相關(guān)申請的交叉引用

本申請要求于2012年7月20日提出的題目為無線地下通信的天線的美國申請序列號No.61/673,757的優(yōu)先權(quán)，該申請的公開通過引用并入于此。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開涉及無線天線，并且更具體地涉及無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)(WUSN)的地下天線的特性。

背景技術(shù)：

無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)(WUSN)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)對地下設(shè)備的自然擴張。WUSN通常包括埋在土壤中的傳感器微塵，并且例如能夠提供精細農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)控和虛擬圍欄方面的應(yīng)用。在地下設(shè)備中建立無線通信鏈路可能是有挑戰(zhàn)性的。可能會增加挑戰(zhàn)性的示例因素包括土壤的高電容率、土壤空氣界面特性和特定的實時土壤狀況。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

公開了用于輻射經(jīng)過耗散介質(zhì)的地下天線結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)和方法。另外，公開了用于測量諸如土壤的耗散介質(zhì)中的狀況的系統(tǒng)和方法。在圖3-8中示出了經(jīng)驗評估，從而示出考慮土壤中的波長改變和從土壤空氣界面的反射兩者而設(shè)計的天線能夠適應(yīng)土壤濕度的主要改變，并且與僅基于土壤中的波長改變而設(shè)計的天線相比，能夠改善通信距離達到587％。作為示例，在本文獻中描述的具體寬帶天線的選擇或設(shè)計能 夠?qū)е略谔炀€和一個或多個其他結(jié)構(gòu)或網(wǎng)絡(luò)之間發(fā)生的通信的通信距離增加。

在一種實施方式中，公開了一種用于輻射經(jīng)過耗散介質(zhì)的地下天線結(jié)構(gòu)。所述天線結(jié)構(gòu)包括電介質(zhì)基板，布置在基板上的饋送結(jié)構(gòu)，以及配置在基板上、被定向并被埋在耗散介質(zhì)中的一個或多個電導體。在一些實施方式中，電導體適配于以與耗散介質(zhì)相鄰的半空間中的頻率輻射信號。這樣的適配例如可以包括至少部分地基于耗散介質(zhì)的相對電容率(例如含水量)而為一個或多個電導體設(shè)計波束寬度狀態(tài)。在一些實施方式中，天線結(jié)構(gòu)是對于多種土壤狀況維持小于大約負10分貝的回波損耗的寬帶天線。在一個示例中，寬帶天線具有大約100毫米的直徑，并且天線被埋在非均質(zhì)土壤中。

在一些實施方式中，一個或多個電導體被定向為朝向并且大致平行于自由空間與耗散介質(zhì)之間的界面，并且由地下天線結(jié)構(gòu)發(fā)射的相應(yīng)輻射圖案朝向界面是單向性的。在一些示例中，天線結(jié)構(gòu)被埋在耗散介質(zhì)中大約0.1米直到大約1.0米處。

在一些實施方式中，天線結(jié)構(gòu)包括能夠適配于提供適應(yīng)不同土壤狀況下從土壤到空氣的臨界入射角度的波束寬度的電路。在天線結(jié)構(gòu)的一些方面，該波束寬度狀態(tài)導致對于地下天線結(jié)構(gòu)與一個或多個其他結(jié)構(gòu)或網(wǎng)絡(luò)之間的通信的無線通信距離增加。臨界入射角度可以是大約5度與大約15度之間的臨界操作角度θ_c，其中臨界操作角度θ_c值至少部分地基于耗散介質(zhì)的電容率。在一些示例中，臨界操作角度θ_c表示超過該角度對于天線結(jié)構(gòu)不存在折射的角度。

在另一個實施方式中，公開了用于測量耗散介質(zhì)中的狀況的無線地下系統(tǒng)。系統(tǒng)包括一個或多個無線濕度傳感器，每一個無線濕度傳感器包括傳感器板、在傳感器板內(nèi)的處理器和與處理器通信并耦接至天線的收發(fā)器。系統(tǒng)還包括網(wǎng)關(guān)，其被配置為接收并發(fā)送無線消息， 并且進一步被配置為與網(wǎng)絡(luò)通信，并且接收和中繼來自一個或多個無線濕度傳感器的無線消息。在一些實施方式中，每個無線濕度傳感器被配置為(i)從沿著耗散介質(zhì)的長度的多個傳感器收集關(guān)于耗散介質(zhì)的狀況的數(shù)據(jù)，并且(ii)響應(yīng)于檢測到耗散介質(zhì)的電容率的改變的閾值水平，維持回波損耗的閾值水平。

在一些實施方式中，耗散介質(zhì)的電容率的改變的閾值水平包括耗散介質(zhì)的濕度水平的大約百分之五的增加或減少，并且回波損耗的閾值水平小于大約負10分貝。

在一些方面，一個或多個無線濕度傳感器能夠收集來自耗散介質(zhì)內(nèi)的至少兩個深度的數(shù)據(jù)。示例的深度可以包括在耗散介質(zhì)(例如土壤)的表面下面大約0.1米和在耗散介質(zhì)(例如土壤)的表面下面大約1.0米。

在另一個實施方式中，公開了用于操作輻射經(jīng)過耗散介質(zhì)的地下天線結(jié)構(gòu)的方法。方法包括使用地下天線結(jié)構(gòu)測量與多個無線傳感器周圍的耗散介質(zhì)相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，其中多個無線傳感器耦接至天線結(jié)構(gòu)。方法還包括響應(yīng)于檢測到耗散介質(zhì)的電容率的改變的閾值水平，而對于天線結(jié)構(gòu)維持回波損耗的閾值水平小于大約負10分貝。示例的耗散介質(zhì)的電容率的改變的閾值水平可以包括耗散介質(zhì)的濕度水平的大約百分之五的增加或減少。方法還包括使用天線發(fā)送來自多個無線傳感器的一個或多個無線消息。消息可以與測量的數(shù)據(jù)相對應(yīng)。

有利地，所描述的系統(tǒng)和技術(shù)可以提供一個或多個益處，諸如基于確定實時土壤特性而能夠從無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)收集的信息增加。作為另一個優(yōu)點，在地下通信中使用寬帶天線提供了被設(shè)計為補償土壤中的簡單波長改變的天線的顯著的距離增加。

在附圖和下面的說明書中闡述一個或多個實施方式的細節(jié)。根據(jù) 說明書和附圖以及權(quán)利要求，本發(fā)明的其他特征、目的和優(yōu)點將會顯而易見。

