CN1034835A

CN1034835A - 中频矿井通信系统

Info

Publication number: CN1034835A
Application number: CN88103279A
Authority: CN
Inventors: 拉利·G·斯托拉塞克; 库尔特·A·斯莫克尔; 杰拉德·J·博斯; 威廉·E·蒙特; 小马文·L·哈森内克; 詹姆斯·L·萨彭蒂; 思夫·A·史密夫; 爱德华·D·穆尔
Original assignee: Stolar Inc
Current assignee: Stolar Inc
Priority date: 1987-05-29
Filing date: 1988-05-28
Publication date: 1989-08-16
Also published as: JPH01125129A; EP0292950A3; US5301082A; EP0292950A2; ZA883469B; AU599797B2; AU620531B2; AU6246390A; AU6246290A; CN1012928B; CA1319172C; CA1296063C; AU627354B2; AU1667588A; NZ224586A; US4879755A

Abstract

一种地下矿井通信系统包括若干增音机和中频无线电设备，其中包括移动式的、便携式的和个人携带式的无线电设备，这些设备通过环形调谐天线耦合到在地下现存的导电体和天然波导上。各无线电设备发送的信息由导体或煤层波携带到增音机。增音机在两种不同频率上放大、复制而且再发送该信息，用于把该信息发送到地面基站和该系统中的其它无线电设备。该系统中的无线电设备和增音机都配置有内在安全电流限制器电路，以预防发生各种引燃条件。

Description

本发明涉及用于地下矿井中的通信系统，更准确地说，涉及一种包含由中频无线电收发两用机和双向增音机组成的网络的矿井通信系统。所述无线电收发两用机通过环形天线与矿井中电的和天然的波导导体磁耦合，并且借助内在安全电流限制器电路而避免出现引燃条件。

早已知悉，中频（MF）电磁波除通过存在于地下矿井里的电导体（诸如铁路线、钢丝绳和电导线）传播以外，还能通过自然介质（诸如煤和岩石）传播。人们曾经做过种种利用中频信号的多种传播性能，以发展“无线“通信系统的努力。无线电地下矿井通信系统不但将提高矿井生产力，而且将改善矿井安全条件。Larry G.Stolarczyk在1980年的一篇论文中建议过这样一种系统。他的分格式矿井通信系统既利用了导体传播模式又利用了天然波导传播模式，以实现矿井中的中频无线电通信。该系统利用分格增音机为两台移动式无线电收发两用机提供相互间通信手段。用双线传输线路（即，一条电话线路）提供通向地面和其他增音机的通信线路，在该线路上传送声频范围内声音信号。见L.Stolarczyk所著的《用于地下采矿的分格式中频无线电通信系统的设计》一文，由国家无线电通讯会议（1980年11月30日-12月4日）再版。但是，这种系统具有系统中的增音机与地面站之间不能利用无线电频率信号进行通信的缺点。例如，在矿井受灾期间，倘若电话线路被切断，就将产生严重的问题。这个早期的系统（它包含无线电收发两用机和附着于矿工所穿的防护衣上的环形天线）曾经由L.Stolarczyk和R.Chufo在《用于地下采矿的中频无线电通信系统的系统设计和运行》（1981年9月）一文中作过更详细的描述。应用于这些早期系统中的环形天线是各种二次调谐环形天线。

新近，该中频无线电通信技术已经扩展为包括一个可为矿井装载列车的操作提供无线电控制的无线电通信系统。见H.Dobroski和L.Stolarczyk合著的《通过中频技术和矿井现有导体进行控制和监测》一文，IEEE Transactions on Industry Applications，Vol.IA-21，No4（July/August 1985）。在这一系统中，通过利用空心线耦合器，在现有导体上感应中频无线电信号。

还曾经对采用铁氧体耦合器以在导体上感应中频无线电信号做过许多尝试。这些尝试都具有这样的问题，即，没有单一的铁氧体材料能令人满意地既起到接受线路耦合器又起到传输线路耦合器的作用。

最后，已经发表了一些评论关于发展应用于无线电矿井通信系统中的各种环形天线的种种尝试的综述文章。见R.Lagace，D.Curtis，J.Foulkes和J.Rothery所合著的《用于便携式甚低频至中频无线电矿井通信的发射天线》一文，美国海军陆战队兵营（USMB）承包最终报告（HO346045），任务（Task）C，任务序号1（Arthur D.Little，Inc.）1977年5月。

关于用于矿井通信系统中的环形天线，很久前已经知道一种装入子弹带式外套中的环形天线。例如，见B.A.Austin和G.P.Lambert所合著的《安装于格林锡德-科来里（Greenside Collery），埃佩克斯矿山有限公司（Apex Mines Limited）地下无线电通信系统的中间报告》，南非矿山会（Chaniber of Mines of South Africa）研究报告第39/77号，工程号CS ICIO（1977）。该子弹带式结构具有如下缺点：当该矿工的胸部移动时，该天线的环形面积变化，于是改变了天线的面积和感应。

矿井通信方法学已发展的一个独立的方向是应急通信。应急矿井通信系统的两种型式是地震法和钻孔法。在地震法中，陷于井中的矿工通过连续重击铁轨或顶板螺栓而发送地震振动。用地面的地震检波器遥测这些信号。在计算机对地震信号的到达时间进行分析之后，就能够确定陷于井中的矿工的位置。已证实这种地震法是不适当的，因为部署地震检波器阵列是费时的，也豢赡芙猩敉ㄐ拧４送猓眉际跣枰锌蠊げ皇苤厣说南染鎏跫率顾苤鼗魈旎蚨グ迓菟ǎ阌谡觳獾狡湮恢谩?

