VLF发射天线系统、方法和装置

申请号 CN201280064490.0 申请日 2012-11-19 公开(公告)号 CN104025471A 公开(公告)日 2014-09-03
申请人 维拓警报通信公司; 发明人 M·J·罗珀; V·普扎科夫;
摘要 提供了一种用于产生适用于通过地面或其它厚的固体障碍物通信的低频 磁场 的甚低频(VLF)发射天线系统、方法和装置。将至少两个环形天线布置成使得所述至少两个环形天线中的每个环形天线的磁场穿过所述至少两个环形天线中的每个其余的环形天线,从而将所述至少两个环形天线紧密地耦合。将全桥脉冲宽度调制发射器直接连接到每个环形天线以用于驱动后者。当给定环形天线的环断开并且它的磁场坍塌时,连接到其余环形天线的所述发射器增大其余环中的 电流 以维持恒定的磁场。
权利要求

1.一种用于基于磁感应耦合的透地通信的甚低频(VLF)发射天线系统,所述系统包括:
至少两个环形天线,被布置成所述至少两个环形天线中的每个环形天线的磁场穿过所述至少两个环形天线中的每个其余的环形天线,从而将所述至少两个环形天线紧密地磁耦合;以及
至少两个发射器,每个所述发射器直接连接到所述至少两个环形天线中的对应一个环形天线并且驱动所述至少两个环形天线中的所述对应一个环形天线。
2.根据权利要求1所述的系统,其中所述至少两个环形天线中的每个环形天线包括绝缘的现场接线导体,所述绝缘的现场接线导体形成产生所述磁场的单个环,所述至少两个环形天线的所述环具有相等的尺寸。
3.根据权利要求2所述的系统,其中所述至少两个环形天线的所述导体被布置为围绕公共区域的周围,以便所述至少两个环形天线的所述环被紧密耦合并且产生与所述至少两个环形天线的所述环所产生的磁场的总和相等的远距离磁场。
4.根据权利要求1所述的系统,其中所述至少两个发射器中的每个发射器都是全桥脉冲宽度调制(PWM)发射器。
5.根据权利要求4所述的系统,其中所述至少两个发射器以相同的PWM信号驱动所述至少两个环形天线,以便所述至少两个环形天线中的调制电流相同并且同相。
6.根据权利要求5所述的系统,其中所述PWM信号中的每个PWM信号的采样周期小于所述至少两个环形天线中的每个环形天线的时间常数的八分之一,所述时间常数根据所述环形天线的电感和电阻来确定。
7.根据权利要求2所述的系统,其中响应于所述至少两个天线中所选择的一个天线的所述导体的接线的断开,驱动所述至少两个环形天线中的每个其余的环形天线的所述至少两个发射器中的每个发射器响应于负载阻抗的减少而自动地增大所述至少两个环形天线中的每个其余的环形天线的所述环中的电流,从而抑制由所述接线的所述断开引起的反EMF。
8.根据权利要求2所述的系统,其中所述至少两个环形天线中的每个环形天线被操作为在所述至少两个天线的所述环中的一个环开路时,所述每个环形天线的所述环中的电流增大到等效于所述至少两个天线的所述环的单个环的最大安全电流之上而不产生着火的危险。
9.一种用于产生用于基于磁感应耦合的透地通信的VLF调制磁场的方法,所述方法包括:
将数据信号调制到VLF载波频率
将所述调制信号转换为PWM控制信号;以及
将所述PWM控制信号应用到至少两个全桥发射器,每个发射器直接连接到至少两个分离的环形天线中的对应一个环形天线。
10.根据权利要求9所述的方法,进一步包括紧邻地布置各自形成所述至少两个环形天线中的对应一个环形天线的环的导体,以便所述导体围绕公共区域的周围并且所述至少两个环形天线中的每个环形天线的磁场穿过所述至少两个环形天线中的每个其余的环形天线,从而将所述至少两个环形天线紧密地磁耦合。
11.根据权利要求10所述的方法,进一步包括以高于等效于所述至少两个环形天线的所述环的单个环的最大安全电流的电流来操作所述至少两个环形天线中的每个环,以便增大所述环的整体所产生的远距离磁场。
12.根据权利要求10所述的方法,进一步包括响应于负载阻抗的减少而自动地增大所述环中的每个其余的环中的电流,从而抑制所述环中所选择的一个开路的环中的反EMF。
13.根据权利要求11所述的方法,进一步包括检测所述至少两个发射器中的一个发射器是否开路并且将所述至少两个发射器中的每个其余的发射器中的电流缓慢地减少至原始值。
14.根据权利要求11所述的方法,进一步包括检测指示所述至少两个发射器中所选择的一个发射器开路的故障,将所述至少两个发射器中的每个其余的发射器中的电流减少到零,以及防止通过所述至少两个发射器的进一步传输直到所述故障被清除。
15.一种用于产生用于基于磁感应耦合的透地通信的VLF调制磁场的VLF发射天线装置,所述装置包括:
至少两个分离的环形天线;
至少两个PWM发射器,每个PWM发射器直接连接到所述至少两个环形天线中的对应一个环形天线并且驱动所述至少两个环形天线中的所述对应一个环形天线;以及数字信号处理器,耦合到所述至少两个发射器并且生成驱动所述至少两个PWM发射器的PWM控制信号。
16.根据权利要求15所述的装置,其中所述至少两个环形天线中的每个环形天线包括绝缘的现场接线导体,所述绝缘的现场接线导体形成产生磁场的单个环,并且其中所述导体围绕公共区域的周围布置,以便所述至少两个环形天线中的每个环形天线的所述磁场穿过所述至少两个环形天线中的每个其余的环形天线,从而将所述至少两个环形天线紧密地磁耦合。
17.根据权利要求16所述的装置,其中响应于所述至少两个天线中所选择的一个环形天线的所述导体的接线的断开,驱动所述至少两个环形天线中的每个其余的环形天线的所述至少两个发射器中的每个发射器响应于负载阻抗的减少而自动地增大所述至少两个环形天线中的每个其余的环形天线的环中的电流,从而抑制由所述接线的所述断开引起的反EMF。
18.根据权利要求15所述的装置,其中所述至少两个PWM发射器中的每个PWM发射器包括直接连接到所述至少两个环形天线中的所述对应一个环形天线的功率场效应晶体管(FET)的全桥结构。
19.根据权利要求15所述的装置,进一步包括耦合到所述至少两个PWM发射器的电源和耦合到所述电源以用于所述电源的防止过电压和过电流中的至少一个的保护的保护电路,其中所述过电流可以高达具有与所述至少两个环形天线中的每个环形天线相同的尺寸的单环天线的本质安全电流的七倍。
20.根据权利要求15所述的装置,其中所述至少两个PWM发射器中的每个PWM发射器的状态被用信号发送到所述至少两个PWM发射器中的每个其余的PWM发射器,以使得所述至少两个PWM发射器中的每个PWM发射器能够在所述至少两个环形天线中所选择的一个环形天线变成开路时将每个所述PWM发射器的电流减少到原始值或关闭。
21.根据权利要求19所述的装置,其中所述保护电路包括用于在两个独立电路故障时提供所述保护的三个分离的冗余级。

