一種基于低頻的有源閃電定位天線設計

劉偉，朱彥龍

（鄭州鐵路職業(yè)技術學院，鄭州 451460）

0 引言

為了預防或減輕雷電帶來的危害，就必須研究雷電活動的規(guī)律和掌握雷電的性質以及各種雷電參數(shù)。以便根據(jù)這些數(shù)據(jù)來設計防雷保護設備和指定防雷保護方式，采取有效和經濟的防雷保護措施[1-5]。

雷電LF是在閃電通道電離后的通道中產生強電流時主要產生的瞬變電磁場低頻輻射，傳播范圍較大的天電。所謂天電是閃電或者其他放電所產生的瞬變電磁場，天電也表示任何大于本地背景噪聲的外來瞬變電磁場信號。閃電產生的天電的主要能量集中于頻率范圍為5～10 kHz的甚低頻波段，此頻段包含在本次設計中，天電的整個頻率范圍可以從極低頻到超高頻波段，幾乎覆蓋了整個無線電波段。

在我國，中科院空間應用中心、信息產業(yè)部電子第二十二研究所、中國科技大學、武漢高壓所等單位于20世紀80年代中后期亦先后開始研制閃電定位系統(tǒng)，并逐步形成了有自己特點的產品。

早期電場儀在地面測量，其輸出是交流信號，信號大小正比于場強，將這些信號顯示或記錄，或經整流給出直流輸出。若要確定電場極性則要另加電路，在儀器配置一對板極或柵網(wǎng)，其面積大于電場儀轉動盤的面積，板間相隔一定距離，加上電壓進行測量；旋轉式大氣電場儀，儀器由大氣電場感應器、信號處理電路、顯示系統(tǒng)和雷暴警報器4部分組成，它根據(jù)導體在電場中產生感應電荷原理來測量大氣電場；大氣電場探空儀，由雙球式大氣電場感應器、發(fā)射機和地面的接收系統(tǒng)組成，在強大氣電場中，兩金屬球分別感應大小相等、極性相反的交變電荷，其幅值與平行于兩個旋轉所形成平面的大氣電場分量成正比，雙球式大氣電場感應器的輸出信號經發(fā)射機傳送到地面。地面接收系統(tǒng)（由天線、接收機、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和顯示裝置組成）中天線接收大氣電場和溫度、濕度信號，通過接收機和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)輸出探測結果。此外，還有通過測量閃電電流對雷電進行監(jiān)測的閃電電流峰值測量、雷電流測量、測量磁通密度計算閃電電流，及通過測量閃電磁場的測量。

本課題研究的是一種雷電有源接收機天線，此天線是閃電定位儀的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣直接影響了閃電定位儀的性能，閃電定位儀是目前雷電探測的重要儀器，我國多家科研單位都對雷電定位系統(tǒng)的研制工作投入了大量資源。隨著現(xiàn)代天線技術的發(fā)展，有源天線在閃電定位儀、衛(wèi)星導航定位等領域中得到了廣泛的應用。設計兩級可調放大電路，將接收到的信號進行限幅放大和限幅輸出。

圖1 整體系統(tǒng)框圖Fig.1 Overall system block diagram

1 系統(tǒng)設計方案

1.1 系統(tǒng)設計圖

圖1為整體系統(tǒng)框圖，由圖可知本課題設計的天線由圓盤天線[6-15]、集成放大電路和輸出設備組成。本實驗使用VCA810集成放大器為主要器件，

1.2 軟件仿真

本次課題使用OrCAD PSpice 9.2進行仿真實驗。此軟件由Capture、PSpice、Layout、Express四部分組成，Capture電路原理圖設計軟件，可生成模擬電路、數(shù)字電路和模/數(shù)混合電路，PSpice電路仿真軟件，可對Capture生成的原理圖進行仿真分析，并對其進行優(yōu)化，Layout印制電路板圖設計軟件，將Capture生成的原理圖轉為印制電路板圖，Express邏輯仿真軟件，用于可編程邏輯器件設計?？蛇M行直流分析、交流分析、瞬態(tài)分析（瞬態(tài)響應分析、傅里葉分析）。本次試驗使用Capture設計仿真原理圖，PSpice進行交流分析和瞬態(tài)分析，圖2為仿真原理圖。