在钻孔法中，将探针沿钻孔下降，以便提供与陷于井中的矿工的双向声音通信。这一方法是不能令人满意的，因为组织钻孔是费时的，而且倘若不知道矿工陷于井中的确切位置，也是无用的。

对于所有应用于矿井中的电气装备的一个安全要求是该装备必须具有内在安全性。具有内在安全性的装备在正常或不正常的条件下，都不会释放出充分的电或热能以致点燃具有最易着火浓度的特别危险的混合气体。见《电机及电子学工程师联合会（IEEE）电和电子学术语标准词典》，第三版，第463页（1984）。为了满足这一要求，矿业安全和健康署（MSHA）和联合王国健康和安全机关（HSE）要求各种蓄电池要用保险丝和串接电阻电路给予保护。该保险丝被设计成能在电阻温度达到某一值之前熔断。这种电路的缺点是：该电路要求较多的蓄电池以补偿该电阻两端的电压降。应用较多的蓄电池会增大矿井装备的尺寸，而且会降低各蓄电池的容量。

因此，本发明的一个目的是提供一种地下矿井通信系统，在该系统里，多个增音机和地面基站能够利用中频（MF）无线电信号相互进行通信。

本发明的另一目的是提供一种使用地下矿井通信系统进行通信的方法，借此，能够把中频无线电信号长距离传送到地面基站。

本发明的另一目的是提供一种用于将中频信号感应耦合到各导电体上的改进的方法。

本发明的另一目的是提供一种用于将中频信号感应耦合到各天然波导上的方法。

本发明的另一目的是提供一种改进了的电流限制电路，该电路阻止在地下矿井通信系统内的无线电设备中出现引燃条件。

本发明的另一目的是提供一种用于矿井通信系统中的发射机，它在以最高效率产生环形磁矩方面具有最佳条件。

本发明的另一目的是提供一种用于通信系统中的便携式无线电设备，在紧急情况下它可由矿工随身携带。

本发明的另一目的是提供一种用于通信系统中的个人携带的无线电设备，它能够和许多个天线一起应用。

本发明的另一目的是提供一种用于呼叫或向矿工报警的播叫系统。

本发明的另一目的是提供一种用于通信系统中的竖直环形天线单元，它可以由矿工穿在身上，而且其中环形面积将保持不变。

本发明的另一目的是提供一种用于通信系统中的可移动的水平环形天线，它可以安装在机动车辆上。

简短地说，本发明包括一种使用地下矿井通信系统以实现全矿通信的方法，以及一种用于保障在该系统中的电气装备将不会引起各类引燃条件的内在安全电流限制器电路。该系统包括各种便携式无线电设备，个人携带的无线电设备、播叫器、移动式无线电设备和地面站无线电设备，所有这些设备由增音机主干网络连接在一起。所述增音机是与矿井中现有导电体紧耦合的双工无线电收发两用机。各播叫器有一个独立的增音机网络。由系统中的无线电设备发送的信息，通过无线电设备上的竖直的和水平的环形天线，以某一频率感应耦合到各导电体上。该信息由各增音机接收，然后放大、复制并以两种不同的频率发送。这允许该原始无线电信息得以长距离传送到地面站，也发送到系统中的其它无线电设备。各播叫器装有信号灯，该灯由地面播叫器基站发送的数字编码信号启动。这允许地下重要人员得以单独与该无线电系统联系。系统中的每一个无线电设备、播叫器和增音机都配备有一种内在安全（IS）电流限制器电路，该电路保证系统中的故障将不会引起引燃条件。该IS电流限制器电路包括电流跳闸电路、备用电流跳闸电路和限流场效应晶体管（FET）等一系列装置。每当该电路吸收过量的电流消耗时，反馈控制放大器就将限流FET激励到高阻状态。那时，电流跳闸电路就将该系统闭锁在断开位置，直至排除漏电流的故障为止。连在限流FET上的热敏电阻补充了所述反馈控制放大器。系统中每个无线电设备和增音机的发射机单元预定在产生环形磁矩方面具有最大效率。这是通过栽谑被沸翁煜咧邢牡墓β视胍训髦衅翟夭ㄐ藕诺钠德蚀碇壤凶罴咽笛《ǘ迪值摹Ｔ诒痉⒚髦校?0英寸直径的环形天线与便携式无线电设备和增音机一起使用。个人携带式无线电设备能够与多种环形天线结构一起使用，这些结构包括一种可以由矿工穿在身上的、结合在吊带/皮带组合件中的环形天线。所述移动式无线电设备使用一种水平环形天线，它夹在两层板中间，安装在矿车外侧。