附圖說明

圖1是用于測量土壤特性并提供貫穿無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)(WUSN)的地下通信的系統(tǒng)的概念圖。

圖2A-2B是示出地下天線的示例分析的概念圖。

圖3A-3C圖示了在空氣和土壤中的偶極子天線的回波損耗的示例理論分析。

圖4A-4B圖示了在空氣和土壤中的偶極子天線的示例仿真。

圖5A-5F圖示了對于不同天線類型測量的回波損耗。

圖6A-6B圖示了對于放置在不同介質(zhì)中的多個不同天線的諧振頻率偏移。

圖7A-7D圖示了對于被埋在30厘米深度的多個天線的測量的回波損耗。

圖8圖示了對于不同土壤濕度中的不同天線的多個頻帶。

圖9是用于無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)的圓形平面天線的示例圖。

圖10圖示了表面下的地下通信的三條路徑的示例。

圖11是用于操作輻射經(jīng)過耗散介質(zhì)的地下天線結(jié)構(gòu)的示例方法。

圖12是可以用于實施在本文獻中描述的系統(tǒng)和方法的計算設(shè)備的方塊圖。

在不同附圖中的相同附圖標記指示相同元素。

具體實施方式

在無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)(WUSN)中使用的天線可以被埋在土壤、水或巖床中。埋設(shè)天線去除了在傳統(tǒng)通信情況下發(fā)生的天線波傳播所共有的露天方面。該露天傳播特性的去除通常引入了關(guān)于天線阻抗匹配的一個或多個問題，這反過來在WUSN中的一個或多個天線之間引入了許多通信問題。

使用電磁信號(即電磁波)的無線通信通常當波被發(fā)送經(jīng)過諸如土壤或巖石的損耗介質(zhì)時涉及高水平的信號衰減。在一個示例中，高水平的信號衰減可以是由于信號在介質(zhì)中的吸收。影響可能包括極度的信號損耗，由于土壤的非均質(zhì)性而導致的多徑效應(yīng)，由于電氣接地電流而導致的噪聲，和/或在降雨之后由于潮濕土壤而導致的延長的中斷周期。

當傳播經(jīng)過土壤或巖石時的信號損耗量取決于材料的性質(zhì)。例如，土壤中過多的水的存在可能產(chǎn)生大量的衰減，這通常隨著土壤的含水量增加而增加。在一些實施方式中，水對信號的影響取決于在無線通信中使用的頻率。通常，當傳播經(jīng)過土地時，低頻將會經(jīng)歷較小的衰減。能夠影響傳播經(jīng)過土地的電磁信號的衰減的其他土壤因素可以包括例如土壤密度、土壤微粒尺寸和/或土壤溫度。

圖1是用于測量土壤特性并提供貫穿無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)(WUSN)102的地下和地上通信的系統(tǒng)100的概念圖。在高層處，系統(tǒng)100包括傳感器網(wǎng)絡(luò)102中的多個傳感器，其用于測量環(huán)境特性。傳感器可以表示無線通信網(wǎng)絡(luò)，在其中諸如傳感器數(shù)據(jù)、操作數(shù)據(jù)、命令和/或環(huán)境數(shù)據(jù)的消息能夠在傳感器與諸如網(wǎng)絡(luò)102或104的一個或多個網(wǎng)絡(luò)之間無線地通信，從而到達諸如服務(wù)器106的服務(wù)器。在一些實施方式中，服務(wù)器106(或者經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)104連接的其他設(shè)備)能夠?qū)⑿畔⒑拖е罻USN 102中的一個或多個傳感器。對于每個無線傳感器的通信能力可以取決于許多環(huán)境因素。因此，能夠使用天線設(shè)計技術(shù)設(shè)計電路以確保土壤特性和/或環(huán)境因素中的改變不會影響傳感器的通信能力。

通常，WUSN 102中的傳感器可以以特定的排列或間隔被埋設(shè)。在一個示例中，傳感器可以被均勻地間隔開并且埋在相同深度，從而在相同深度以均勻增量建立土壤測量。例如，這能夠幫助了解對農(nóng)田的灌溉需求。在一些實施方式中，能夠基于來自測量所需的具體信息 而以變化的深度和變化的間隔來間隔開傳感器。每個傳感器能夠包括傳感器板，傳感器板內(nèi)的處理器，以及與處理器通信并且耦接至天線的收發(fā)器。

在一些實施方式中，傳感器可以是無線濕度傳感器，其被配置為收集關(guān)于耗散介質(zhì)(例如土壤)的狀況的數(shù)據(jù)。例如，傳感器能夠檢測土壤中的改變，諸如土壤的濕度的改變的閾值水平。

傳感器能夠經(jīng)由配置為接收和發(fā)送無線消息的無線網(wǎng)關(guān)而被連接。該網(wǎng)關(guān)還可以配置為與一個或多個網(wǎng)絡(luò)通信，并且接收并中繼來自多個無線濕度傳感器的無線消息。

在地下通信中，存在能夠用于確定天線的阻抗的許多因素。這樣的因素可以包括但不限于土壤中的波長，從土壤-空氣界面的反射，以及土壤濕度的改變。在下面的示例中，天線能夠被表示為Z_a，并且收發(fā)器可以被表示為Z_s。為了有效的無線通信，示例天線Z_a的阻抗通常與示例收發(fā)器Z_s的輸出阻抗匹配，從而使得輻射功率最大化并且返回收發(fā)器的功率最小化。

在操作中，地下天線的阻抗是波長的函數(shù)，當電磁波在土壤中傳播時波長會變短。因此，對于給定的頻率，在空氣中的匹配天線當被埋在土壤中時很可能不再匹配。另外，在用于農(nóng)業(yè)的WUSN應(yīng)用中使用的地下天線通常包括多個傳感器微塵，每一個具有一個或多個天線(例如一個或多個天線和/或天線陣列)。這些傳感器微塵通常被埋在0.3-1米的深度。在該埋設(shè)深度，從土壤-空氣界面的反射可能會干擾天線上的電流分布，這可能會進一步改變天線的理想阻抗。因此，土壤不能被視為無限介質(zhì)。因此，在本說明書中描述的示例和技術(shù)采用半空間模型。因此，在均質(zhì)土壤介質(zhì)中匹配的天線可能在該半空間情況下不匹配。土壤的另一種獨特特性是它的電容率隨著土壤濕度的變化而改變。因此，地下天線可以被設(shè)計為在WUSN的壽命中適應(yīng)由 土壤濕度的變化而導致的阻抗改變。在下面描述阻抗匹配、土壤電容率分析、埋設(shè)的天線仿真和天線設(shè)計以適應(yīng)土壤特性的示例。

