J]. IEEE Journal of the Electron Devices Society, 2014,2(6): 168-173.
[25] 季帅.基于微带电路的ISM波段整流天线的研究与设计[D].长春:吉林大学,2013.
[26] 张彪,刘长军,江婉,等. 一种基于肖特基二极管的大功率微波整流电路[J].电子学报,2013(9):1854-1857.
[27] HEMOUR S, ZHAO Y, LORENZ C H P, et al. Towards low-power high-efficiency RF and microwave energy harvesting[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2014,62(4): 965-976.
[28] BARTON T W, GORDONSON J M, PERREAULT D J. Transmission line resistance compression networks and applications to wireless power transfer[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2015,3(1): 252-260.
[29] FUKUI K, TAKEUCHI T, HAYASHINO K, et al. T-shaped anode GaN schottky barrier diode for microwave power rectification[C]//IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on Innovative Wireless Power Transmission: Technologies, Systems, and Applications, Kyoto, 2012:10-11.
[30] HUO Y, WANG T, LIU F, et al. Angular power distribution of wireless channel in mine tunnels[J]. TELKOMNIKA : Indonesian Journal of Electrical Engineering, 2013,11(3): 1422-1435.
[31] GUAN K, ZHONG Z, AI B, et al. Complete propagation model in tunnels[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2013,12: 741-744.
[32] RISSAFI Y, TALBI L, GHADDAR M. Experimental characterization of an UWB propagation channel in underground mines[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2012,60(1): 240-246.
LIU Xiaoming1,2,3,4， MAN Zhongcheng1， ZHAO Duan1,2,3,4
(1.School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China; 2.IoT Perception Mine Research Center，China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China; 3.State and Local Joint Engineering Laboratory of Mining Internet Application Technology, Xuzhou 221008, China; 4.Jiangsu Engineering Laboratory of Perception Mine Research Center, Xuzhou 221008, China)
Abstract：In order to apply electromagnetic energy harvesting technology in mine tunnels, the power transfer characteristics of electromagnetic energy harvesting were studied using experimental measurement and statistical analysis method. The expression of microwave path loss in tunnel was established, thus the power transfer model of energy harvesting used in mine tunnels was deduced, which is able to calculate power transfer efficiency in both arched and rectangular tunnels in short distance. Simulation and experimental analysis shows correctness of the model, and shows that the power attenuation is affected by the path loss exponent, and improving transmitted power continually is not the optimal choice to promote the charging efficiency, in practical application, different locations should adopt reasonable antenna polarizations to gain the maximal power.
Key words：electromagnetic energy harvesting; power transfer model; path loss
文章编号：1671-251X(2016)05-0056-08
DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.2016.05.013
收稿日期：2016-01-25；
修回日期：2016-03-15；责任编辑：胡娴。
基金项目：中国矿业大学大学生创新训练计划项目(X1029015058)。
作者简介：刘晓明(1987-)，男，山东滕州人，博士研究生，主要研究方向为煤矿巷道无线输能机理，E-mail:lxm0779@126.com。通信作者：赵端(1983-)，男，河北承德人，讲师，研究方向为无线输能，E-mail：zhaoduan1027@163.com。
中图分类号：TD65
文献标志码：A 网络出版时间：2016-04-29 11:29
刘晓明，满忠诚，赵端.用于井下电磁能量收集的功率传输模型[J].工矿自动化，2016,42(5)：56-63.