本发明的一个优点是各增音机能够利用中频无线电信号与基站进行通信。

本发明的另一优点是各种中频信号能够从位于远处的无线电设备经过长距离传送到通向地面基站的导电体。

本发明的另一优点是利用竖直的和水平的环形天线将中频无线电信号感应耦合到导电体上。

本发明的另一优点是所述竖直环形天线还将中频信号感应耦合到各种自然波导上。

本发明的另一优点是利用改进了的电流限制器电路防止在该矿井通信系统内的无线电设备中产生引燃条件。

本发明的另一优点是各无线电发射机对于产生环形磁矩是经过最佳数值选定的。

本发明的另一优点是它包括能够用于矿井应急场合的便携式无线电设备。

本发明的另一优点是它包括个人携带式无线电设备，该设备能够与多种竖直环形调谐天线一起应用。

本发明的另一优点是它包括可用于呼叫或向矿工发出警报的播叫系统。

本发明的另一优点是它包括改进了的竖直环形调谐天线，该种天线可以由矿工穿在身上，而且它保持一个不变的环形面积。

本发明的另一优点是它包括水平环形调谐天线，该天线能够安装在机动车辆的外侧。

在阅读用各附图图解说明的最佳实施例的如下详细描述之后，本领域的普通技术人员无疑将明白本发明的这些和另外的目的和优点。

图1是本发明的中频矿井通信系统的理想化视图;

图2是图1通信系统的便携式无线电设备和竖直环形天线的方框图;

图3a是图1通信系统的吊带环形天线和个人携带式无线电设备的简图;

图3b表示图3a的吊带环行天线的另一种可供选择的实施例;

图4示出图1通信系统的播叫器;

图5是图1通信系统的移动式车辆无线电设备和移动式水平环形天线的简图;

图6a是本发明的一对增音机的方框图;

图6b是本发明的播叫器增音机的方框图;

图7a是按传统方法设计的内在安全蓄电池保护电路的电路图;以及

图7b是本发明的电流限制电路的电路图。

现参照图1，图上显示了用总的标号20指示的一个中频矿井通信系统。通信系统20包括便携式无线电设备22、可移动的车辆式无线电设备24、个人携带式无线电设备26、播叫器27、多个增音机28、多个播叫器增音机29、地面基站30和播叫器基站31。当然，无线电设备22、24或26，以及地面基站30、播叫器27中的任一个在数量上都可以多一些或少一些。

矿井34内存在许多传输线导电体32。（导体32可以是电话电缆、交流电力电缆、监控电缆、铁轨、各种钢管道等等）在入口处35，各传输线导电体32之间的磁耦合能使导体中的无线电流在就近的导体中感生信号电流。便携式无线电设备22安置在矿井34的工作面36上，在传输线导电体32的正下面。接到无线电设备22上的便携式无线电竖直环形天线38通过连接器40固定在紧靠导电体32之处。可移动的车辆式无线电设备24安装在矿井车辆42里面，而且通过电缆46连接到安装在车辆42外侧的、用车辆运载的水平环形调谐天线44上。个人携带式无线电设备26是一种小型的、蓄电池供电的、预定装在矿工皮带上的无线电收发两用机。由矿工穿在身上的个人携带式竖直环形调谐天线47连接到无线电设备26上。播叫器27也能由矿工携带，并且也将被连接到个人携带式竖直环形调谐天线47上。多个增音机28是一些预定接受两种频率F₂和F₃，而且发送两种频率F₁和F₃的无线电收发两用机装置。增音机28设置在实际的紧靠着导电体32之处。地面基站30包括中频无线电收发两用机，该机能够发送频率F₂和F₃，并且接受频率F₁和F₃。基站30设置在矿井地面入口处或任何其它中心调度或监控地点。地面基站30和播叫器基站31分别通过安置在实际紧靠着导体32的地面基站竖直环形天线49和播叫器竖直环形天线50，耦合到多个传输线导电体32上。该播叫器基站31包括播叫器发射机51、播叫器编码器52和播叫器计算机53。

现参照图2，图上进一步详细地示出了便携式无线电设备22。连接器40是一种环绕在导体32和便携式无线电设备环形调谐天线38上的尼龙卷带，它使天线38紧靠着导体32固定住。天线38是一种竖直环形调谐天线，具有约30英寸的直径“d”，并且通过电线54连接到便携式无线电设备22上。无线电设备22包括中频（300-800KHz）无线电收发两用机55，它能够以接受器56接受频率F₁，而且可由发射机57发送两种频率F₁和F₂;备用的蓄电池包58，该蓄电池被一种内在安全电流限制器59所保护;充电和电源调节电路60;扬声器62;静噪控制按钮64;消除噪声的传声器66;暂停电路68以及外部扬声器69。带有内在安全输出端的远程供电装置70，通过电缆71连接到无线电设备22上。在正常情况下，便携式无线电设备22安装在墙上，并且在全矿通信系统中作为一种固定的无线电设备。在各种应急场合，便携式无线电设备22能够与供电装置70和导体32断开，并且从它安装的墙上取下作便携式的应用。

图3a进一步详细地显示出个人携带式无线电设备26和个人携带式竖直环形调谐天线47。无线电设备26是一种小型的、约1.875英寸厚×4.125英寸宽×8英寸高的中频无线电收发两用机，它能够由发射机80发送两种频率F₁和F₂，而且能以接受机82接受一种频率F₁。无线电设备26包含静噪控制按钮84，并由配备有内在安全电流限制器电路88的蓄电池包86供电。个人携带式环形调谐天线47是一种能够由矿工穿在身上的竖直环形调谐天线。在本最佳实施例中，天线47是一根环形导线，它作为用总的标号92来表示的吊带环形天线的一部分。吊带环形天线92是一种整体的带状装置，包括一对可弯曲的肩带100，该肩带可象吊带一样套在矿工的双肩上。一对横带104在吊带环形天线92的背部与肩带100正交（也就是，该对横带104将处于矿工的背部）。两条横带104之间的间隔是“W”。在肩带100下部端头的若干槽孔106提供一种用于把吊带天线92紧系到围住矿工腰部的皮带107上的方法。也可以把皮带107永久性地连接到吊带环形天线92上。此外，槽孔106也可以是用于把吊带天线92固定到皮带107的其他方法，例如若干扣环、暗扣或钮扣。天线47附着在由横带104和肩带100构成的矩形的外侧表面上。环形天线调谐盒108牢靠地固定在两肩带100之一上。置于调谐盒108内部的串联调谐电路使天线47转换于接受与发送模式之间。连接电线109把无线电设备26连接到调谐盒108上。天线插头110使连接电线109能够插入调谐盒108。天线插头110还使无线电设备26能够连接到其它结构形式的天线上。连接在无线电设备26上的一对夹片112为把无线电设备26接到矿工的普通腰带上提供一种手段。

