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研究背景

       5G，UWB，ZigBee，WiFi6等礦井移動(dòng)通信、人員及車(chē)輛定位、無(wú)線(xiàn)傳輸等技術(shù)在煤礦井下應用，促進(jìn)了煤礦安全生產(chǎn)和煤礦智能化建設。然而受電氣防爆的限制，煤礦井下無(wú)線(xiàn)發(fā)射功率不大于6 W，制約著(zhù)礦井無(wú)線(xiàn)傳輸距離，增加了基站用量和系統成本，不便于系統使用和維護。在無(wú)線(xiàn)發(fā)射功率受電氣防爆限制的條件下，選擇傳輸衰減較小的無(wú)線(xiàn)工作頻段，可有效提高無(wú)線(xiàn)傳輸距離，減小基站用量和系統成本。受煤礦井下電氣防爆等限制，通過(guò)理論分析和計算機仿真等研究礦井無(wú)線(xiàn)傳輸衰減較多，煤礦井下現場(chǎng)測試較少，未見(jiàn)有700 MHz～6 GHz較大頻率范圍煤礦井下無(wú)線(xiàn)傳輸衰減測試報告，難以滿(mǎn)足礦井無(wú)線(xiàn)傳輸工作頻段選擇與優(yōu)化的需求。

       筆者所在項目組于2023年2月在國家能源集團國神公司三道溝煤礦的輔助運輸大巷和綜采工作面分別進(jìn)行了700 MHz～6 GHz頻段的無(wú)線(xiàn)傳輸測試。在發(fā)射端將便攜式射頻信號發(fā)生器固定在高1.6 m的可伸縮三腳支架上，用0.3 m SMA射頻饋線(xiàn)將對數周期天線(xiàn)與便攜式射頻信號發(fā)生器相連，并用數據線(xiàn)將便攜式射頻信號發(fā)生器與筆記本電腦相連，通過(guò)筆記本電腦上的Aaronia AG-HF Generator軟件控制便攜式射頻信號發(fā)生器的發(fā)射頻率和發(fā)射功率。在接收端用1 m SMA射頻饋線(xiàn)將對數周期天線(xiàn)與便攜式實(shí)時(shí)頻譜分析儀相連，并用數據線(xiàn)將便攜式實(shí)時(shí)頻譜分析儀與筆記本電腦相連，通過(guò)筆記本電腦上的Aaronia RTSA-Suite PRO軟件實(shí)時(shí)記錄接收功率測量值。將發(fā)射端設備固定不動(dòng)，收發(fā)天線(xiàn)水平對齊，并水平直線(xiàn)移動(dòng)接收端設備，即可測得井下不同距離下的無(wú)線(xiàn)傳輸接收功率。

       ① 輔助運輸大巷無(wú)線(xiàn)傳輸衰減及最佳無(wú)線(xiàn)傳輸工作頻段

       發(fā)射端設備固定不動(dòng)，發(fā)射天線(xiàn)在輔助運輸大巷中間（到兩側巷幫距離相等），高度距輔助運輸大巷地面1.6 m，發(fā)射功率設定為+18 dBm。接收天線(xiàn)在輔助運輸大巷中間（到兩側巷幫距離相等），高度距輔助運輸大巷底板1.6 m，與發(fā)射天線(xiàn)水平對齊。不斷增加接收天線(xiàn)和設備（以下簡(jiǎn)稱(chēng)接收天線(xiàn)）與發(fā)射天線(xiàn)和設備（以下簡(jiǎn)稱(chēng)發(fā)射天線(xiàn)）之間的軸向距離，頻譜分析儀實(shí)時(shí)測量接收功率，直到收發(fā)天線(xiàn)相距540 m。由于接收功率測量值受射頻饋線(xiàn)損耗、天線(xiàn)增益、發(fā)射功率和接收靈敏度等影響，所以需要對接收功率測量值進(jìn)行校準。為減少多徑效應的影響，對收發(fā)天線(xiàn)每間隔10 m的無(wú)線(xiàn)傳輸衰減數據取1次平均值，得到輔助運輸大巷不同頻率無(wú)線(xiàn)傳輸衰減，并繪制成曲線(xiàn)，如下圖所示。

       為便于分析，對輔助運輸大巷540 m內無(wú)線(xiàn)傳輸衰減數據取平均，并繪制成曲線(xiàn)，如下圖所示。

       可看出：在700 MHz～6 GHz頻段內，輔助運輸大巷無(wú)線(xiàn)傳輸衰減總體上呈現出隨頻率增大而增大的趨勢；在700～910 MHz頻段內，輔助運輸大巷無(wú)線(xiàn)傳輸平均衰減最小值為58.17 dB（對應700 MHz）、最大值為58.97 dB（對應910 MHz），相差僅為0.8 dB，可見(jiàn)該頻段的無(wú)線(xiàn)傳輸平均衰減最小。因此，輔助運輸大巷無(wú)線(xiàn)傳輸的最佳工作頻段應為700～910 MHz。