如本文獻中所使用的半空間模型的使用包括被一個平面劃分的兩種媒介(例如土壤和空氣)。

土壤的相對電容率

當電磁波被入射到土壤中時，由于土壤與空氣相比的較高的電容率，波長會改變。土壤電容率取決于多個土壤性質(zhì)，僅舉幾個示例，諸如容重、土壤質(zhì)地、土壤濕度(體積含水量)、鹽度和溫度。幾個模型可以被用于獲取相對電容率的特性。這些模型描述土壤-水混合物的不同成分，即土壤、空氣、自由水和束縛水的相對電容率。在下面的示例中，對于土壤使用半經(jīng)驗電容率模型，但是也可以用其他模型替代。因此，土壤-水混合物的有效電容率是一個復數(shù)，其可以被建模為：

∈_s＝∈′_s-∈″_s (1)

其中f是赫茲頻率，∈_s是土壤-水混合物的相對復數(shù)介電常數(shù)，m_v是體積含水量，ρ_b是容重，以及ρ_s是顆粒密度，并且δ、v′和v″是經(jīng)驗確定的土壤類型依賴性常數(shù)，由下式給定：

δ＝0.65 (4)

v′＝1.2748–0.519S–0.152C (5)

v″＝1.33797–0.603S–0.166C (6)

其中S和C分別表示沙和粘土的質(zhì)量分數(shù)。公式(2)和(3)中的；量∈′_fω和∈″_fω表示自由水的相對電容率的實部和虛部，并且從德拜模型計算而獲得：

其中∈_ω∞＝4.9是當f→∞時∈′_fω的極限，∈_ω0是水的靜態(tài)介電常數(shù)，并且∈₀是自由空間的電容率。τ_ω和∈_ω0的表達式是作為溫度的函數(shù)給出。在室溫(20攝氏度)下，2πτ_ω＝0.58x10^-10s并且∈_ω0＝80.1。根據(jù)土壤的質(zhì)地性質(zhì)，在(8)中的有效電導率δ_eff由下式給定：

均質(zhì)土壤中的偶極子天線的阻抗

為了對埋設(shè)的天線的阻抗和回波損耗建模，我們首先考慮均質(zhì)土壤中的天線。在這樣的示例設(shè)置中，能夠獲取土壤性質(zhì)對于阻抗的影響。在該示例中計算的結(jié)果可以被用作用于分析天線被埋設(shè)為接近表面的實際土壤環(huán)境的基礎(chǔ)。

由于土壤的高電容率∈_s，土壤中的波數(shù)以及因此的波長與在空氣中的不同。通過采用土壤電容率的半經(jīng)驗模型，土壤的波數(shù)k_s可以被計算為：

其中f表示波的頻率，μ₀和∈₀分別是空氣中的磁導率和電容率，并且∈_s表示在公式(1)中定義的土壤的相對電容率。則，土壤中的波長λ_s和空 氣中的波長λ₀的比為：

在公式(10)和(11)中已經(jīng)示出了由于土壤的相對電容率∈s，對于給定頻率f，土壤中的波長與空氣中的不同。因此，對于被設(shè)計以用于特定波長的天線，土壤中的諧振頻率與空氣中的諧振頻率不同。此外，土壤的相對電容率由于體積含水量m_v而改變，這改變了電磁波的波長。

任意天線的阻抗的封型表示不容易獲得，并且因此在下面的示例中提供了對于偶極子天線的阻抗的近似值。在下面將參考圖5A-5F描述其它類型天線的分析。

通過采用感應(yīng)電動勢的方法，小于一半波長長度的偶極子的輸入阻抗可以近似為：

其中

f1(βl)＝-0.4787+7.3246βl+0.3963(βl)²+15.6131(βl)³ (13)

f₂(βl)＝-0.4456+17.0082βl-8.6793(βl)²+9.6031(βl)³ (14)

β表示公式(10)中的波數(shù)的實部，d表示偶極子的直徑，并且l表示偶極子的長度的一半。采用公式(10)和(11)，βl被表示為：

由于土壤的電容率∈_s依賴于頻率，所以βl不是1/λ₀的線性函數(shù)。因此，當天線從空氣移動至土壤時，諧振頻率根據(jù)公式(10)和(11)改變，并且在諧振頻率下的天線阻抗值也隨著土壤性質(zhì)而變化。

半空間中的埋設(shè)的天線的阻抗

圖2A-2B是示出地下天線200的示例分析的概念圖。上面的分析獲取了土壤性質(zhì)的影響。然而，在對于WUSN的實際部署中，傳感器微塵被埋在(0.3-1.0)米的表面下深度，如圖2A中的(h)202所示。在這些深度，由于土壤-空氣界面的影響，環(huán)境不能被建模為均質(zhì)土壤。代替地，環(huán)境可以被建模為半空間，從而獲取從土壤-空氣界面反射的波對于天線的阻抗和回波損耗的影響。

如圖2A所示，當埋設(shè)天線200被激活時，沿著天線200產(chǎn)生電流分布204。所產(chǎn)生的波朝向土壤-空氣界面206傳播，在該界面它被反射和折射。到達天線的反射電場被表示為E_r208，該電場反過來在天線上感應(yīng)出電流I_r210。在一些實施方式中，該電流進一步影響所產(chǎn)生的波，并且存在高階反射效應(yīng)。然而，由于土壤中的高衰減，這些高階效應(yīng)可以忽略，并且因此下面的計算僅考慮第一階效應(yīng)。

在偶極子上感應(yīng)的電流I_r210以及由此產(chǎn)生的阻抗Z_r212可以被建模作為由放置在均質(zhì)土壤環(huán)境中的虛偶極子產(chǎn)生的電場的結(jié)果，如圖2B所示。兩個偶極子h’214之間的距離被選擇為使得E_r208在實偶極子上與在圖2A中相同。因此，Z_r216基于兩個偶極子天線之間的修正的互阻抗模型而被建模。然后互阻抗Z_r216被添加至它自己的阻抗Z_a218，由公式(12)所示以獲得半空間中的埋設(shè)的天線的總阻抗。為了計算Z_r216，首先對天線上的電流分布和電場E_r208建模。然后在均質(zhì)土壤中的短偶極子上的電流分布可以近似為：