图3b示出吊带环形天线92的一种可供选择的实施例，用总的标号114表示该天线。在吊带环形天线114中，与吊带环形天线92中类似的各元件用原先的标号加上一（′）来表示。在吊带环形天线114中，一对横带104′在吊带环形天线114的正面与肩带100′正交。环形导线天线47′附着在由横带104′和肩带100′构成的矩形的外侧表面上。环形天线调谐盒108′牢靠地固定在肩带100′之一的前表面上。个人携带式无线电设备26通过和图3a中所述的同样的连接电线109以及该天线插头110连接到环形天线调谐盒108′上。相似地，多个槽孔106′为把吊带环行天线114固定在如图3a所示的矿工皮带上提供一种方法。所描述的吊带环形天线114的实施例是有用的，例如，在矿井抢救行动中，抢救队员在背上携带氧气罐。在那种情景中，倘若天线也置于矿工背上，则氧气罐将使环形天线失谐。

图4示出附着在?a的吊带环形天线92上的播叫器27。播叫器27附在两肩带100之一的前方表面上，并包括能够接受频率F₄的接受器116、译码器118和信号灯120。播叫器由用内在安全电路124保护的蓄电池包122供电。播叫器27通过连接电线125和天线插头126连接到环形天线调谐盒108上。天线插头126允许播叫器27连接到其它结构形式的天线上。

图5进一步详细地示出移动式车载无线电设备24。无线电设备24是一种能够以接受器130接受一种频率F₁，并由发射机132发送两种频率F₁和F₂的中频无线电收发两用机。静噪控制按钮134设置在无线电设备24的面板上。无线电设备24安装在车辆42的驾驶室里面，并通过一种内在安全限制器电路136得到保护。电缆46把天线连接器137连到车载环形调谐天线44上。天线44是由做成矩形的金属线构成的长块，相对于车辆42的车台而水平放置。天线44环绕若干从车辆42的车台31向上伸的园钢138。一对层压板140置于天线44的上面和下面。

图6a进一步详细地示出若干增音器28。每个增音机28包括一台入口中频无线电收发两用机150和一台本机中频无线电收发两用机152。入口无线电收发两用机150能够以接受器154接受频率F₂的信号，同时，以频率F₃放大和复制F₂信号，并由发射机158发送该F₃信号。本机无线电收发两用机152能够以接受器166接受频率F₃的信号，同时，以频率F₁放大和复制F₃信号，并由发射机170发送该F₁信号。接受器154通过增音机竖直环形调谐天线174和把天线174连到接受器154上的天线电缆176与导体32紧耦合。发射机158也通过增音机竖直环形调谐天线180和把天线180连到发射机158上的天线电缆181与导体32紧耦合。相似地，接受器166和发射机170分别通过一对增音机环形调谐天线182和183，以及一对天线电缆184和186与导体32紧耦合。入口无线电收发两用机150和本机无线电收发两用机152分别通过一对内在安全（IS）限制器电路192和196得到保护。一对密封式铅酸蓄电池198和200分别连接到IS电路192和196。

图6b示出若干播叫器增音机29之一。每个增音机29包括一台无线电收发两用机201（该机包含能接受频率F₅的接受器202）和一个能发送频率F₄的发射机204。接受器202通过播叫器增音机竖直环形调谐天线206和把天线206连到接受器202上的天线电缆208与传输线导体32紧耦合。发射机204也通过播叫器增音机竖直环形调谐天线210和把天线210连到发射机204上的天线电缆212与传输线导体32紧耦合。无线电收发两用机201由一组密封式铅酸蓄电池214供电，该蓄电池通过一种内在安全限制器电路216得到保护。

在本发明的最佳实施例中，频率F₁、F₂和F₃分别被选定为400KHz、520KHz和300KHz。作这个选择的根据是对以下事实的实验观测，即，在地下矿井传送线路导电体中传播信号的最佳频率是300KHz。这是因为，在传输线导电体上电磁信号传播衰减率是随着传播频率的减小而减小的。在300KHz该衰减率仅为2dB/1000ft，而500KHz，该衰减率就为4-5dB/1000ft。此外，在频率低于300KHz时，当频率每次减半时，由矿井产生的电噪声就增加6dB。因此，300KHz是一种最佳传播频率。可是，与在传输线导电体的传播效率相反，远程环形天线对传输线的耦合却随频率的增加而改善。因此，520KHz信号在远程天线和导体之间的耦合比300KHz信号的耦合更为有效。

