基于組合天線(xiàn)的接收系統設計

　浮標通信技術(shù)是在傳統的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的基礎上發(fā)展起來(lái)的。自從應用于對潛通信后，浮標通信便開(kāi)始廣泛運用于各國的軍事通信中。但是，目前的浮標通信基本還是采用單一的全向天線(xiàn)來(lái)實(shí)現電磁波的接收，由于浮標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(xiàn)發(fā)生旋轉，有時(shí)甚至會(huì )發(fā)生側翻或者倒置現象，而傳統的全向天線(xiàn)又無(wú)法實(shí)現信號的可靠接收。為了避免這種現象的發(fā)生，本文提出了一種組合天線(xiàn)的設計方法。該組合天線(xiàn)包含兩種天線(xiàn)單元：一種為鞭狀天線(xiàn)，此天線(xiàn)能夠接收水平場(chǎng)的電磁波;另一種為磁感應天線(xiàn)，此天線(xiàn)能夠接收垂直電場(chǎng)的電磁波。通過(guò)兩種天線(xiàn)的組合并利用選頻電路和高頻放大電路，即可實(shí)現信號的可靠接收。

　　1 組合天線(xiàn)設計

　　1.1 鞭狀天線(xiàn)

　　鞭狀天線(xiàn)又稱(chēng)為接地單極子天線(xiàn)。單極子垂直于地面，把地面假設為理想導體，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(xiàn)可以等效為偶極子天線(xiàn)。在浮標通信中，一般把浮標筒表面假設為理想導體。其鞭狀天線(xiàn)模型如圖1所示。

鞭狀天線(xiàn)與偶極子天線(xiàn)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(xiàn)相比，兩種天線(xiàn)的上半空間方向函數和方向圖相同，同時(shí)極化特性、頻帶特性等都相同。但是，鞭狀天線(xiàn)的輸入阻抗是偶極子天線(xiàn)的一半，原因主要是激勵電壓減半而激勵電流不變。同時(shí)鞭狀天線(xiàn)的方向系數是偶極子天線(xiàn)的兩倍，且因為場(chǎng)強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(xiàn)的遠場(chǎng)分量 Eθ的計算式如下：

　　本設計采用的鞭狀天線(xiàn)長(cháng)度H為30cm，接收電磁波頻率為1.8MHz。經(jīng)計算可得，鞭狀天線(xiàn)的方向性為4.80左右，絕對增益能夠達到6dB。通過(guò)電磁波的場(chǎng)強分析，此增益基本能夠滿(mǎn)足遠程無(wú)線(xiàn)遙控系統的信號接收。

　　1.2 磁感應天線(xiàn)

　　磁感應天線(xiàn)又稱(chēng)為電小環(huán)天線(xiàn)，環(huán)形天線(xiàn)分為圓環(huán)和方環(huán)兩種。本設計的電小環(huán)天線(xiàn)為圓環(huán)天線(xiàn)，且尺寸遠小于波長(cháng)，因此，相同面積的方環(huán)或圓環(huán)都具有相同的遠場(chǎng)波瓣圖。磁感應天線(xiàn)的場(chǎng)分量的計算式如下：

　　與對偶極子天線(xiàn)相比，偶極子天線(xiàn)含有虛數因子，而環(huán)天線(xiàn)則沒(méi)有，這說(shuō)明了偶極子天線(xiàn)和環(huán)天線(xiàn)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別。因此，環(huán)天線(xiàn)適用于水平方式布置取向，而偶極子天線(xiàn)一般采取平行于z軸取向。這亦符合天線(xiàn)長(cháng)度遠小于波長(cháng)的要求，即天線(xiàn)尺寸對波長(cháng)趨近于零。表1所列是環(huán)天線(xiàn)與偶極子天線(xiàn)的遠場(chǎng)比較。

1.3 組合天線(xiàn)

　　由于接收天線(xiàn)位于浮標筒中，浮標筒在海浪和風(fēng)向的作用下，容易改變其方向和位置，甚至會(huì )發(fā)生傾覆，因此，采用單一天線(xiàn)模式不能確保信號的可靠接收。故可利用鞭狀天線(xiàn)和磁感天線(xiàn)的復合天線(xiàn)來(lái)增強信號的可靠接收。這樣，無(wú)論哪個(gè)天線(xiàn)失靈(如發(fā)生鞭狀天線(xiàn)的折斷或者傾覆)，都可以利用另一個(gè)天線(xiàn)完成信號的接收。鞭狀天線(xiàn)為垂直極化天線(xiàn)，可接收垂直極化分量的磁場(chǎng);磁感天線(xiàn)為水平極化天線(xiàn)，可接收水平極化分量的磁場(chǎng)，這樣，通過(guò)相互互補，兩個(gè)天線(xiàn)就能很好地接收來(lái)自發(fā)射天線(xiàn)的全向波。組合天線(xiàn)的結構設計為磁感應天線(xiàn)布設于浮筒內壁上，呈水平方式;鞭狀天線(xiàn)則布設于浮筒中央，垂直于磁感應天線(xiàn)。兩天線(xiàn)采用同一饋電方式接收。圖2為組合天線(xiàn)的設計模型。

　　為了保證兩個(gè)天線(xiàn)的獨立接收，鞭狀天線(xiàn)和磁感應天線(xiàn)需要增加絕緣材料以進(jìn)行隔離，從而消除天線(xiàn)自帶的寄生因素，防止信號串擾。組合天線(xiàn)的實(shí)際布設圖如圖3所示。圖中導體即指鞭狀天線(xiàn)和磁感應天線(xiàn)，兩天線(xiàn)之間為絕緣材料。

　　2 信號的接收

　　組合天線(xiàn)接收的信號先后經(jīng)過(guò)L1、L2兩個(gè)鑒頻電感，然后經(jīng)場(chǎng)效應管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)型號相同的三極管組成，從選頻網(wǎng)絡(luò )來(lái)的接收信號經(jīng)兩個(gè)三極管放大、電容濾波之后即可進(jìn)入到解調電路進(jìn)行解調。圖5所示是其高頻放大電路。

　　3 實(shí)驗與仿真結果分析

　　綜合系統實(shí)現后，可選擇HFSS11軟件對組合天線(xiàn)進(jìn)行仿真，仿真結果表明，組合天線(xiàn)對無(wú)線(xiàn)電信號的接收能力很強，而且在天線(xiàn)旋轉或者側翻的情況下，仍能實(shí)現信號的可靠接收。天線(xiàn)在浮標桶截面為20cm時(shí)的波瓣圖如圖6所示。由圖可知，組合天線(xiàn)在現場(chǎng)情況下，基本能達到系統要求，天線(xiàn)的方向性系數達到 3.17，增益達到30dB。完全可滿(mǎn)足系統的要求。

　　通過(guò)對選頻電路和高頻放大電路進(jìn)行CAD仿真可見(jiàn)，其發(fā)射系統采用2FSK調制方式，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。指令數據序列可通過(guò)直接作用于其中一個(gè)載波進(jìn)行調制，可以獲得2FSK信號。通過(guò)在陸上100公里及海上300公里范圍內的組合天線(xiàn)接收，其信號通過(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 結束語(yǔ)

　　本文給出了一種通過(guò)組合天線(xiàn)接收無(wú)線(xiàn)電信號的接收系統設計方法。結合組合天線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，是可使天線(xiàn)接收系統工作在全天候狀態(tài)，從而避免在惡劣天氣環(huán)境下接收系統無(wú)法正常工作的缺陷。文中同時(shí)給出了信號的接收電路(包括選頻網(wǎng)絡(luò )及高頻放大電路等)。