圖2 仿真原理圖Fig.2 Simulation principle diagram

此處我們使用兩級集成運放放大，單級放大到100倍，整體電路最大可放大到104倍。輸入信號幅度為幾個毫伏峰峰值電壓，頻率范圍為300 Hz～300 kHz，經過聚成運算放大電路放大后，電阻R5兩端輸出為1 V的電壓，偏置電壓為2.5 V。設計要求基本實現(xiàn)，仿真實驗成功，圖3為原理電路仿真結果圖。

圖3 原理電路仿真結果圖Fig.3 Simulation result diagram of principle circuit

2 硬件電路設計原理介紹及結果分析

2.1 限幅電路

如圖4所示，輸入端接入圓盤天線接收的信號，為保護集成運放的輸入端，需加輸入端限幅電路，此處使用1N4099穩(wěn)壓管，穩(wěn)壓值為6.8V，功率500mW，進行雙向限幅。

圖4 輸入端原理圖Fig.4 The input principle diagram

2.2 第一級放大電路

圖5為第一級放大電路，使用0.39 μF的C1電容進行隔直耦合信號，通過VCA810集成放大器，VCA810的5號管腳接+5 V直流電源，2號管腳接-5 V直流電源，反向端4號管腳輸入，通過R2、R8構成負反饋回路進行放大，此處放大倍數(shù)可通過R8進行調整，C2為3.6pF旁路電容。C7—C9構成電源濾波電路，消除由電源內阻造成的低頻和高頻振蕩。

圖5 第一級放大電路原理圖Fig.5 Principle diagram of the first stage amplifier circuit

2.3 第二級放大電路

圖6為第二級放大電路，同第一級放大電路結構相同，此處由R4、R7構成負反饋回路，放大倍數(shù)可通過改變R7的阻值進行調整。本圖中C10、C11、C12、C13構成濾波回路，消除電源內阻造成的低頻和高頻振蕩，降低內部噪聲。

2.4 輸出端電路

圖7為輸出端，此處使用33 uF的C5進行耦合，D3進行單向限幅，電位器R6拉升電壓中心值，調節(jié)R6可改變輸出電壓中心值位置，本實驗我們將電壓拉升到2.5 V。由于此處R6將電位提升了，所以只需進行單向限幅即可。對于VCA810的電位提升，在輸入端加入調節(jié)電位，調節(jié)性能更佳。而此處我們使用兩級級聯(lián)運算放大，中間需要加隔直電流，因此只能在輸出端加電位器，提供偏置電壓。

圖6 第二級放大電路原理圖Fig.6 Principle diagram of the second stage amplifier circuit

圖7 輸出端原理圖Fig.7 Output terminal principle diagram

2.5 模擬結果分析

圖8中使用信號發(fā)生器模擬閃電低頻信號，輸出電壓幅值都為8 mV，可以得出，電路在400 Hz～800 kHz頻率范圍內放大效果都較好，在400 Hz和800 kHz處都能達到輸出為0.9 V，在500 Hz～500 kHz頻率范圍內都能放大到輸出為1 V，效果波形也較好，電路的通頻帶基本達到設計要求，整體電路的增益也達到設計要求。

接入天線后，使用信號發(fā)生器輸出到一塊平板，一定距離位置處放置好天線，接收各頻率信號，效果圖見圖9。

由圖9可以得出，信號頻率越低，效果波形越不穩(wěn)定。天線連接的信號線有一定的長度，在頻率越低時，信號的波長越長，天線接收信號線越不利接收，所以相應效果不如高頻率效果好。在沒有發(fā)射信號的時候，空氣存在一個50 kHz外來信號，由周圍電器工作引起。

圖8 輸入為8 mV時各頻率放大情況Fig.8 Some frequency amplifications when the input voltage is 8 mV

圖9 天線接收的信號Fig.9 The antenna receives signals

3 結語

詳細介紹了天線硬件電路設計原理，從電路仿真，到電路各個模塊的設計原理，本次設計使用VCA810集成塊作為放大器件，對圓盤天線接收到的天電信號（主要對于低頻波段的天電）進行放大，然后接入天線進行信號接收，效果較好，本文通過軟件仿真結果和硬件試驗結果對比驗證了本文設計的可靠性。

參考文獻：

[1]王晉萍，田瑞敏，韓普，等.淺談雷電危害及雷電監(jiān)測[J].山西氣象，2006，13（2）：31-33.WANG Jinping，TIAN Ruimin，HAN Pu，et al.Primary analysis on the damage of thunder and thunder observation[J].Shanxi Meteorological Quarterly，2006，13（2）:31-33.