说明书全文

VLF发射天线系统、方法和装置

[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 根据美国法典第35卷第119(e)款,本申请要求2011年11月17日提交的美国临时专利申请第61/561,134号的优先权,其全部内容通过引用并入于此。

技术领域

[0003] 本发明涉及适用于通过地面或其它厚的固体障碍物通信的甚低频(VLF)发射天线。

背景技术

[0004] 已知当前大多数无线通信技术不能穿过由诸如岩石混凝土土壤的材料制成的厚的固体障碍物。在大于几kHz的频率处,这些弱导电材料的趋肤深度相当小,并且电磁波被衰减到甚至是短距离(小于一米)通过固体材料通信都是不可能的程度。在诸如隧道和矿井的工作环境中,工人因而不能容易地与例如位于该隧道不同部分处或位于地面表面上的主管或其他工人通信。
[0005] 这些通信系统不仅对常规的日常工作有用,而且它们在紧急情况下是不可缺少的。例如,如果隧道坍塌而使工人困于其中,则提供这种通信可以显著地减少寻找和营救被困工人的时间。这将在挽救该工人生命的机会上提供显著的改进。
[0006] 因此,也已经提出一些无线方案用于基于磁感应通信的透地通信。这些系统使用导电线圈来生成甚低载波频率的发射磁场,典型为10kHz以下。由环形天线产生的磁场的强度由天线偶极矩D给出,其中:
[0007] D=A*I*N [1]
[0008] A=天线面积,单位为m2
[0009] I=天线电流,单位安培
[0010] N=环的
[0011] 在矿开采应用中,将安全限值施加到流过给定电感的电线的电流上,以便防止开路产生能够点燃空气甲烷混合物的火花。这直接影响环形天线中使用的电流、尺寸和匝数,并且因此影响偶极矩。这继而限制了磁感应通信系统在煤矿井中安全使用的可用范围。
[0012] 已知使用环形天线用于透地无线电的发射和接收功能。这种天线可以包括若干导体束,其可以并联连接以形成低电阻的发射天线,或串联连接以增加用于接收目的的环的匝数。该天线可以具有单个用于传输的馈电点。虽然并联导体减少了线圈绕组的电阻,但是它们并未显著地改变它的电感。因此,该发射天线结构的偶极矩仅可通过如任何其它传统环形天线那样增加天线尺寸(并且因此增加电感)或电流来增加。
[0013] 进一步已知使用地下矿井通信系统来实现矿井通信并且使用本质安全的限流器电路用于确保该系统中的电气设备将不会引起燃烧条件。该限流器确保电流不会超过MSHA规定的用于本质安全的限值,并且发射器偶极矩因此受到如上所述的限制。
[0014] 另外,已经描述了用于透地通信的天线包括多个导电环,其中每个环可以由分离的发射器驱动。这些发射器将相同的驱动信号提供给每个环,并且布置这些环以便它们的磁场相结合。这种布置可以通过在每个发射器与天线环之间增加限流电路来适用于本质安全的应用。
[0015] 图1是传统多环天线系统的框图。为清楚起见,该框图示出具有三个环形天线的系统,但是可以使用其它数目(m)的天线。VLF信号源1连接到三个发射放大器2a、2b、2c,这些发射放大器提供输出信号,该输出信号以匹配电路3a、3b、3c和变压器4a、4b、4c为条件来将电流驱动进低阻抗天线环5a、5b、5c。在每个放大器与环形天线之间使用以虚线框所示的电流和电压限制器电路6a、6b、6c,以防止天线电流和电压超过用于给定环电感的已知安全级别。因此,如果这些电线中的一个的电流由于切断或断开该电线而中断,它将不能点燃易燃环境。
[0016] 然而,如果使用了m个环,这些环之间的互耦增加了从发射器看去的阻抗。那么,每个环中的电流仅可通过增加发射器电压来维持,其继而施加了更低的安全电流限值。为了将电压和电流维持在安全范围内,因此需要将环数m限值为小的数目,即,四个环,并且通过使用多个限流发射天线所提供的偶极矩和远距离B磁场中的实际改进相当小。
[0017] 因此,显然仍需要改进用于磁感应通信的发射器的性能,同时满足该系统的本质安全的全部要求。进一步需要一种适用于使用电磁感应的透地无线电通信的发射器,其减少了当电流被中断时可用于在易燃环境中着火的能量

