基于組合天線的接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

浮標(biāo)通信技術(shù)是在傳統(tǒng)的無(wú)線通信技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。自從應(yīng)用于對(duì)潛通信后，浮標(biāo)通信便開(kāi)始廣泛運(yùn)用于各國(guó)的軍事通信中。但是，目前的浮標(biāo)通信基本還是采用單一的全向天線來(lái)實(shí)現(xiàn)電磁波的接收，由于浮標(biāo)一般放置在海平面上，容易受到海浪及潮汐的干擾，很容易使天線發(fā)生旋轉(zhuǎn)，有時(shí)甚至?xí)l(fā)生側(cè)翻或者倒置現(xiàn)象，而傳統(tǒng)的全向天線又無(wú)法實(shí)現(xiàn)信號(hào)的可靠接收。為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，本文提出了一種組合天線的設(shè)計(jì)方法。該組合天線包含兩種天線單元：一種為鞭狀天線，此天線能夠接收水平場(chǎng)的電磁波;另一種為磁感應(yīng)天線，此天線能夠接收垂直電場(chǎng)的電磁波。通過(guò)兩種天線的組合并利用選頻電路和高頻放大電路，即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的可靠接收。

1 組合天線設(shè)計(jì)

1.1 鞭狀天線

鞭狀天線又稱為接地單極子天線。單極子垂直于地面，把地面假設(shè)為理想導(dǎo)體，地的影響可以用其鏡像代替，并且僅在地面上半空間存在電磁場(chǎng)。單極地饋天線可以等效為偶極子天線。在浮標(biāo)通信中，一般把浮標(biāo)筒表面假設(shè)為理想導(dǎo)體。其鞭狀天線模型如圖1所示。

鞭狀天線與偶極子天線相比，其波瓣方向朝行波方向傾斜，最大輻射方向偏了25°，半功率波束寬度由78°減小到60°。同時(shí)，與偶極子天線相比，兩 種天線的上半空間方向函數(shù)和方向圖相同，同時(shí)極化特性、頻帶特性等都相同。但是，鞭狀天線的輸入阻抗是偶極子天線的一半，原因主要是激勵(lì)電壓減半而激勵(lì)電流不變。同時(shí)鞭狀天線的方向系數(shù)是偶極子天線的兩倍，且因?yàn)閳?chǎng)強(qiáng)不變而輻射功率減半，即只在半空間輻射，因此損耗電阻大，輻射效率低。鞭狀天線的遠(yuǎn)場(chǎng)分量 Eθ的計(jì)算式如下：

本設(shè)計(jì)采用的鞭狀天線長(zhǎng)度H為30cm，接收電磁波頻率為1.8MHz。經(jīng)計(jì)算可得，鞭狀天線的方向性為4.80左右，絕對(duì)增益能夠達(dá)到6dB。通過(guò)電磁波的場(chǎng)強(qiáng)分析，此增益基本能夠滿足遠(yuǎn)程無(wú)線遙控系統(tǒng)的信號(hào)接收。

1.2 磁感應(yīng)天線

磁感應(yīng)天線又稱為電小環(huán)天線，環(huán)形天線分為圓環(huán)和方環(huán)兩種。本設(shè)計(jì)的電小環(huán)天線為圓環(huán)天線，且尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，因此，相同面積的方環(huán)或圓環(huán)都具有相同的遠(yuǎn)場(chǎng)波瓣圖。磁感應(yīng)天線的場(chǎng)分量的計(jì)算式如下：

與對(duì)偶極子天線相比，偶極子天線含有虛數(shù)因子，而環(huán)天線則沒(méi)有，這說(shuō)明了偶極子天線和環(huán)天線在相同的電流饋電下，所輻射的場(chǎng)在時(shí)間上正交，這也是兩者 的最大區(qū)別。因此，環(huán)天線適用于水平方式布置取向，而偶極子天線一般采取平行于z軸取向。這亦符合天線長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的要求，即天線尺寸對(duì)波長(zhǎng)趨近于零。 表1所列是環(huán)天線與偶極子天線的遠(yuǎn)場(chǎng)比較。