在图1至图5显示的矿井通信系统的功能现在能被阐明了。便携式无线电设备22，移动式无线电设备24和个人携带式无线电设备26都利用它们各自的环形调谐天线38、44和47，以便在靠近的导体32中用磁力感应出信号电流。由于天线38、44和47往往距离导体32有4-15英尺（远程），所以，它们仅在导体32中感应出很微弱的信号电流。为了扩大该系统20的工作范围，利用增音机28来接受微弱无线电信号、放大这些信号而且再次在各导体32中感应出较强的电流。例如，当希望从移动式车载无线电设备上通信时，就以频率F₂发送信号。这一频率允许在车载环形天线44和导电体32之间有效地耦合（甚至当它们实际上并非彼此紧靠着时）。当在导体32中传播的F₂信号遇到增音机28之一时，环形天线174截取F₂信号，并转送到接受器154。该F₂信号被放大、复制（也就是改变为频率F₃），并且通过发射机158以频率F₃发送。因为天线180与导体32是紧耦合的，所以，该F₃信号被有效地反向耦合到导体32上，并传送到系统20中的每一个播音机28和基站30。在每个增音机28上，接受器166通过环形天线182接受F₃信号。于是，F₃信号被放大、复制并以频率F₁从发射机170通过环形天线113被发送返回到导体32上。由于每台移动式车载无线电设备24、个人携带式无线电设备26和便携式无线电设备22总是调谐到频率F₁，因此它们就接受该信号。

无线电设备22、24和26也能直接进行相互间通信，在短距离内，可不用各个增音机28，以频率F₁直接发送信号。

基站30能够通过以频率F₂发送信息给各增音机28而与无线电设备22、24和26进行通信。然后，该信息通过各增音机28而被复制，以频率F₁发送到无线电设备22、24和26。该基站30也能够经由各增音机28，通过以F₃频率发送信号并接收F₁频率的信号而进行通信。

播叫器27功能在于向带着该播叫器的人发出警报使之与地面通讯，包含在播叫器基站31内的播叫器计算机53，能够按程序工作，周期性地发出呼叫，直至带着该播叫器的人应答。计算机53将通过产生数字码来发出该呼叫，从播叫器编码器52发出的该数字码，将以频移键控（FSK）格式进行调制。然后，以频率F₅，由播叫器发射机51发送该数字化编码呼叫。该呼叫从播叫器环形天线50被发送到传输线导电体32上并到达播叫器增音机29。当该F₅信号在导体32中传播并遇到各增音机29之一时，该F₅信号被环形天线206截取并转送到接受器202。该F₅信号被放大、复制并由发射机204以F₄频率再发送。因为天线210与导体32是紧耦合的，所以，该F₄信号被耦合返回到导体32上。当带着播叫器27和吊带环天线92的人走近导体32时，该F₄信号被接受器116接受，被译码器118译码并用以启动信号灯120。这向带播叫器的人发出警报使之与地面通讯。一旦该带播叫器的人已与地面联系上，该播叫器计算机53被命令停止送出呼叫。在该最佳实施例中，频率F₄和F₅被分别选定为450KHz和250KHz。

有三个理由说明应用环形调谐天线（在本发明中例如天线38、44、47、174、180、182、183、49和50）对系统20的功能是重要的。第一，各种环形天线在发送和接受两种模式中都是十分有效的电磁耦合器。在发送模式中，环形天线在就近的导体中产生高电流，而且各种环形天线在发送时并不改变感应系数（饱和）。此外，各种环形天线具有这样一种能力：或者与导体电磁紧耦合（也就是能够在实际上紧靠导体耦合），或者在远处与导体电磁耦合（也就是即使在环形天线离开导体1-20英尺时也能与导体实现耦合）。第二，环形天线具有不但能与传输线导电体而且能与自然波导耦合的能力。当上面由一层导电性较差的材料（例如煤、二碳酸氢三钠或甲硷）包围而下面由导电性较好的岩石包围时，就形成自然波导。众所周知，电磁波的电场分量是竖直极化的、而磁场分量是水平极化的。于是，在该矿井34中，挂在导体32下面一个竖直平面中的环形天线38，能够有效地与电导体32进行电磁耦合，而且还位于接受在工作面36中以自然波导模式传播的电磁波的磁的分量的正确位置上。

自然波导耦合模式的重要性是它能够透过大于1000英尺固体煤和300英尺的岩石，在没有各种导电体存在的场合建立起通信线路。因为环形天线具有不但能耦合各种导电体而且能耦合自然波导模式的能力，所以，便携式无线电设备在矿井34中将具有以下有效距离：

紧耦合有效距离

（导体模式）

导体型类范围（英尺）

无铠装电线对 33，000

铠装电线对 20，000

远程耦合有效距离

模式距离（英尺）

导体 8，000

矿层 1，000（半径）

最后，环形天线的第三个功能性的优点是它们都易于安装，而且比别种耦合装置例如铁氧体或空心螺环形耦合器要便宜得多。在现场试验中已经确定，图1中环形天线38可以简单地利用一段尼龙绳做成的连接器40悬挂在导体32上。

图2至图6中各发射机57、80、132、158、170和204的设计对本发明的功能也是重要的。发射机57、80、132、158、170和204预定能产生最佳环形发送天线磁矩。该磁矩（M）由以下方程式求出：

M＝NIA

式中N＝在环形天线中的匝数;