发明内容

[0018] 根据第一宽泛的方面,提供一种用于基于磁感应耦合的透地通信的甚低频(VLF)发射天线系统,所述系统包括至少两个环形天线,被布置成所述至少两个环形天线中的每个环形天线的磁场穿过所述至少两个环形天线中的每个其余的环形天线,从而将所述至少两个环形天线紧密地磁耦合,以及至少两个发射器,每个所述发射器直接连接到所述至少两个环形天线中的对应一个环形天线并且驱动所述至少两个环形天线中的所述对应一个环形天线。
[0019] 根据第二宽泛的方面,提供一种用于产生用于基于磁感应耦合的透地通信的VLF调制磁场的方法,所述方法包括将数据信号调制到VLF载波频率上,将所述调制信号转换为PWM控制信号,以及将所述PWM控制信号应用到至少两个全桥发射器上,每个发射器被直接连接到至少两个分离的环形天线中的对应一个环形天线。
[0020] 根据第三宽泛的方面,提供一种用于产生用于基于磁感应耦合的透地通信的VLF调制磁场的VLF发射天线装置,所述装置包括:至少两个分离的环形天线;至少两个PWM发射器,每个PWM发射器直接连接到所述至少两个环形天线中的对应一个环形天线并且驱动所述至少两个环形天线中的所述对应一个环形天线;以及数字信号处理器,耦合到所述至少两个发射器并且生成驱动所述至少两个PWM发射器的PWM控制信号。附图说明
[0021] 结合附图,本发明的进一步特征和优点根据下面的详细描述将变得显而易见,其中:
[0022] 图1是现有技术中用于透地通信的本质安全的天线系统的示意性框图;
[0023] 图2是当电流被中断时环形天线中的电压和电流的曲线;
[0024] 图3是根据本发明的说明性实施例的VLF发射天线系统的框图;
[0025] 图4是图3的VLF发射天线系统的示意性电路图;
[0026] 图5是根据本发明的说明性实施例的用于产生低频磁场的装置的示意图;
[0027] 图6是图3的VLF发射天线系统的天线环中的电压和电流的曲线;
[0028] 图7a是根据本发明的说明性实施例的用于产生低频磁场的方法的流程图;以及[0029] 图7b是图7a的驱动环形天线的步骤的流程图。