1.3 組合天線

由于接收天線位于浮標(biāo)筒中，浮標(biāo)筒在海浪和風(fēng)向的作用下，容易改變其方向和位置，甚至?xí)l(fā)生傾覆，因此，采用單一天線模式不能確保信號(hào)的可靠接收。故可利用鞭狀天線和磁感天線的復(fù)合天線來(lái)增強(qiáng)信號(hào)的可靠接收。這樣，無(wú)論哪個(gè)天線失靈(如發(fā)生鞭狀天線的折斷或者傾覆)，都可以利用另一個(gè)天線完成信號(hào)的接收。鞭狀天線為垂直極化天線，可接收垂直極化分量的磁場(chǎng);磁感天線為水平極化天線，可接收水平極化分量的磁場(chǎng)，這樣，通過(guò)相互互補(bǔ)，兩個(gè)天線就能很好地接收來(lái)自發(fā)射天線的全向波。組合天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為磁感應(yīng)天線布設(shè)于浮筒內(nèi)壁上，呈水平方式;鞭狀天線則布設(shè)于浮筒中央，垂直于磁感應(yīng)天線。兩天線采用同一饋電方式接收。圖2為組合天線的設(shè)計(jì)模型。

為了保證兩個(gè)天線的獨(dú)立接收，鞭狀天線和磁感應(yīng)天線需要增加絕緣材料以進(jìn)行隔離，從而消除天線自帶的寄生因素，防止信號(hào)串?dāng)_。組合天線的實(shí)際布設(shè)圖如圖3所示。圖中導(dǎo)體即指鞭狀天線和磁感應(yīng)天線，兩天線之間為絕緣材料。

2 信號(hào)的接收

組合天線接收的信號(hào)先后經(jīng)過(guò)L1、L2兩個(gè)鑒頻電感，然后經(jīng)場(chǎng)效應(yīng)管V1濾波輸出，以送入高頻放大電路，選頻電路如圖4所示。

高頻放大接收電路是由兩個(gè)型號(hào)相同的三極管組成，從選頻網(wǎng)絡(luò)來(lái)的接收信號(hào)經(jīng)兩個(gè)三極管放大、電容濾波之后即可進(jìn)入到解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)。圖5所示是其高頻放大電路。

3 實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果分析

綜合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)后，可選擇HFSS11軟件對(duì)組合天線進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明，組合天線對(duì)無(wú)線電信號(hào)的接收能力很強(qiáng)，而且在天線旋轉(zhuǎn)或者側(cè)翻的情況下，仍能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的可靠接收。天線在浮標(biāo)桶截面為20cm時(shí)的波瓣圖如圖6所示。由圖可知，組合天線在現(xiàn)場(chǎng)情況下，基本能達(dá)到系統(tǒng)要求，天線的方向性系數(shù)達(dá)到 3.17，增益達(dá)到30dB。完全可滿足系統(tǒng)的要求。

通過(guò)對(duì)選頻電路和高頻放大電路進(jìn)行CAD仿真可見(jiàn)，其發(fā)射系統(tǒng)采用2FSK調(diào)制方式，載波頻率為1.8MHz。首先，由晶體振蕩器產(chǎn)生頻率為 1.8MHz的中心頻率f0，然后通過(guò)邏輯電路產(chǎn)生兩個(gè)頻率分別為f1=f0+2kHz、f2=f0-2kHz的載波，頻偏△f=4kHz。指令數(shù)據(jù)序列可通過(guò)直接作用于其中一個(gè)載波進(jìn)行調(diào)制，可以獲得2FSK信號(hào)。通過(guò)在陸上100公里及海上300公里范圍內(nèi)的組合天線接收，其信號(hào)通過(guò)選頻電路和高頻放大電路后輸出的仿真波形如圖7所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文給出了一種通過(guò)組合天線接收無(wú)線電信號(hào)的接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。結(jié)合組合天線的優(yōu)點(diǎn)，是可使天線接收系統(tǒng)工作在全天候狀態(tài)，從而避免在惡劣天氣環(huán)境下接收系統(tǒng)無(wú)法正常工作的缺陷。文中同時(shí)給出了信號(hào)的接收電路(包括選頻網(wǎng)絡(luò)及高頻放大電路等)。