其中I_m表示電流的幅值并且k_s表示公式(10)中給出的土壤中的波數(shù)。基于該電流分布，天線處的從土壤-空氣界面反射的E_r場為：

其中

并且h是天線的埋設(shè)深度，并且Γ是在土壤-空氣界面上的反射系數(shù)，其由下式給出：

其中k₀是空氣中的波數(shù)。

考慮虛偶極子與土壤中的偶極子是相同的，互阻抗模型可以被簡化為：

因此，天線的總阻抗是并且因此，天線的回波損耗(dB)由下式給出：

通過采用該模型，可以對于空氣和土壤計算50毫米(mm)長并且直徑為2mm的天線的回波損耗。計算結(jié)果如圖3A-3B所示，其中示出了對于100MHz至2GHz頻率范圍的偶極子的回波損耗。圖3A-3C圖示了空氣和土壤中的偶極子天線的回波損耗的示例理論分析。在這些示例中，當天線被埋設(shè)時，天線的諧振頻率從空氣中的1.382GHz偏移至低頻率值。該偏移是由于土壤中的較短波長。在圖3A中，天線被埋在0.1m，并且分析了四種不同的體積含水量值。即，在空氣302中、在5％304、10％306、20％308和40％310下測量體積含水量值。如圖 所示，體積含水量值在諧振頻率的值上具有很強的影響。體積含水量從5％至40％的增加導致諧振頻率從685MHz降低至287MHz。

如圖3B所示，考慮0.1米和0.3米這兩種不同的埋設(shè)深度。當埋設(shè)深度從0.1米增加至0.3米時，諧振頻率從685MHz 312降低至674MHz 314。在圖3C中示出作為埋設(shè)深度的函數(shù)的諧振頻率的變化。如圖所示，諧振頻率在不同埋設(shè)深度上波動。這通常由反射波的相位引起。當埋設(shè)深度增加時，由于反射波衰減其影響減小，并且諧振頻率收斂為均質(zhì)土壤中的諧振頻率。在這里由箭頭316示出的諧振頻率是677MHz。

圖4A-4B圖示了在空氣和土壤中的偶極子天線的示例仿真。在本示例中描述的仿真是在高頻結(jié)構(gòu)仿真器(HFSS)中執(zhí)行的。天線的尺寸保持為與在上述圖3A-3C中描述的示例中的相同。

為了獲取土壤環(huán)境的性質(zhì)，在HFSS中基于由圖3A-3C中描述的示例中的模型計算的相對電容率而建立土壤物質(zhì)。另外，由于土壤的相對電容率是依賴于頻率的，所以在該仿真中，根據(jù)公式(1)來表示。

如圖4A所示，對于多個不同土壤濕度值示出了偶極子天線的回波損耗。在本示例中，天線的埋設(shè)深度是0.1米。如圖3A-3C的理論分析中所指示的，當土壤濕度增加時，諧振頻率移動至較低頻率范圍。

在本例中，諧振頻率下的回波損耗的絕對值在示例3A和4A之間明顯不同。這是因為由于為了易處理進行的近似而導致的在HFSS中建模“理想”天線的不準確以及理論局限性。例如，在40％的體積含水量下，觀察到1GHz下的附加諧振頻率402，這在圖3A中未示出。在該土壤濕度水平和頻率下，波長比天線尺寸小，而公式(12)中的近似通常對于高于偶極子長度兩倍的波長值是有效的。

如圖4B所示，描述了在從零至0.2米不同埋設(shè)深度下的諧振頻率404。反射波的效果改變了阻抗和諧振頻率。與上述圖3A-3C中的理論分析相比，HFSS的結(jié)果示出了較小的頻率波動，并且更迅速地收斂為均質(zhì)土壤中的諧振頻率。在這兩種情況下，土壤-空氣界面的效果在地下天線設(shè)計中都是顯著的。

在圖3A-3C和圖4A-4B中的示例中都示出了用于地下通信的天線的設(shè)計主要受三個因素的影響：土壤中的波長，從土壤-空氣界面的反射，以及土壤濕度。然而，圖3A-3C中的理論分析僅應(yīng)用于偶極子，并且因此，使用這樣的方法不能獲取其它類型的天線。因此，在下面的段落中描述現(xiàn)場試驗。

地下天線的示例

為了進一步研究土壤-空氣界面對于天線的回波損耗的影響并且獲得對用于地下通信的天線的設(shè)計的理解，在下面描述經(jīng)驗實驗。

圖5A-5F圖示了對于不同天線類型測量的回波損耗。不同天線類型包括四種偶極子天線和兩種平面天線。具體地，天線包括GSM天線(圖5A)，433MHz偶極子天線(圖5B)，Mica2天線(圖5C)[可從加州圣何塞的Crossbow技術(shù)公司獲得]，MicaZ天線(圖5D)[可從加州圣何塞的Crossbow技術(shù)公司獲得]，圓形平面天線(圖5E)，以及橢圓形天線(圖5F)。

GSM天線(圖5A)是為GSM設(shè)備設(shè)計的偶極子天線。它是50mm長并且由橡膠絕緣。具有絕緣體的天線的半徑是4mm。諧振頻率是900MHz和1900MHz。

433MHz偶極子天線(圖5B)是為433MHz頻率設(shè)計的現(xiàn)成天線。它是70mm長并且也是絕緣的。絕緣體的半徑是5mm。

Mica2天線(圖5C)最初被附接至頻繁用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)實驗的Mica2微塵。它是180mm長的鞭狀天線。該天線非常薄。包括絕緣體，半徑是1.5mm并且諧振頻率是433MHz。

MicaZ天線(圖5D)最初被附接至MicaZ微塵。由于MicaZ在較高頻率(例如2.4GHz)下工作，所以天線較短，具有37mm的長度。

圓形平面天線(圖5E)是具有圓形激勵面板(exciting panel)的平面天線。該面板的直徑是25mm，這是基于使用公式(11)計算的土壤中的波長。

橢圓形天線(圖5F)的尺寸可以由于不同操作頻率而變化。在本例中，操作頻率是433MHz，并且因此天線包括125mm×85mm的矩形地面面板。激勵面板是具有62mm和49mm兩個軸的橢圓形。

在下面的示例中，天線被埋在兩個深度(0.1米和0.3米)，并且每個天線連接至0.3米的同軸電纜。天線與面向土壤-空氣界面的激勵面板水平地被埋設(shè)。電纜的另一端連接至被用于測量每個天線的回波損耗的便攜式網(wǎng)絡(luò)分析儀。基于包括用于農(nóng)業(yè)的WUSN應(yīng)用中的典型傳感器節(jié)點通常被埋在0.3米深度的信息而選擇這兩個深度，從而避免來自農(nóng)業(yè)機器的影響，并且在這些深度上，能夠獲取土壤-空氣界面的影響。