       ② 綜采工作面無(wú)線(xiàn)傳輸衰減及最佳無(wú)線(xiàn)傳輸工作頻段

       發(fā)射天線(xiàn)固定在2個(gè)液壓支架的立柱中間，與左側液壓支架立柱底部的距離為1.3 m，與右側煤壁的距離為2.7 m，發(fā)射天線(xiàn)距綜采工作面底部為1.6 m，發(fā)射功率設定為+18 dBm。接收天線(xiàn)與發(fā)射天線(xiàn)水平對齊，與左側液壓支架立柱底部的距離為1.3 m，與右側煤壁的距離為2.7 m，接收天線(xiàn)距綜采工作面底板1.6 m。不斷增加接收天線(xiàn)與發(fā)射天線(xiàn)之間的軸向距離，頻譜分析儀實(shí)時(shí)測量接收功率，直到收發(fā)天線(xiàn)相距210 m。由于接收功率測量值受射頻饋線(xiàn)損耗、天線(xiàn)增益、發(fā)射功率和接收靈敏度等影響，所以需要對接收功率測量值進(jìn)行校準。為減少多徑效應的影響，對收發(fā)天線(xiàn)每間隔10 m的無(wú)線(xiàn)傳輸衰減數據取1次平均值，得到綜采工作面不同頻率無(wú)線(xiàn)傳輸衰減，并繪制成曲線(xiàn)，如下圖所示。

       為便于分析，對綜采工作面210 m內的無(wú)線(xiàn)傳輸衰減數據取平均，并繪制成曲線(xiàn)，如下圖所示。

       可看出：在700 MHz～6 GHz頻段內，隨著(zhù)頻率增大，綜采工作面無(wú)線(xiàn)傳輸平均衰減大體上呈現出先增大后減小再增大的趨勢。綜采工作面一側為金屬液壓支架，液壓支架后面為采空區，綜采工作面另一側為煤壁，中間是采煤機和刮板輸送機等大型機電設備，無(wú)線(xiàn)傳輸多徑效應十分嚴重。因此，應選擇平均衰減最小值對應頻點(diǎn)附近的頻率范圍作為綜采工作面無(wú)線(xiàn)傳輸的最佳工作頻段。在700 MHz～6 GHz頻段內，綜采工作面無(wú)線(xiàn)傳輸平均衰減最小值為67.28 dB（對應1 500 MHz），700 MHz的無(wú)線(xiàn)傳輸平均衰減與其相近，為69.86 dB，相差僅為2.58 dB；在700～1 500 MHz頻段內，綜采工作面無(wú)線(xiàn)傳輸平均衰減最大值為72.28 dB（對應910 MHz）；在1 500～1 770 MHz頻段內，綜采工作面無(wú)線(xiàn)傳輸平均衰減隨頻率增大而增大，在1 500～1 770 MHz頻段內取與無(wú)線(xiàn)傳輸平均衰減為72.28 dB對應的頻點(diǎn)（1 710 MHz）作為最佳工作頻段的上限。因此，綜采工作面無(wú)線(xiàn)傳輸的最佳工作頻段應為700～1 710 MHz。

       ③ 輔助運輸大巷與綜采工作面無(wú)線(xiàn)傳輸衰減對比及礦井最佳無(wú)線(xiàn)傳輸工作頻段

       輔助運輸大巷和綜采工作面210 m內不同頻率無(wú)線(xiàn)傳輸平均衰減和衰減差值如下圖所示?？煽闯觯涸?00 MHz～6 GHz頻段內，輔助運輸大巷210 m內平均衰減均比綜采工作面210 m內平均衰減小，即輔助運輸大巷無(wú)線(xiàn)傳輸衰減比綜采工作面無(wú)線(xiàn)傳輸衰減??；隨著(zhù)頻率增大，輔助運輸大巷與綜采工作面無(wú)線(xiàn)傳輸衰減的差值變小。

       通過(guò)現場(chǎng)測試和分析可得，綜采工作面無(wú)線(xiàn)傳輸衰減大于輔助運輸大巷，綜采工作面無(wú)線(xiàn)傳輸的最佳工作頻段為700～1 710 MHz，輔助運輸大巷無(wú)線(xiàn)傳輸的最佳工作頻段為700～910 MHz，因此，礦井無(wú)線(xiàn)傳輸的最佳工作頻段應為700～1 710 MHz。