A＝以平方米为单位的环形天线面积;和

I＝环中的峰值电流。

发射机的最佳化是通过对以下事实的认识而实现的，即，对于环形发射天线来说，M＝（Po/BW）1/2

此处Po＝环中的功率消耗，以及

BW＝该调频载波信号的带宽。这样，在一个串联调谐电路中，

Q＝ωL/R_L＝Po/BW

式中Q＝品质因子（加载Q）

ω＝弧度频率

L＝电感（亨利）

R_L＝串联电阻

为了使磁矩达到最大，环的带宽（BW）要做得尽可能小，却仍有足够宽度以容纳调频载波信号所占有的带宽。因而，在本发明中，把比率Po/BW看作最佳化的电参数而并非只看作加到负载电阻的最大功率。

图2、图3和图5中所示的接收器56、82和130预定包括用于测量接收到的信号对于噪声的比率（S/N）的一种装置。无线电设备22、26和24上的静噪控制按钮64、84和134已经定标，以致该静噪控制按钮的每次动作都显示出10dB的信噪比变化。这个特性回避了无线电维护人员携带场强计确定高声音质量通信范围（衰落边限）的必要。

图2中显示的便携式无线电设备22在矿井通信系统20中起两种重要作用。第一，在正常情况下，无线电设备22在系统20中起一个固定的无线电收发两用机的作用。在矿井34中，若干无线电设备22安置在各个不同的场所，例如工作面36和各安全室中，各带式装载点和中心控制或通信点。外部扬声器69提供高音量声频输出功率，因此，在该装置附近能够听到各种信息。

第二，在紧急状况下，例如着火、爆炸或塌方时，便携式无线电设备22能够从其安装的墙上取下，并由矿工携带，使他能够接受各种撤离指示和信息。

现参照图7a，图上显示出一种按传统方法设计的内在安全（IS）蓄电池保护电路220。电路220包括线绕电阻器222和与蓄电池226串联连接的保险丝224。一对接触点228和229提供了用于从电路220抽取电流的装置。

图7b示出本发明的IS电流限制器电路230。图7b的两个用破折号标出的方框内的各电路元件组成电流跳闸电路232和备用电流跳闸电路234。电路232包括场效应晶体管（FET）236，它串接于接点238和接点240之间。接点238的一个支路包含电阻242、晶体三极管244和FET246，它们串接于接点238和地线248之间，地线248连接到FET246的源引出线上。晶体三极管244的发射极接地。接点250位于晶体三极管244和FET246之间。电阻252连接在接点250和FET236的栅引出线之间。接点254位于晶体三极管244和接点250之间。电阻256连接在接点254和阳极引出线258之间，引出线258连接到12伏蓄电池260的阳极上。电阻262连接在接点240和FET246的栅引出线之间。

接点264位于电阻262和FET246之间。电阻266连接在接点264和地线268之间。

备用跳闸电路234具有与电路232相同的电结构，并包括一对FET270和272和一只晶体三极管274。晶体三极管274的发射极接地。FET270串接在接点240和接点278之间。导线279连接在处于电阻242和接点238之间的接点280和接点281之间。接点281的一个支路包含电阻282、晶体三极管274和FET272，它们串接于接点281和地线283之间，地线283连接到FET272的源引出线上。接点284位于晶体三极管274和FET272之间。电阻286连接在接点284和FET270的栅引出线之间。接点288位于晶体三极管274和接点284之间。电阻290连接在接点288和阳极引出线258之间。电阻292连接在接点278和FET272的栅引出线之间。接点294位于电阻292和FET272之间。电阻296连接在接点294和地线298之间。

图7b中，备用跳闸电路234右边的区域包含限流的FET300，它串接于接点278和线绕电感器302之间。反馈控制运算放大器304通过输出导线306在接点305上连接到阳极引出线258上。电阻307串接于接点305和放大器304之间。放大器304包括电流限制电压比较电路312和状态温度限制器314。输出导线316构成矩形环路318，该环路连接于比较电路312和接点281之间。环路318包括串接于接点281和比较电路312之间的电阻322。比较电路312的输入导线330连接到接地电阻332上。放大器304的另一根输入导线334接地。放大器304的输入导线336（包括电阻338）连接到阳极引出线258。输入导线330上的接点344位于接地电阻332和比较电路312之间。引线346（包括电阻348）从接点344一直连到阳极引出线258上。输入导线349在接点350上将限制器314与导线346连在一起。包括电阻354的导线352连接限制器314与阳极引出线258。引线352上的接点356位于限制器314和电阻354之间。接地热敏电阻358（位于限流的FET300附近）在接点356处连接到导线352。在热敏电阻248和FET300之间用导热的环氧树脂制作热连接件359。FET360的栅引出线在接点361处连接到导体306上。FET360的漏引出线通过导线363在接点362处连接到阳极引出线258上。导线363包括一只电阻264。地线365连接到FET360的源引出线上。输出导线366连接在限制器314和位于导线363上的接点367之间。电阻368连接在FET300的栅引出线和位于导线366上的接点369之间。接地电容器372在位于接点344和接点350之间的接点374上连接到导线346。阳极接线端380位于阳极引出线258的最远离蓄电池260的末端。阴极接线端382位于电感器302的自由端。接线端380和382为把电子设备连接到电路130提供一种手段。

图7b中，电流跳闸电路232左边的区域包括连接到蓄电池260的阴极上的阴极引出线384。若干蓄电池充电二极管386串联连接在靠近蓄电池260阴极的接点388上，与阴极引出线384连接。阴极引出线384在接点390处引出支路。阴极引出线384的一个支路连接到读出电阻392。沿着另一支路，精密线绕式电阻394连接在接点390和接点238之间。读出连接器396位于电阻392的自由端上。阴极充电连接器398位于串联的二极管386的自由端。阳极充电连接器400位于导线402的自由端上，该导线在靠近蓄电池260的阳极的接点404上与阳极引出线258连接。