埋設(shè)深度的作用

圖5A-5F示出了每個天線在土壤中的不同深度下的回波損耗。另外，也描述了天線在空氣中的回波損耗。在本測量中的土壤濕度是20％，這也是用于作物生長的正常條件。

如圖5A所示，對于空氣中的GSM天線的兩個諧振頻率是1.052GHz和1.921GHz。然而，當天線被埋在土壤中時，諧振頻率偏移 至低頻。對于10cm的埋設(shè)深度，諧振頻率分別是571.8MHz和1.442GHz。當埋設(shè)深度是30cm時，相應(yīng)的諧振頻率是631.8MHz和1.502GHz。該諧振頻率的偏移與土壤中的波長的變化相關(guān)。作為典型的，土壤中的新諧振頻率不能僅基于土壤中的相應(yīng)波長而計算，這是由于從土壤-空氣界面的反射。

當天線被埋在土壤中時，回波損耗曲線的形狀通常改變。該改變能夠在433MHz天線(圖5B)和初始MicaZ天線(圖5D)中看到。在433MHz天線中，當天線被埋在土壤中時，在低頻下出現(xiàn)多個諧振頻率。在MicaZ天線的情況下，當天線被埋設(shè)時，諧振頻率下的回波損耗比放置在空氣中的天線低15dB，如箭頭504所示。原因是土壤介質(zhì)的影響在不同頻率下不是線性的，如上面的公式(10)和(12)所指示的，其中β是f的線性函數(shù)，但是Z_a不是β的線性函數(shù)。如圖所示，在低頻范圍下的阻抗比高頻范圍下的更受影響。對于433MHz天線(圖5B)，在高于4GHz的頻率下的回波損耗保持與空氣中的結(jié)果相似，并且對于MicaZ天線(圖5D)，這適用于高于5GHz的頻率。Mica2天線(圖5C)的結(jié)果指示其具有在頻率范圍上的較差性能，因為其諧振頻率的回波損耗高于-10dB。

與偶極子天線不同，平面天線在土壤中的回波損耗曲線的形狀保持與空氣中的相似(圖5E和5F)。這可能是由于平面天線的不同輻射機構(gòu)，其中波首先傳播經(jīng)過基板的邊緣，其在天線被埋在土壤中時不會改變?；迥軌驕p輕在輻射的近場中的土壤的影響。因此，對于這些平面天線，回波損耗曲線在空氣中和土壤中保持相似。

每個天線的諧振頻率的特定偏移是已知因素，并且在圖6A中示出與空氣中的諧振頻率相比的偏移的百分比。如圖6A所示，偏移的百分比對于不同天線來說是不同的。433MHz天線和MicaZ天線具有最大的偏移，分別由箭頭602和604示出。對于MicaZ天線，當埋設(shè)深度是10cm時偏移42％，并且當埋設(shè)深度增加至30cm時偏移48％。同時， 對于433MHz天線，當埋設(shè)深度是10cm時偏移40％，并且當埋設(shè)深度是30cm時偏移36％。不同深度下的偏移差異通常由從土壤-空氣界面反射的波引起，其干擾了天線上的電流分布以及因此天線的阻抗。該影響對于不同頻率來說不是線性的。此外，由于反射電場的相位，偏移在不同深度處波動。另外，該波動對于不同天線是不同的。例如，橢圓形平面天線，如果埋設(shè)深度從10cm增加至30cm，偏移能夠從19％減少至5％。另一方面，對于Mica2天線，對于埋設(shè)深度的相同改變，偏移從18％增加至36％。因此，對于地下通信中的天線，環(huán)境不能被認為均質(zhì)的，并且反射波對于具體天線的影響可以被分析從而確定用于土壤的精確設(shè)計的天線。此外，該影響不能被概括，并且每種不同的天線類型可能需要特定分析。

圖6B圖示了在不同介質(zhì)中的上述天線的多個頻帶。當設(shè)計用于地下使用的天線時，設(shè)計應(yīng)該考慮在具體介質(zhì)中的帶寬效應(yīng)。實際上，-10dB的回波損耗通常被用作閾值以限定具體天線的頻帶。在圖6B中示出對于圖5A-5F中描述的天線的帶寬測量。方塊指示天線的頻帶。如圖所示，兩種平面天線606和608具有天線中的最寬的帶寬。作為示例，能夠觀察到圓形平面天線(圖5E)具有(在30cm深度下的0.54-6.0GHz)的極寬帶寬。該特性在地下通信中是期望的，因為它能夠適應(yīng)不同的土壤狀況。

土壤濕度的影響

由于自然降水過程隨時間變化，所以土壤濕度隨時間改變變化量。下面的示例示出在三種不同土壤濕度設(shè)定(即干燥(5％VWC)、正常(20％VWC)和潮濕(37％VWC))中對于四種天線(GSM天線、433MHz天線和兩種平面天線)的回波損耗的記錄。測試床的土壤成分是23.7％的沙子和28.7％的粘土。

圖7A-7D圖示了對于被埋在30厘米深度的多個天線的測量的回波損耗。如上面參考公式(1)和(2)所描述的，當土壤濕度增加時， 土壤的電容率也增加，這導致波長進一步減小。因此，在圖7A和7B中示出的回波損耗曲線中，當土壤濕度增加時，諧振頻率偏移至更低范圍。對于GSM天線(圖7A)，當體積含水量(VWC)從5％增加至20％時，諧振頻率移動至比空氣中的諧振頻率低3％的頻率。此外，當VWC從20％增加至37％時，觀察到諧振頻率的附加的3.1％的降低。此外，在諧振頻率下的回波損耗的準確值對于不同的土壤濕度值變化。對于433MHz天線(圖7B)回波損耗的改變是相當大的。在272MHz的頻率下，對于VWC＝5％，諧振頻率下的回波損耗是-8dB。然而，當VWC增加至20％時，該諧振頻率偏移至242MHz并且回波損耗降低至-18dB。隨著VWC進一步增加至37％，該諧振頻率偏移至182MHz并且回波損耗進一步降低至-23.5dB。經(jīng)驗結(jié)果證實當天線被埋在土壤中時，諧振頻率和諧振頻率下的回波損耗值都會改變。因此，在天線的設(shè)計中，即使它在空氣中表現(xiàn)良好，當相同的天線被埋在土壤中時，也不能保證相等的性能。

