[科普中国]-矿用漏泄通信

借助漏泄馈线导行电磁波的原理实现矿井移动通信的无线通信。漏泄馈线兼有射频信号传输 线和天线的作用，可有效地改善煤矿井下无线电波不 能远距离传播的缺陷，特别适用于煤矿井下、隧道等地下有限空间的场合，借以实现固定点(设有基地台)和非固定点 (备有移动台)之间的移动通信。1

基本系统组成和工作原理基本的漏泄通信系统 由沿巷道敷设的漏泄馈线、与馈线直接连接的基地台、 与馈线实现无线偶合的若干个移动台等组成(图1)。

基地台与移动台通信时，基地台的发射机向漏泄 馈线馈送射频信号，通过馈线的传输，与移动台天线偶 合，进入移动台接收机;或反之由移动台发射机发射， 偶合到漏泄馈线，再传输到基地台的接收机。

移动台相互之间一般不能直接通信而需借助基地 台转发。这是因为移动台间直接通信要求射频信号的 传输通过两次偶合，其偶合总损耗相当大，超过了移动 台发射功率和接收灵敏度所允许的正常范围。

系统的无线电收发信机可按不同要求设计工作于 同频单工、异频单工、或异频双工等工作方式。中国应 用较多的是基地台异频双工，移动台异频单工，工作频 率范围为甚高频段。

受漏泄馈线传输衰耗的限制，基本系统的通信距 离较短，为数百米以至千余米。在要求通信覆盖面宽的 场合，应借助于中继器，或采用多个基地台组网。2

漏泄馈线漏泄通信系统的关键传输媒体，是一 种具有“开放”(即无电磁屏蔽)或“半开放”(即部分 电磁屏蔽)式结构的射频传输线，当信号沿该线纵向传 输的同时，还通过其结构上的开放部分向其周围辐射， 从而实现射频信号能量由传输线向周围空间“漏泄”; 反之，线周围空间中射频电磁波的能量也可通过其开 放处进入馈线而参与其纵向沿线的传输过程，形成馈 线内外电磁波能量的相互交换。

按漏泄馈线的结构特点，可分为连续漏泄馈线和 非连续漏泄馈线两大类，两者还可进一步分类如下：

连续漏泄馈线沿线连续产生漏泄效应的传输 线。早期的连续漏泄馈线是一种扁平状平行双导线，属 “开放”式结构。在该线的一端输入射频信号，则在其 周围沿线可测到较强的漏泄场。但这种馈线现已不再 推广应用，主要原因是传输效率低，并且在井下环境 中，当其表面受潮湿、煤尘、岩尘等污染，或安装贴近 巷道壁或金属体时，其性能急剧恶化。

近年，世界各国先后研制了各种以同轴电缆为基 础的漏泄馈线并已达到商品化，称漏泄同轴电缆，简称 漏泄电缆。这种电缆的外导体具有按一定规律开孔、开 槽、或导线疏编织等“半开放”式结构(下页图2)。各 国生产的漏泄电缆结构不尽相同，中国煤矿目前应用 的系疏编织开辫型结构。

处于巷道中的漏泄电缆当馈以射频信号时，信号 主要以两种模式沿线传输：单线模式和双线模式。每种 模式对应着一种特定的电磁场分布。单线模式的场主要存在于电缆外导体与巷道壁之间，是构成漏泄场的 主要因素。由于与本模式相连系的电流系通过有损煤 质巷道壁流通，在传输过程中损耗较大。双线模式的场 主要存在于电缆的内外导体之间，故在 这里又称为同轴模。与本模式相连系的 电流系通过良导体—电缆的内外导体流 通，传输衰减甚小。两种电磁波通过电缆 外导体的开放处不断地交换着能量，使 两者能量的分配达到某种动平衡。调整 开放结构的形状和尺寸，可调整两者的 比例，从而达到既获得所需的漏泄场，又 能高效率传输的目的。

影响漏泄电缆性能的是其内外导 体、绝缘体和外层护套的结构尺寸和均 匀性、绝缘体的材质、空气介质的比例以 及屏蔽结构的型式等。其主要性能参数是内外导体的 直流电阻、特性阻抗、传输损耗和偶合损耗等。传输损 耗是指电磁波在漏泄电缆中纵向传播过程中单位长度 上的功率损耗。偶合损耗是指漏泄电缆和附近天线之 间偶合的功率损耗，一般指离漏泄电缆一定垂直距离 处的半波偶极子天线所接收的功率与该处电缆内部传 输功率之比的分贝数。在矿井条件下使用尚应充分注 意其分布电容、电感电阻比和阻燃性能等与安全有关 的要求。

非连续漏泄馈线将一般非漏泄同轴电缆分段断 开，形成局部开放结构，中间插入漏泄和阻抗匹配的器 件而成。这种漏泄馈线，以非漏泄电缆为主体，其价格 比漏泄电缆便宜。但需另外连接插入装置，增加安装造 价。按插入器件类型，有波模转换器插入式和漏泄段插入式。