具体实施方式

[0030] 为了解释本发明所提供的改进,首先描述基于单环天线的发射器(未示出)的性能。对于单环天线,电流由驱动该天线的发射器的电压和该天线的阻抗来确定。该阻抗具有两个分量,电线电阻和电线电感。电线环的电感(La)由下式给出:
[0031] [2]
[0032] 其中,
[0033] Na=环的匝数
[0034] Aa=环的面积
[0035] d=电线的直径,以及
[0036] c1、c2是与环的几何形状有关的常数。对于方形环,c1=4.00,而c2=1.217。
[0037] 对于30m×30m的单个方形环,电感大约为120μH。
[0038] 使用这些相同的参数,该天线的电阻(Ra)由电线的长度和它的导电率来确定:
[0039] [3]
[0040]
[0041] 其中,ρ是电线的电阻率(对于电线,ρ=1.72×10-8ohm.m)
[0042] 对于由#14铜电线构成的30×30m的环,电阻大约为1ohm。由于适合于地下使用的VLF发射天线相比10kHz处的波长(λ)例如λ=33km很小,辐射电阻相比电线电阻是可忽略的。与地的分路(shunt)电容在10kHz以下对天线阻抗的影响也很小,并且可以被忽略。那么该天线的阻抗(Za)由下式给出:
[0043] Za=Ra+jωL [4]
[0044]
[0045] 其中,Ra=电线的电阻,
[0046] Ω=发射信号的频率,单位r/s,以及
[0047] L=天线电感,同上。
[0048] 对于给定的最大发射器输出电压,天线的峰值电流(Ia)则由下式给出:
[0049] [5]
[0050]
[0051] 其中,VS是最大发射器输出电压。
[0052] 如果发射天线电线被断开或切断,环的磁场的坍塌引起电感器上的反电动势(EMF)。法拉第定律显示环中的EMF的幅度等于磁场的变化率。在数学形式中,€这被表示为:
[0053] ,其中 [6]
[0054]
[0055] [7]
[0056]
[0057] 并且其中,€是反EMF,L是环的电感,而I是产生磁场ф的电流。当该电路突然被断开时,磁场的变化率会很高,从而在天线电线的断开处相应地产生大的反EMF。该高电压可以产生能够在包含危险气体、液体或灰尘的区域中引起爆炸的火花放电。
[0058] 图2是以8A峰值发射信号驱动的具有80μH电感的环形天线的天线电流21和电压22的曲线。较大的正弦波形23是发射器电流,其被点24处的开路中断。最初,该天线上的AC电压25是24V峰值,但是当该电路被断开时,由反EMF所产生的脉冲26超过了200V,从而产生了可见的火花。在稳态条件27下,该开路环中的电压和电流都是零。为了防止该火花点燃易爆气体环境,必须严格限制电流被中断时释放的能量的量。这继而限制了天线电感、输入电压和电流。基于不同类型的易爆气体环境的广泛试验,这些限值已经由很多管理机构建立。
[0059] 图3是VLF发射天线系统100的示意性框图。在该系统100中,开路环中的反EMF通过使用一个或多个相同尺寸的附加环来抑制,这些附加环被紧密地耦合到第一环并且由设计为能够响应于负载变化提供电流的快速输出的发射器电路驱动。当这些环中的一个被断开并且它的磁场坍塌时,其它发射器能够增加其余环中的电流并且维持恒定的磁场,因而防止了火花生成。
[0060] 若干(m个)物理上分离的单圈环30a、30b、…、30m被用于产生VLF磁场,并且每个由分离的全桥脉冲宽度调制(PWM)发射放大器或发射器31a、31b、…、31m驱动。系统100的输入是数据源32,其可以是来自键盘或其它源的文本数据或数字处理和压缩的语音。该数字数据被输入到调制器33,在调制器33中它被用于相位和/或幅度调制正弦载波以产生频率范围300Hz到10kHz的发射信号波形,适用于透地通信。例如,该调制可以是QPSK或n-QAM。