關(guān)于圖7C和7D所示的兩種平面天線的測量，回波損耗曲線的形狀隨著土壤濕度的改變而相當大地改變。這可能部分地由這兩種天線缺乏絕緣而引起。因此，含水量的改變直接影響天線的電流分布。

圖8圖示了對于不同土壤濕度中的不同天線的多個頻帶。對于GSM天線、433MHz天線、橢圓形天線和圓形平面天線由方塊指示對于三個土壤濕度值的頻帶。觀察到圓形平面天線802在不同土壤濕度值下具有寬帶。對于所有三個土壤濕度值，對于2.4GHz-3.6GHz和4.8GHz-6GHz的頻率范圍，回波損耗小于-10dB。由于該顯著特點意味著即使土壤濕度變化，天線的性能也將維持，所以其能夠被用于設(shè)計用于WUSN的天線。

示例寬帶天線：地下圓形天線設(shè)計

通常，無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)(WUSN)的實現(xiàn)依靠可靠的通信鏈路的建立，其中由于傳感器埋設(shè)在其中的土壤的顯著影響，天線設(shè)計 成為重要因素。下面的示例描述了被設(shè)計用于農(nóng)業(yè)WUSN應(yīng)用的示例寬帶天線。在上面圖示了經(jīng)驗評估以示出考慮土壤中的波長改變和從土壤-空氣界面的反射兩者而設(shè)計的天線能夠適應(yīng)土壤濕度的主要改變，并且與僅基于土壤中的波長改變而設(shè)計的天線相比，能夠改善通信距離達到587％。

圖9是用于無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)的圓形平面天線結(jié)構(gòu)900的示例。天線900能夠設(shè)計為適應(yīng)土壤濕度的主要改變，并且能夠包括傳感器、陣列、子陣列和過濾器的多個配置。在一些實施方式中，具有433MHz諧振頻率的天線可以提供的特征為提供最小的衰減和最小天線尺寸。因此，可獲得用于該工業(yè)、科學和醫(yī)療(ISM)頻帶的許多商業(yè)芯片，并且能夠被容易地用于商品傳感器微塵。

在一個示例中，天線900是用于輻射經(jīng)過諸如土壤的耗散介質(zhì)的地下圓形平面天線。在這里示出的天線900具有100mm的直徑，但是其他直徑也是可能的。天線900的基板可以是例如具有1.6mm厚度的FR-4材料。天線900的饋送線可以是如906所示的共面波導結(jié)構(gòu)。在一些實施方式中，圓形平面天線900包括一個或多個微波傳輸板、基座(susceptor)、輻射孔、電導體和/或提供用于地下天線的具體輻射圖案和功能性的其他組件。如圖所示，天線900包括形成為經(jīng)過介電基板904的多個電導體902。共面波導結(jié)構(gòu)906被示出為也布置在基板904上。

電導體902例如可以被定向，并且天線結(jié)構(gòu)900可以被埋在諸如土壤的耗散介質(zhì)中。例如，結(jié)構(gòu)900可以被埋在耗散介質(zhì)中在大約0.1米直到大約1.0米。電導體可以適配于以與耗散介質(zhì)相鄰的半空間中的頻率輻射信號。例如，可以至少部分地基于耗散介質(zhì)的相對電容率而為一個或多個電導體配置波束寬度狀態(tài)。

電導體902可以以預定圖案被排列或布置。例如，間隔可以被設(shè) 定為一半波長、四分之一波長或全波長。在一些實施方式中，例如，導體902可以形成另一種形狀，諸如t形或拱形。由導體902形成的陣列圖案不限于特定的一種，并且因此它可以是螺旋的或徑向的而非同心的。

在一些實施方式中，一個或多個電導體被定向為朝向并大致平行于自由空間與耗散介質(zhì)之間的界面。該定向能夠提供朝向該界面的單向性輻射圖案。

在一些實施方式中，天線900包括面向基板904的導電表面。該導電表面可以適配于將由一個或多個電導體輻射的相當一部分能量集中在與耗散介質(zhì)相鄰的半空間中。

在一些實施方式中，天線900電路能夠適配于提供適應(yīng)不同土壤條件的在大約5度和大約15度之間的臨界入射角度(θ_c)的波束寬度。在一些實施方式中，天線900被設(shè)計為獨立組件，并且是不可調(diào)的。即，天線900能夠被設(shè)計為使得它操作在寬的頻帶下而不需要調(diào)整到具體的阻抗改變。

圖10圖示了表面下的地下通信的三條路徑的示例。在操作中，圓形平面天線900提供寬的信號帶寬以及非常理想的輻射圖案。具體地，在0.3-1.0m的深度范圍下的地下通信中，如圖10所示可以建模和/或測量直射波1002、反射波1004和橫向波1006這三條路徑。在三條路徑中，橫向波1006通常在遠場中占優(yōu)勢，這是因為在空氣中的衰減遠小于在土壤中的衰減。因此，被埋在土壤中的天線的輻射圖案應(yīng)該具有使橫向波最大化的輻射圖案。如圖所示，橫向波1006在入射波處于臨界角1008(θ_c)時發(fā)生。臨界角1008表示在其之上不存在折射的角度。

臨界角1008是土壤電容率的函數(shù)，土壤電容率是土壤濕度的函數(shù)。因此，臨界角1008(θ_c)隨著土壤濕度的改變而變化。由于土壤的 相對電容率比空氣高十至一百倍的事實，臨界角1008通常在所有土壤濕度設(shè)定中小于15度。

基于上述分析，用于圓形平面地下天線900所需的輻射圖案朝向土壤-空氣界面是單向性的。天線900的波束寬度通常覆蓋不同土壤濕度值下的所有臨界角，其通常在5至15度的范圍內(nèi)。因此，平面天線在被放置為平行于土壤-空氣界面時具有期望的輻射圖案。

圖11是用于操作輻射經(jīng)過耗散介質(zhì)的地下天線結(jié)構(gòu)的示例方法1100。簡而言之，過程1100從耗散介質(zhì)(諸如土壤)確定實時特性(諸如濕度水平)，并且使用一個或多個傳感器和/或天線以便確保維持適當?shù)耐ㄐ殴δ堋Ｍǔ?，過程1100可以由能夠分析介質(zhì)并且將結(jié)果無線地通信給另一個系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)的傳感器、處理器、控制器或計算機系統(tǒng)執(zhí)行。