本发明的IS电流限制器电路230的功能现在能够予以说明。电流限制器电路230预定要取代图7a所示的传统IS蓄电池保护电路220。电路230将会与图1的无线电装置22、24和增音机28一起应用。例如，图2表示便携式无线电装置22配置有蓄电池包58和内在安全限制器电路59。个人携带式无线电设备26配置有较小的IS限制器电路88，该电路具有与电路230相同的结构。

当把无线电设备22、24和26，增音机28和29，以及播叫器27用于气体环境中（例如在煤矿中发现的气体环境中）时，为防止爆炸，就需要电路59、136、88、192、196、216和214。图7b中所示的电流跳闸电路232优于图7a的保险丝224。图7b中所示的反馈控制运算放大器304优于图7a中的电阻222。图7b中的备用跳闸电路234作为电流跳闸电路132的备份。电流限制器电路230的运行把瞬时消耗电流限制在一个内在的安全水平上。

FET236、270和300的初始状态是约0.18欧姆的低沟道电阻状态。流经电阻394的电流根据欧姆定律产生电压V（1）。电流限制电压比较电路312有一个基准电压V（2），通过偏流电阻348和332确定的电压V（2）通常大于电压V（1）。只要该电压V（1）保持小于电压V（2），FET300的沟道电阻就保持在约0.18欧姆的低值。然而，当连接于两接线端380和382之间的装备或者电流限制电压比较电路312的故障导致过高的电流消耗时，电压V（1）就上升到超过电压V（2）的值。这驱使输出导线306到达低电平状态，引起FET300的沟道电阻增大，并从而限制流经FET300的电流。那时，晶体三极管244接通，导致FET236沟道电阻增大。同时，为了把FET236闭锁在其高电阻状态，FET246沟道电阻趋向于低欧姆电阻状态，从而永久性地断开该消耗电流的通路。通过断开接线端380和382能够消除电路230中的闭锁状态。备用跳闸电路234作为电流跳闸电路232的备份。

为了更进一步地保障电路230类似保险丝的性质，以阻止FET300过热，在热连接件359处，用导热的环氧树脂将热敏电阻358与FET300连接在一起。每当热敏电阻358的温度由于V（2）的原因而超过有限设定值时，FET300的栅就被激励到低电平状态，从而增大FET300的沟道电阻。状态温度限制器314的功能是阻止在FET300中形成能引起引燃条件的过热。

当装备跨接在接线端380和382时，瞬时消耗电流流向该装备中的充电电容器。用线绕电感器302来减慢该电流的上升速度。该瞬时电流的能量被限制为小于0.2毫焦耳。

若干二极管386以及充电连接器388和400为蓄电池260的再充电提供一种手段。读出电阻392和读出连接器396为确定蓄电池的充电状态提供一种方法。起初，这是一个高的充电电流变化率，继之以一个平坦的充电变化率。

IS电流限制器电路230的结构保证任一电路中的故障（例如短路）将不会在该电路中引起引燃条件。整个电路230都是被封装了的，以防止煤尘积聚在各元件部件上。

虽然已按照目前最佳实施例对本发明作了描述，但本发明显然并不局限于此。在看过上述说明之后，对于本领域的技术人员来说，进行各种替代和变更是不难的。因此，希望把所附权利要求解释为复盖在本发明的实质精神和范围内的所有替代和变更。

Claims

1、一种用于在矿井里进行通信的方法，其特征在于包括：

a.一台或多台无线电设备磁性地耦合到传输线导电体上，每台无线电设备能够发送至少两种频率F₁和F₂，而且能够接收至少一种频率F₁；

b.一个或多个增音机磁性地耦合到传输线导电体上，每个增音机能够接收频率F₂而且发送频率F₃；以及接收频率F₃，而且发送频率F₁；

c.在频率F₂上，从各无线电设备之一发送信号；

d.在一个或多个增音机上，从所述导电体接收以频率F₂发送的所述信号；

e.从一个或多个增音机，以频率F₃再发送所述信号；

f.在一个或多个增音机上，接收以频率F₃发送的所述信号；

g.从一个或多个增音机，以频率F₁再发送以频率F₃接收到的所述信号；以及

h.在一台或多台无线电设备上，接收以频率F₁，发送的所述信号。

2、如权利要求1中所述的在矿井里进行通信的方法，其特征在于进一步包括：

一台或多台无线电设备磁性地耦合到煤层或岩石层，以激发经由所述矿层传播信号的自然波导模式。

3、如权利要求1中所述的在矿井里进行通信的方法，其特征在于：

频率F₂是大约520KHz以及频率F₃是大约300KHz。

4、如权利要求1中所述的在矿井里进行通信的方法，其特征还在于：

还在地面基站上接收以频率F₃发送的信号。

5、如权利要求1中所述的在矿井里进行通信的方法，其特征还在于：

以频率F₂发送的信号是从地面基站发送的。

6、一种用于矿井里进行通信的方法，其特征在于包括：

a.采用一种或多种环形调谐天线以便使一台或多台无线电设备磁性地耦合到传输线导电体上，每台无线电设备能够发送至少两种频率F₁和F₂，而且接收至少一种频率F₁：

b.采用一种或多种环形调谐天线以便使一个或多个增音机磁性地耦合到传输线导电体上，每个增音机能够接收频率F₂，而且发送频率F₃，以及接收频率F₃，而且再发射频率F₁;

