粉塵對UHF頻段電磁波傳播特性的影響

李杰　周喜

摘 要：煤礦開采、隧道開鑿等施工活動中的各個環(huán)節(jié)都會向井下空氣中排放大量粉塵。這些粉塵漂浮在空氣中，影響著巷道內電磁波的傳播。文章從電磁波的發(fā)射頻率、粉塵濃度、退極化現(xiàn)象以及霧滴的形成等幾方面入手，結合相關文獻中的公式，運用軟件進行仿真，結果表明，電磁波的傳輸衰減隨著頻率的升高而增大；而粉塵濃度、霧滴含水量的增大使得電磁波的衰減增加。進而得出這些因素對電磁波的傳播都將起到削弱作用的結論。

關鍵詞：UHF頻段；粉塵；電磁波；濃度；溫度；霧滴

中圖分類號：TN929.4 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）04-00-02

0 引 言

在工程領域，如煤礦、公路等面臨著大量隧道的開鑿。尤其是我國的煤炭開采，主要以井下為主，煤礦井下工作環(huán)境特殊，人員流動性大，設備復雜，因此，靈活可靠的井下移動通信是提高生產效率和確保礦工生命安全的重要措施之一。煤礦在生產、儲存、運輸以及巷道掘進等各個環(huán)節(jié)都會向井下空氣中排放大量粉塵。尤其是風速較大的作業(yè)場所，粉塵排放量更大。當電磁波處于UHF頻段時，其波長較小，一般小于礦井巷道、公路和鐵路隧道的截面尺寸，因此井下移動通信選擇特高頻段。礦井巷道中復雜的環(huán)境必定對電磁波傳播存在影響，粉塵是巷道中無處不在的微小顆粒，對電磁波的傳播也存在著一定影響，本文通過軟件進行仿真，從各方面印證粉塵對電磁波傳播的影響。

1 粉塵對電磁波傳播的影響

1.1 電磁波發(fā)射頻率

以圓形巷道為例，將懸浮的粉塵等效為小球體，假設這些尺寸大小相等的小球體均勻的分布在巷道內，圖1所示為巷道截面示意圖[1]。

由于粉塵的存在，當電磁波入射到粉塵顆粒上時，顆粒內部將感應出電偶極子，并按入射平面波頻率振蕩，相當于一個偶極子天線向空間各方向輻射電磁能量，產生散射場[2]。根據(jù)瑞利散射近似公式，文獻[3]中得出粉塵引起的總衰減率，見式（1）。

可見在相同的粉塵濃度下，不同電磁波發(fā)射頻率造成的衰減不相同，隨著發(fā)射頻率的增加，電磁波的傳播衰減增大。

1.2 粉塵濃度

在煤礦安全規(guī)程中規(guī)定，作業(yè)場所空氣中的粉塵濃度[5]標準如表1所列。

現(xiàn)分別對粉塵濃度為0.5 mg/m3、2.0 mg/m3、3.5 mg/m3、10 mg/m3和1 000 mg/m3進行仿真，得到如圖3所示的曲線。

井下粉塵分布不均勻，一般炮采工作面的粉塵濃度為300～600 mg/m3，機采工作面作業(yè)地點的粉塵濃度達1 000～3 000 mg/m3，而綜采割煤時粉塵濃度則高達4000～8 000 mg/m3[6]，當粉塵濃度為8 000 mg/m3，電磁波頻率為1 GHz時，衰減約為1 dB/km。

可見，在相同電磁波發(fā)射頻率下，電磁波傳輸功率的衰減隨著濃度的增加而增大，濃度越高，衰減越大。在允許濃度范圍內，粉塵對電磁波的衰減很小，可以忽略不計。當發(fā)生爆炸時，粉塵濃度很高，電磁波衰減很大，可達到1 dB/km，此時粉塵的影響不容忽視。

1.3 粉塵吸收水分子

煤礦井下采煤工作面是連續(xù)產塵強度較大的工作場所，預濕煤體、濕式除塵是國內外煤礦廣泛采用的積極有效的防塵措施。這樣就增加了巷道中的濕度，相對濕度可達到95%，甚至是飽和濕度。當空氣中存在大量的半徑在0.001～10.000μm之間的微粒作為凝結核時，相對濕度即使未飽和也會有霧滴形成。霧滴對電磁波同樣會產生散射和吸收的影響。電磁波通過霧滴后其極化方向發(fā)生旋轉，產生退極化（交叉極化） 和噪聲，對電磁波起衰減作用。

由圖中可以看出，在相同霧滴含水量的情況下，隨著電磁波發(fā)射頻率的增加，衰減也隨之增大。同一頻率下，霧滴的含水量越大，電磁波的衰減也越大。

1.4 溫度

受深度開采產生的地溫、高溫地下水源、地面空氣熱交換以及電氣設備散熱等因素的影響，煤礦井下溫度變化范圍較大。其中，地溫對井下空氣的溫度影響最大，在恒溫帶以下，隨著深度的增加，地溫逐漸升高，不同地點的地溫梯度值不同，其平均值是3 ℃/100 m，有的煤礦井下溫度甚至高達44 ℃[9]。在這種情況下，由公式（3）可以看出，溫度對由霧滴造成的衰減也存在一定影響。事實上，不同溫度下，霧滴對電磁波傳播特性的影響如圖5所示。

在相同發(fā)射頻率和霧滴含水量下，觀察在不同溫度下霧滴對電磁波傳播的影響。由此可見，隨著井下溫度的升高，霧滴對電磁波傳播的衰減會稍微減小。

2 結 語

在煤礦開采、生產的過程中，由于巷道中存在大量的粉塵，粉塵從各方面影響著電磁波的傳播，而電磁波的頻率、粉塵的濃度、退極化現(xiàn)象以及霧滴的形成都是影響電磁波傳播的因素，文中從這些方面入手，分別仿真出相應結果?？傮w來說，這些因素對電磁波的傳播都起的是削弱作用。但是粉塵濃度、霧滴含水量對電磁波傳播的影響相對較大，其中，霧滴的含水量每增加一個數(shù)量級，電磁波的衰減也同樣增加一個數(shù)量級。文中的結論大都是假設巷道中的粉塵為均勻分布的小球體，實際上，巷道中的情況并非如此理想，如果能夠建立非均勻模型，那么結論會更加明顯。另外，巷道的塵源位置、風向、粉塵擴散情況以及電磁波傳播方向等因素也應當考慮進去。

參考文獻

[1]潘濤，李艷東.煤礦巷道中粉塵對電磁波傳播特性的影響[J].煤炭科學技術，2007，35（7）：97-99.

[2]趙靜.巷道中電磁波傳播衰減影響因素研究[J].煤礦機電，2010（4）：22-24.

[3]張妍瑋，張記龍.巷道內粉塵對特高頻電磁波傳播特性的影響[J].煤炭學報，2009，34（11）：1554-1557.

[4]孫繼平，張長森.圓形隧道中電磁波的傳輸特性[J].電波科學學報，2003，18（4）：408-412.

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