[2]馮桂力.雷電監(jiān)測和雷電數(shù)據(jù)的應用[J].山東氣象，2002，22（2）：25-27.FENG Guili.Lightning detection and application of light?ning data[J].Journal of Shandong Meteorology，2002，22（2）:25-27.

[3]陳渭民.雷電學原理[M].北京：氣象出版社，2003.

[4]宋晨曦，行鴻彥，張欣，等.基于地面電場的雷暴云電荷結構混合反演[J].電瓷避雷器，2015（6）：73-79.SONG Chenxi，XING Hongyan，ZHANG Xin，et al.[J].Insulators and Surge Arresters，2015（6）:73-79.

[5]季鑫源，行鴻彥，徐偉.地面三維大氣電場與雷暴云電荷方位的關系[J].電瓷避雷器，2015（6）：63-68.JI Xinyuan，XING Hongyan，XU Wei.The relation of three dimension atmospheric electric field and thundercloud charge position[J].Insulators and Surge Arresters，2015（6）:63-68.

[6]吳從兵.圓盤天線電磁脈沖能量的慢衰規(guī)律及其在地礦探測中的應用研究[J].皖西學院學報，2011，27（2）：76-78.WU Congbing.On the slow fading law of electromagnetic pulse energy with disc antenna and its application in min?eral detection[J].Journal of West Anhui University，2011，27（2）:76-78.

[7]謝處方，饒克謹.電磁場與電磁波[M].北京：高等教育出版社，2006.

[8]張英鋒，呂善偉.衛(wèi)星導航接收機天線的簡單化設計[J].微波學報，2009，25（1）：35-38.ZHANG Yingfeng，LV Shanwei.Simple design for antenna of satellite navigation receiver[J].Journal of Microwaves，2009，25（1）:35-38.

[9]王秀紅，龐偉正，王東.小型超寬帶印刷圓盤天線的設計與仿真[J].應用科技，2008，35（12）：15-18.WANG Xiuhong，PANG Weizheng，WANG Dong.The de?sign and simulation of a small ultra-wideband printed cir?cular-disc antenna[J].Applied Science and Technology，2008，35（12）:15-18.

[10]邱景輝，呂延明，陳立甲，等.小型化短波天線及其頻帶擴展方法[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2013，45（1）：46-49.QIU Jinghui，LV Yanming，CHEN Lijia，et al.A miniatur?ized HF antenna and a method of broadening the frequen?cy range[J].Journal of Harbin Institute of Technology，2013，45（1）:46-49.

[11]張瑜，方輝，李水清.短波小型接收天線設計[J].電波科學學報，2007，22（2）：251-254.ZHANG Yu，F(xiàn)ANG Hui，LI Shuiqing.Design of compact shortwave receiving antenna[J].Chinese Journal of Radio Science，2007，22（2）:251-254.

[12]曹冬杰，田立言，肖瑾，等.閃電多參量高速大容量實時數(shù)據(jù)采集、顯示和分析系統(tǒng)[J].高原氣象，2011，30（2）：518-524.CAO Dongjie，TIAN Liyan，XIAO Jin，et al.A fast record?ing，display and waveform analysis system on Multi-Pa?rameter of lightning flash[J].Plateau Meteorology，2011，30（2）:518-524.

[13]賀沖.雷電探測系統(tǒng)信號預處理與定位方法研究[D].武漢：華中科技大學，2009.

[14]寧增琨.閃電電場測量與傳輸系統(tǒng)設計[D].南京：南京信息工程大學，2014.

[15]王安國，蔡曉濤，冷文.帶寄生貼片的圓盤形方向圖可重構天線設計[J].電波科學學報，2011（6）：1181-1186.WANG Anguo，CAI Xiaotao，LENG Wen.Design of a cir?cular disc-shaped pattern reconfig urable antenna with parasiticpatch[J].Chinese Journal of Radio Science，2011（6）:1181-1186.