c.从无线电设备之一，以频率F₂发送信号;

d.在一个或多个增音机上，接收以频率F₂发送的所述信号;

e.从一个或多个增音机，以频率F₃再发送所述信号;

f.在一个或多个增音机上，接收以频率F₃发送的所述信号;

g.从一个或多个增音机上，以频率F₁再发送在频率F₃上接收到的所述信号;以及

h.在一台或多台无线电设备上，接收以频率F₁发送的所述信号。

7、如权利要求4中所述的在矿井里进行通信的方法，其特征在于进一步包括：

采用一种或多种环形调谐天线，以便使一台或多台无线电设备磁性地耦合到煤层或岩石层，以激发一种经由所述矿层传播信号的自然波导模式。

8、在中频矿井通信系统中，用于使从环形天线发送的有用功率达到最大值的方法，其特征在于包括：

a.把具有环带宽的环形调谐天线电连接到中频发射机、该发射机能够发送一种具有分立带宽的调谐载波信号;以及

b.把环形带宽调到可能的最小数值，该最小带宽将仍然有足够宽度以容纳调频载波信号的带宽。

9、一种用于使无线电设备操作人员能够确定所接受到的信号的信噪比的方法，其特征在于包括：

a.包括在无线电接收器上的静噪控制装置;

b.设计该静噪控制装置，以便使它能够调定在若干位置;以及

c.对该静噪控制装置进行定标，以便使所述若干位置中的每一位置表明所接受的信噪比变化10dB。

10、一种用于向矿井中的个人发出警报，使其与地面基站通讯的方法，其特征在于包括：

a.利用竖直环形调谐天线，把播叫器发射机耦合到矿井地面上传输线导电体上，所述播叫器发射机能够以频率F₅发送信号;

b.使若干增音机耦合到传输线导电体上，每个增音机利用一对竖直环形调谐天线来实现这种耦合，而且每个增音机能够接收频率F₅并发送频率F₄;

c.利用竖直环形调谐天线使播叫器耦合到传输线导电体上，所述播叫器具有接收频率F₄的能力;

d.从播叫器发射机，以频率F₅发送信号到若干增音机上;

e.在一个或多个增音机上，接受以频率F₅发送的所述信号;

f.放大所接收到的具有频率F₅的所述信号;

g.以频率F₄再发送所接收到的具有频率F₅的信号;

h.在该播叫器上，接受以频率F₄发送的所述信号;以及

i.利用以频率F₄接收到的信号，以启动用于通知矿井中人员与地面基站通讯的警报装置。

11、如权利要求10中所述的，用于向矿井中人员发出警报，使其与地面基站通讯的方法，其特征在于进一步包括以下步骤：

a.在从播叫器发射机发送信号之前，对以频率F₅发送的信号进行数字编码，以及

b.在启动警报装置之前把通过播叫器接收到的信号解码。

12、一种个人携带式竖直环形调谐天线，其特征在于包括：

一种整体式装置，它包括一对柔性的套在工作人员双肩上的肩带，用于把两条肩带连接到工作人员腰带上的装置和一对在该装置背面的，与肩带正交的横带，每条横带连接到每条肩带上，而且两条横带之间留一间隔“W”，以致两横带构成一矩形面积;

一种连续的导线环，它附着在由两横带构成的矩形面积外侧面上;以及

一个环形天线调谐盒，它与该导线环电连接，而且附着在两条肩带之一上。

13、根据权利要求12的个人携带式竖直环形调谐天线，其特征在于：

该对横带在该装置的正面与两肩带正交连接。

14、根据权利要求12的个人携带式竖直环形调谐天线，其特征还在于：

该环形天线调谐盒包含一个串联调谐电路，用于在接受模式和发送模式之间转接该连续导线环。

15、根据权利要求12的个人携带式竖直环形调谐天线，其特征在于进一步包括：

a.一个与该环形天线调谐盒电连接的播叫器，所述播叫器包括一个接受器和一个用于向人员发出警报，表示该接受器已接受信号的装置。

b.把环带宽调节到可能的最小值，该最小值仍然有足够宽度以容纳调频载波信号的带宽。

16、用于从一蓄电池向电子装备提供电流的一种内在安全电流限制器电路，其特征在于包括：

a.一个第一电流跳闸电路装置，它连接在所述蓄电池的接线端和所述电子装备之间，该电流跳闸电路装置至少包括两个场效应晶体管和一个别的半导体器件;

b.一个限流装置，它串接在电流跳闸电路装置和所述电子装备之间;以及

c.一个与该限流装置电连接的基准电压装置，

从而，当基准电压装置检测到所述电子装备中的电故障时，该限流装置就减少流向电子装备的电流，而且该第一电流跳闸电路装置自动启动，以阻止流过所述电子装备的电流。

17、根据权利要求16的电路，其特征在于，

该限制装置是一只场效应晶体管。

18、根萑ɡ?6的电路，其特征还在于，

该基准电压装置是一只反馈控制运算放大器。

19、根据权利要求16的电路，其特征在于进一步包括：

一个第二电流跳闸电路装置，它串接在第一电流跳闸电路装置和限流装置之间。

20、根据权利要求16的电路，其特征在于进一步包括：

连接到限流装置和基准电压装置的热敏电阻。