過程1100可以以一個或多個無線傳感器測量(1102)與多個無線傳感器周圍的耗散介質(zhì)相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)開始。多個無線傳感器耦接至天線結(jié)構(gòu)并且能夠收集所測量的數(shù)據(jù)并將這樣的數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)或服務(wù)器，諸如網(wǎng)絡(luò)104和/或服務(wù)器106。在一些實施方式中，多個無線傳感器能夠收集來自耗散介質(zhì)中的多個深度的數(shù)據(jù)。例如，傳感器能夠測量/收集從耗散介質(zhì)的表面下大約0.1米直至并包括耗散介質(zhì)的表面下大約1.0米的數(shù)據(jù)。

在一些點上，電容率(即濕度含量或其他特性)可能會改變。響應(yīng)于檢測到耗散介質(zhì)的電容率的改變的閾值水平，天線能夠維持(1104)回波損耗的具體水平。即，所設(shè)計的天線維持操作頻率下的低回波損耗(例如小于-10分貝)。維持或改善回波損耗的該水平能夠確保無線通信可靠地發(fā)生而沒有中斷。在一個示例中，耗散介質(zhì)的電容率的改變的閾值水平的特征可以在于耗散介質(zhì)的濕度水平的百分之五的增加或減少。在一些實施方式中，該天線導致對于地下天線結(jié)構(gòu) 與一個或多個其他結(jié)構(gòu)或網(wǎng)絡(luò)之間的通信的無線通信距離增加。有時，傳感器能夠使用寬帶天線發(fā)送(或被輪詢以發(fā)送)(1106)與從多個無線傳感器測量的數(shù)據(jù)相對應(yīng)的一個或多個無線消息。

圖12是計算系統(tǒng)1200的示意圖。根據(jù)一個實施方式，通用計算系統(tǒng)1200能夠被用于與之前描述的任何計算機實施的方法或系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)而描述的操作。通用計算系統(tǒng)1200包括處理器1210、存儲器1220、存儲設(shè)備1230和輸入/輸出設(shè)備1240。處理器1210、存儲器1220、存儲設(shè)備1230和輸入/輸出設(shè)備1240中的每一個都使用系統(tǒng)總線1250而互連。處理器1210能夠處理指令以用于在通用計算系統(tǒng)1200中執(zhí)行。在一個實施方式中，處理器1210是單線程處理器。在另一個實施方式中，處理器1210是多線程處理器。處理器1210能夠處理存儲在存儲器1220中或存儲設(shè)備1230上的指令，從而為輸入/輸出設(shè)備1240上的用戶界面顯示圖形信息。

存儲器1220存儲通用計算系統(tǒng)1200中的信息。在一個實施方式中，存儲器1220是計算機可讀介質(zhì)。在一個實施方式中，存儲器1220是易失性存儲器單元。在另一個實施方式中，存儲器1220是非易失性存儲器單元。

存儲設(shè)備1230能夠為通用計算系統(tǒng)1200提供大容量存儲。在一個實施方式中，存儲設(shè)備1230是計算機可讀介質(zhì)。在多個不同的實施方式中，存儲設(shè)備1230可以是軟盤設(shè)備、硬盤設(shè)備、光盤設(shè)備或帶設(shè)備。

輸入/輸出設(shè)備1240為通用計算系統(tǒng)1200提供輸入/輸出操作。在一個實施方式中，輸入/輸出設(shè)備1240包括鍵盤和/或定點設(shè)備。在另一個實施方式中，輸入/輸出設(shè)備1240包括用于顯示圖形用戶界面的顯示單元。

所描述的特征能夠在數(shù)字電子電路中或者在計算機硬件、固件、軟件中或者在它們的組合中實施。該裝置能夠在用于由可編程處理器執(zhí)行的計算機程序產(chǎn)品中實施，該計算機程序產(chǎn)品例如在機器可讀存儲設(shè)備中或在傳播的信號中的信息載體中被有形地實現(xiàn)；并且方法步驟能夠由執(zhí)行指令的程序的可編程處理器執(zhí)行，從而通過對輸入數(shù)據(jù)進行操作并產(chǎn)生輸出而執(zhí)行所述實施方式的功能。所描述的特征能夠在一個或多個計算機程序中被有利地實施，該一個或多個計算機程序能夠在包括至少一個可編程處理器的可編程系統(tǒng)上執(zhí)行，該至少一個可編程處理器被耦接為接收來自數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)、至少一個輸入設(shè)備和至少一個輸出設(shè)備的數(shù)據(jù)和指令并且將數(shù)據(jù)和指令發(fā)送給數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)、至少一個輸入設(shè)備和至少一個輸出設(shè)備。計算機程序是能夠在計算機中直接或間接使用從而執(zhí)行某種活動或帶來某種結(jié)果的指令集。計算機程序能夠以包括編譯的或解釋性的語言的任何形式的編程語言編寫，并且它能夠被部署為任何形式，包括作為獨立程序或作為模塊、組件、子例程，或者適合用于計算環(huán)境的其他單元。

舉例說明，用于執(zhí)行指令的程序的適合處理器包括通用和專用的微處理器，以及任何類型計算機的唯一處理器或多個處理器中的一個。通常，處理器將會從只讀存儲器或隨機存取存儲器或這兩者接收指令和數(shù)據(jù)。計算機的基本元件是用于執(zhí)行指令的處理器和用于存儲指令和數(shù)據(jù)的一個或多個存儲器。通常，計算機還會包括用于存儲數(shù)據(jù)文件的一個或多個大容量存儲設(shè)備或者被操作性地耦接為與一個或多個大容量存儲設(shè)備通信；這樣的設(shè)備包括磁盤，諸如內(nèi)部硬盤和可移動盤；磁光盤；和光盤。適合于有形地實現(xiàn)計算機程序指令和數(shù)據(jù)的存儲設(shè)備包括所有形式的非易失性存儲器，舉例說明包括半導體存儲設(shè)備，諸如EPROM、EEPROM和閃存設(shè)備，基于云的存儲設(shè)備和盤，諸如內(nèi)部硬盤和可移動盤的磁盤；磁光盤；以及CD-ROM和DVD-ROM盤。處理器和存儲器能夠由ASIC(專用集成電路)補充，或者被合并到ASIC中。

在一些實施方式中，系統(tǒng)1200可以是能夠在上述一個或多個傳感器或移動設(shè)備中實施的通信系統(tǒng)。系統(tǒng)1200可以適配于無線地與其本身通信。例如，系統(tǒng)1200使用收發(fā)器(未示出)無線地接收并發(fā)送信息，并且接收的信號被傳送到信號處理器(未示出)。信號處理器可以包括用于處理接收的信號的數(shù)字信號處理(DSP)電路。