(1)波模转换器由电感电容等元件组成，其作用 是当射频信号在电缆中以同轴模式传输到波模转换器 处时，将部分同轴模能量转换成单线模，同时令未转换 的同轴模继续前进而不产生反射。单线模在电缆外向开口处两侧传播，形成足够强的漏泄场供通信耦合之 需。当单线模沿线传播而衰减到不足以满足正常通信时，应再插入一个波模转换器以提供所需的漏泄场。正 确设计波模转换器中元件的参数，可对上述能量转换 实现优化控制。波模转换器的插入间隔视工作频率、单 线模传输衰减及离基地台的距离而异，一般在数百米到百米之间。

这种漏泄馈线系由比利时国家采掘工业研究所 (简称INIEX)的德隆涅教授(P. Delogne)首先研制 成功，其相应的漏泄通信系统称为INIEX—Delogne 系统。

(2)漏泄段插入式漏泄馈线是用适当长度的漏泄 电缆段代替上述波模转换器而成。其与波模转换器相 比的优点在于，当工作频率高至甚高频、特高频段时， 要求波模转换器的插入间隔甚短，一般为70～100m， 使插入装置的数量、安装造价上升。而漏泄段插入式同 轴电缆可以商品化，避免了在安装过程中对传输电缆 的频繁切断和插入连接工作。

与连续漏泄馈线相比，宽间隔、短漏泄段的非连续 漏泄馈线的优点是其安装要求较低。

漏泄通信系统组网漏泄通信系统按是否采用中 继放大器，分为无中继系统和有中继系统。前者又有单基地台系统和多基地台系统，后者又有单向中继系统和双向中继系统：

无中继单基地台系统用于通信距离较短的情 况。漏泄电缆随通信路径敷设。当通信路径有分岔时， 分岔处需接入适当的功率分配装置，以合理分配各支 路的射频信号功率并避免阻抗不匹配引起的反射干 扰。

无中继多基地台系统用于通信覆盖面较宽，超 过一个基地台覆盖能力的情况。由若干个单基地台系 统联网组成。多个基地台借助电话线由地面控制站实 施联络控制。较成功的应用实例最早见于英国1970年 安装在苏格兰Logannet矿井的系统，美国纽约等地早 期的地铁系统也采用这种组成方式。Logannet矿井采 用了约9km漏泄电缆和7km电话线对，一个地面控 制站，三个井下基地台，本安型电话安全栅和若干个手 持式无线电话机来组成系统(见图3)。全程划分 成三段，每段中央设一基地台，通过一对电话线从井上 对三个基地站实施联络控制。通道工作频率为VHF 低段70～90MHz，该段工作频率随后被英国国家煤炭 局 (National Coal Board)确定为NCB制井下专用传 输频段。

单向中继系统由漏泄电缆、按一定间隔插入电 缆段中的单向中继放大器、基地台、移动台以及基地电 源等组成。基本特征是漏泄电缆本身在传输无线电信 号的同时还馈送直流电以驱动单向中继放大器工作， 使无线电信号在由基地台至移动台的单一方向上得到 放大以弥补线路传输损失。实际通信距离可延伸到 10km以上。系统的发展起源于七十年代，英国的马丁 (D. J. R. Martin) 博士和戴维斯教授 (Q. V. Davis)作出了重要贡献。由于中继工作方式为单向的， 为实现自移动台到基地台的信息传输，研制了音频反 馈系统和中频反馈系统，以满足双向通信的要求。

(1)音频反馈漏泄通信系统 基本特征是基地台 发信机和基地台收信机分设在系统两端，用电话联络 线完成通道全程的辅助联结(图4)。其不足之处是难 以实现系统分支。较成功的应用实例见于1973年安装 在英国C矿(Cadley Hill)的系统，采用16dB增益的 单向中继器，耗电仅2.5mA，线路按12V馈电，输出 功率约12.5mW，中继间距为500m，工作频段为70～ 90MHz。以上中继系统的典型数据被英国国家煤炭局 (NCB) 采纳为准制式。

(2) 中频反馈漏泄通信系统 基本特征是基地台 收发信机均设在系统一端，无需专用联络电话线，具有 设置系统分支的灵活性(见图5)。无线电射频信 号在系统中保持单方向传输，至所有系统分支的末端 经变频器转为中频信号，再经由漏泄电缆回馈至系统 始端构成双向传输通路。对于中频频段的信号，反方向 通过中继器及传输线本身的传输损失相当小，无需任 何中间放大，可满足实际应用。

双向中继系统基本特征是采用了串联插接在漏 泄电缆中的双向中继器(，在两个传输方 向上对不同的射频信号均能提供各自方向上的增益，省略了单向中继系统中的专用联络电话线或变频器和 中频反馈措施，且能实现系统灵活分支。英国NCB制 中继系统的典型数据为增益16dB、耗电2.5mA、馈电 12V、输出功率约1mW、中继间距为500m、工作频段 为70～90MHz。3

本词条内容贡献者为:

杨刚 - 教授 - 西南大学