[0061] 接着,该调制发射信号波形被输入到PWM调制器34,PWM调制器34提供控制信号来驱动全桥PWM发射器31a、31b、…、31m。使PWM时钟频率为调制正弦载波频率的四倍以提供低失真的输出。为了对负载变化提供快速且准确的响应,时钟周期还应当小于天线的自然响应时间的八分之一(1/8),并且由它的电感和电阻来确定。例如,对于具有120μH电感和1ohm电阻并且具有120μsec时间常数的环形天线,期望小于15μsec的PWM周期。
[0062] 实际上,可以以高达200kHz的采样率操作PWM调制器34,从而对天线阻抗的变化提供很快的响应时间。载波和PWM频率从通用的稳定时钟35获得。PWM控制信号由驱动器36a…36m缓冲,驱动器36a…36m为每个发射器31a、31b、…或31m中的开关器件提供电平偏移信号。接着,发射器输出具有相同的幅度和相位,并且被直接连接到天线而无需通过限流电路。小的电磁干扰(EMI)滤波器(未示出)可以与该天线串联而不影响该系统的操作。
[0063] 每个发射器31a、31b、…、或31m经由分离的保护电路37a…37m供电,这防止了过高的电压或电流供给该发射器。保护电路37a…37m继而被连接到公共DC电源38,电源38可以包括备用电池。用于形成天线环30a、30b、…、30m的导体紧密地围绕公共区域(未示出)的周围,各自形成分离的单匝(N=1)环形天线。这些导体分别以足够的间隔绝缘以防止它们短路。该拓扑结构使每个环例如环30a所产生的磁场的大部分穿过其余全部的环例如环30b、…、30m,以便它们被全体环30a、30b、…、30m所产生的磁场紧密地耦合起来。同样,由于每个发射器31a、31b、…或31m由相同的PWM波形驱动,这些天线电流相同并且同相。天线所产生的远距离B磁场是每个环30a、30b、…或30m所产生的磁场的总和。
[0064] 如虚线框所示,电气部件可以容纳在防爆外壳39中。但是,期望这些天线电线被暴露以便产生可以在远处检测到的磁场。如果形成每个环的绝缘电线直接彼此层叠布置,则环之间的磁耦合最高。然而,如果围绕30m×30m天线区域的周围布置的电线彼此分离开例如高达10cm,则这些环仍然被紧密耦合,耦合系数超过95%。如上所述,该耦合系数足够抑制开路环上的电压。
[0065] 图4是天线系统100的示意性电路图。每个环30a、30b、…30m由各自的电感(L)40a、40b、…40m和电阻(R)41a、41b、…41m表示,并且被连接到表示发射器31a、31b、…31m的AC电压源42a、42b、…42m。环30a、30b、…30m之间的磁耦合由虚线A表示。环
30a、30b、…30m被示出以相同的频率和相位来驱动,如每个电感上的点规定所示。环1例如环30a中的电感上的反EMF由下式给出:
[0066] [8]
[0067]
[0068] 其中,L1、Lm分别是环1和m的电感,而k1m是这两个环之间的耦合系数。在本发明的一个实施例中,每个环的电感和每对环之间的磁耦合大约相同,所以等式[8]可以归纳为:
[0069] [9]
[0070]
[0071] 其中,k是共同的耦合系数,而m是环的数目。因此,每个环中的反EMF相比单环(参见等式[6]和[7])增加了系数(k﹒m)。对于固定的电源电压,每个环中的电流(Im)相比单环中的电流(I)则减少相同的因子,以便:
[0072] [10]
[0073]
[0074] 如果一个环变成开路,那么该环中的电流降至零,并且由于负载阻抗的减少,其余环中的电流增加至:
[0075] [11]
[0076]
[0077] 以比率表示,则该增加为:
[0078] [12]
[0079]
[0080] 假定发射器输出并未限流并且发射器相应足够快,该电流增加补偿了开路环中的电流损失,并且将该磁场穿过这些环维持在恒定电平,因而防止了开路上的反EMF。