為了提供與用戶的交互，這些特征可以在具有顯示設(shè)備和鍵盤以及定點設(shè)備的計算機上實施，其中顯示設(shè)備諸如是用于為用戶顯示信息的CRT(陰極射線管)或LCD(液晶顯示)顯示器，定點設(shè)備諸如是鼠標或軌跡球，用戶通過它們能夠向計算機提供輸入。

這些特征可以在包括諸如數(shù)據(jù)服務(wù)器的后端組件，或者包括諸如應(yīng)用服務(wù)器或互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器的中間組件，或者包括諸如具有圖形用戶界面或互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器的客戶端計算機的前端組件，或者它們的組合的計算機系統(tǒng)中實施。系統(tǒng)的組件能夠通過諸如通信網(wǎng)絡(luò)的任何形式或介質(zhì)的數(shù)字數(shù)據(jù)通信連接。通信網(wǎng)絡(luò)的示例包括例如LAN、WAN和形成互聯(lián)網(wǎng)的計算機和網(wǎng)絡(luò)。

計算機系統(tǒng)可以包括客戶端和服務(wù)器?？蛻舳撕头?wù)器通常是相互遠離的，并且通常經(jīng)過諸如上述的一個網(wǎng)絡(luò)而交互。客戶端和服務(wù)器的關(guān)系由在相應(yīng)的計算機上運行并且彼此具有客戶端-服務(wù)器關(guān)系的計算機程序的產(chǎn)生。

計算機程序(也被稱為程序、軟件、軟件應(yīng)用、腳本或代碼)能夠以包括編譯的或解釋性的語言或者聲明性的或過程性的語言任何形式的編程語言編寫，并且它能夠被布置為任何形式，包括作為獨立程序或作為模塊、組件、子例程，或者適合用于計算環(huán)境的其他單元。計算機程序不一定對應(yīng)于文件系統(tǒng)中的文件。程序能夠被存儲在保存其他程序或數(shù)據(jù)(例如存儲在標記語言文件中的一個或多個腳本)的文件的一部分中，在專用于討論的程序的單個文件中，或者在多坐標 文件(例如存儲一個或多個模塊、子程序或代碼部分的文件)中。計算機程序能夠被部署為在一個計算機上或者在位于一個場所或分布在多個場所并由通信網(wǎng)絡(luò)互連的多個計算機上執(zhí)行。

在本說明書中描述的過程和邏輯流程能夠由執(zhí)行一個或多個計算機程序的一個或多個可編程處理器執(zhí)行，從而通過對輸入數(shù)據(jù)進行操作并產(chǎn)生輸出而執(zhí)行功能。過程和邏輯流程也能夠由專用邏輯電路執(zhí)行，并且裝置也能夠被實施為專用邏輯電路，該專用邏輯電路例如是FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)或ASIC(專用集成電路)。

舉例說明，適于執(zhí)行計算機程序的處理器包括通用和專用的微處理器，以及任何類型的數(shù)字計算機的任何一個或多個處理器。通常，處理器將會從只讀存儲器或隨機存取存儲器或這兩者接收指令和數(shù)據(jù)。計算機的基本元件是用于執(zhí)行指令的處理器和用于存儲指令和數(shù)據(jù)的一個或多個存儲器設(shè)備。通常，計算機還會包括用于存儲數(shù)據(jù)的一個或多個大容量存儲設(shè)備或者被操作性地耦接為從一個或多個大容量存儲設(shè)備接收數(shù)據(jù)或向其傳輸數(shù)據(jù)，或者這兩者，其中的一個或多個大容量存儲設(shè)備包括磁盤、磁光盤或光盤。然而，計算機不需要具有這樣的設(shè)備。

為了提供與用戶的交互，在本說明書中描述的主題的實施方式可以在具有顯示設(shè)備和鍵盤以及定點設(shè)備的計算機上實施，其中顯示設(shè)備例如是用于為用戶顯示信息的CRT(陰極射線管)或LCD(液晶顯示)顯示器，定點設(shè)備例如是鼠標或軌跡球，用戶通過它們能夠向計算機提供輸入。其他類型的設(shè)備也能夠被用于提供與用戶的交互；例如，為用戶提供的反饋可以是任何形式的感覺反饋，例如視覺反饋、聽覺反饋或觸覺反饋；并且能夠以任何形式接收來自用戶的輸入，包括聲學、語音或觸覺輸入。

盡管本說明書包含許多特定的實施方式細節(jié)，但是這些不應(yīng)該被 解釋為對任何發(fā)明的范圍或者權(quán)利要求保護的范圍的限制，而是解釋為可以是特定于具體發(fā)明的具體實施例的特征的描述。在本說明書中在單獨實施例的上下文中描述的某些特征也能夠與單個實施例組合實施。相反地，在單個實施例的上下文中描述的多個特征也能夠單獨地在多個實施例中或者在任何適合的子組合中實施。此外，盡管在上面可能將特征描述為作用在某些組合中并且甚至最初這樣聲稱，但是所聲稱的組合中的一個或多個特征在一些情況下能夠從該組合中刪除，并且所聲稱的組合可以針對子組合或子組合的變形。

相似地，盡管在附圖中以具體的順序描述操作，但是不應(yīng)該理解為要求這樣的操作以示出的具體順序或者以連續(xù)的順序執(zhí)行，或者要求所有示出的操作都被執(zhí)行，以實現(xiàn)理想的結(jié)果。在一些情況下，多任務(wù)處理和并行處理可能是有利的。此外，在上述實施例中的多個系統(tǒng)組件的分離不應(yīng)該理解為在所有實施例中都要求這樣的分離，而是應(yīng)該理解為所描述的程序組件和系統(tǒng)通?？梢栽趩蝹€軟件產(chǎn)品中被集成在一起，或者可以被包裝到多個軟件產(chǎn)品中。

已經(jīng)描述了本發(fā)明的多個實施例。然而，應(yīng)該理解可以進行各種修改而不會背離本發(fā)明的精神和范圍。例如，可以使用在上面示出的各種形式的流程，并且步驟被重新排序、添加或刪除。此外，盡管已經(jīng)描述了搜索查詢和方法的幾種應(yīng)用以獲得有用的查詢結(jié)果，應(yīng)該認識到許多其他應(yīng)用是可以預期的。因此，其他實施例在下面的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。