[0081] 图5是用于产生低频磁场的装置200的示意性电路图,该图示出发射放大器31a、31b、…31m和保护电路37a、37b、…37m之一的实施例。图3的信号调制功能33、34由数字信号处理器(DSP)50实施。DS P50的输入是要发送的数据51,而输出是两个互补的PWM控制信号52、53。互补的PWM控制信号52、53被驱动器电路36转换为用于四个场效应晶体管(FET)54的电平偏移的控制电压,这四个场效应晶体管54形成PWM发射放大器例如发射放大器31a的输出级。FET54以全桥结构布置,以便其等效电路30如虚线框中所示的天线环的一端可以被切换到地端或发射器电源电压55。因此,通过以适当的PWM波形驱动该桥,可以将交替的电压施加到天线。
[0082] FET54以高时钟频率例如96kHz和0与100%之间的占空比被打开和关闭。该占空比确定施加到天线上的瞬时输出电压,并且因此确定天线电流。每个FET54被二极管56旁路,二极管56用于防止漏源电压的逆转或过高。
[0083] 发射器例如发射器31a由外部电源38供电,外部电源38经由电流传感电阻57和串级控制FET58被连接到发射器电源55。发射器如31中的输入电压由电压传感电路59监控,如果该电压超过用于该天线的安全值,则电压传感电路59经由控制电路60关闭串级FET58。连接到传感器电阻57上的电流传感器61监控驱动到该天线的峰值电流,并且如果该峰值电流超过用于多环VLF天线的安全值,也经由控制电路60关闭串级FET58。控制电路60被设计为经由串级FET58缓慢地减少发射器电源电压,以便该天线中的磁场的变化率也是缓慢的并且如果该天线间歇短路则自身不会产生不安全的反EMF。采用来实施电压传感器59、电流传感器61、串级控制FET58和控制电路60的电路被示出为三重冗余,以便这些保护功能在任何两个独立电路发生故障时仍然保持原功能。
[0084] 电压传感器59和电流传感器61还被连接到DSP50或其它控制逻辑,以便实施附加的控制功能。例如,可以基于这些传感器输出的状态修改或禁用PWM输出。状态信号也被示出为通过通信链路62发送到该系统中如31b、…31m中的其它发射器并且从该系统中如31b、…31m中的其它发射器接收。该信号被用于指示发射器31a是否由于过电流或过电压状况而被关闭,或者如果电流很低,则指示该天线被断开。该信号还可以被用于当一个环被断开时将其余天线环中的最大电流减少到原始值。可替代地,它可以被用于当在一个发射器中检测到故障状况时关闭其余全部的发射器。
[0085] VLF发射天线系统的操作如图6中所示,图6是该VLF发射天线的这些天线环之一中的电流和电压的示波器曲线。在该实例中,如上所述,使用如30a和30b中的两个分离的环,并且每个被连接到如31a、31b中的PWM发射器。下部的轨迹70示出环例如环31a中的电流71,其在时刻72开路。如图2中所示,当在时刻72产生开路时,AC波形为相同值。时刻72之后,电流73为零。上部的轨迹74示出天线环上的电压开路。由于天线负载主要为电感,所以天线环电压和电流的相位偏移九十(90)度。
[0086] 当电流在时刻72被中断时,电压波形从发射器输出电压75平稳地过渡到现在开路的环中由第二环中的电流感应的稍低的反EMF76。仅小脉冲77,在这种情况下低于5V,在该电路被中断时被加到该波形。这比相同天线作为绝缘环操作时所产生的小四十倍,并且开路所释放的能量(与电压的平方成比例)小1600倍。因此,本发明的最大安全电流明显比单环或限流多环天线高得多。
[0087] 从第二可操作环例如环31b所感应的EMF75与发射器电压同相,并且因此,如果该电路被重新连接,也减小了初始浪涌电流。因此,该电路在间歇开路时仍然是安全的。然而,如果在天线环中检测到开路,则优选的是安全地关闭该发射器。如图3中所示,该功能由如37a、37b、…37m中对于每个发射器31a、31b…31m的分离保护电路来实施。每个保护电路
37a、37b、…或37m以比率减小到对应发射器31a、31b、…或31m的电流,这不会提供显著的反EMF。
[0088] 虽然取决于很多因素,但是电路产生火花的能大体上取决于该电路断开或开路时释放的能量。在电流流过电感时,磁场中的能量E由下式给出:
[0089] E=1/2L·I2 [13]
[0090]
[0091] 由于不完美的耦合和发射器响应时间,在实际的天线系统中,仅该能量的98%可以被其余环中增加的电流所取代。那么,可用于火花产生的能量为具有相同电感和电流的单环天线的2%。因此,VLF发射天线系统100中的每个环中的电流Im可以增加高达因子-1/2(0.02) 或七倍而不增加可用于着火的能量。
[0092] 具有电流I0的传统单环天线的偶极矩(DM)由下式给出:
[0093] [14]
[0094]
[0095] 本质安全的单环天线的偶极矩由下式给出:
[0096] DM=Is·A [15]
[0097]
[0098] 其中,Is是对于给定发射器电压和环电感的最大安全电流。如果Is小于I0,则天线电流必须通过限流器电路而被限制到Is。对于多环天线,每个环中的电流如上所述通过互耦减小。最佳设计使用m个环,以便每个环中的电流Im等于Is。那么,传统多环天线的偶极矩可以是单环天线的m倍,使得:
[0099] DM=m·Is·A [16]
[0100]
[0101] 那么,该VLF天线系统的偶极矩由下式给出:
[0102] DM=(7)·m·Is·A [17]
[0103]
[0104] 因此,使用四个环和发射器的VLF发射天线系统提供比传统的本质安全的四环天线系统可能的偶极矩大七倍的偶极矩,并且远距离接收的磁场将高17dB。
[0105] 现在参照图7a,现在将描述用于产生低频磁场的方法300。如上面参照图3所述,方法300被示出包括:在步骤302接收数据信号,在步骤304将该数据信号调制到VLF载波频率,以及在步骤306将该调制信号转换为PWM控制信号。方法300进一步包括在步骤308驱动紧密磁耦合的环形天线。方法300可以在每个离散的PWM周期执行,即每个时钟周期重复。
[0106] 参照图7b,驱动环形天线的步骤308被示出包括在步骤310将PWM控制信号施加到耦合到该环形天线的发射器。步骤308可以进一步包括在步骤312以等效的单环天线的最大安全电流之上的电流操作该环形天线。如上所述,通过这种方式,可以增加全体环所产生的远距离磁场。步骤308可以进一步在步骤314检测该环形天线中的一个是否开路。如果不是这种情况,则方法300可以结束。否则,在步骤316可以增加其余环形天线中的电流,以便抑制开路的环中的反EMF。方法300还可以在步骤318确定故障状况例如开路是否已在这些发射器中的一个中发生。如上面所讨论,这可以通过使用从这些发射器接收的状态信号来实现。如果没有检测到故障,方法300可以结束。否则,在步骤320可以将其余发射器中的电流缓慢地减少到原始值,而开路的发射器断开。可替代地,在步骤322该电流可以被缓慢地减少到零,即关闭,从而防止进一步的传输。
[0107] 应当理解,本发明在申请中并未限制到描述中所阐述或图中所示的结构细节和各部件的布置。本发明能够有其它实施例并且能够以各种方式实践和执行。同样,应当理解的是,这里采用的措辞和术语是为了描述的目的,并且不应当被视为限制。
[0108] 应当注意,本发明可以作为方法执行,可以在系统或设备中实施。上面描述的本发明的实施例仅是示例性的。因此,本发明的范围仅由所附权利要求的范围限制。
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