甚低頻窄帶網(wǎng)絡(luò)下的高速信號傳輸方法研究?

賈 琦王 奎

（1.北京圣非凡電子系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)有限公司 北京 102209）（2.清華大學(xué)電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系 北京 100000）

1 引言

甚低頻通信具有傳輸穩(wěn)定可靠、傳播距離遠、并具有能在一定程度上穿透海水及地表的能力。因此世界各國常用該頻段進行遠距通信，軍事強國更是將該頻段應(yīng)用于對潛通信。目前，甚低頻通信仍然是世界各國應(yīng)用最為廣泛的、技術(shù)最為成熟的對潛通信手段，因此開展甚低頻信號高速傳輸?shù)难芯?，對用于對潛通信的甚低頻通信技術(shù)未來的發(fā)展具有一定的指導(dǎo)意義與軍事價值［1］。

一般甚低頻天線都具有加頂負載的垂直分量，它對地電位等效為一個電容，由于輻射電阻較小，天線Q值就比較高。調(diào)諧匹配網(wǎng)絡(luò)的作用是將發(fā)射機與天線相匹配，使發(fā)射機在工作頻率上輸出最佳功率［2］。美國緬因州的卡特勒天線建于1961年初，是目前功率輻射性能最好、效率最高的甚低頻天線［3］，其示意圖如圖1、2所示。

基本上天線由兩種相同的結(jié)構(gòu)組合而成，每個天線都具有兩個相同的平頂負載，用以形成六邊形天線陣［4］。圖2為該天線的帶寬-頻率特性。從數(shù)據(jù)可以看出，隨著頻率的增加，天線3dB帶寬隨頻率的升高而變大，在30kHz時可以達到約450Hz的帶寬。Cutler天線的帶寬-頻率特性具備一般天線的性。為了獲得較低的入水衰減，常使用較低的頻率來傳送甚低頻信號。從文獻資料中可以看到，在20kHz以下時，天線固有帶寬理論上僅有100Hz左右，因此在如此窄的頻帶資源上，只有采用能量密度更高的MSK調(diào)制方式，MSK移頻信號的MSK調(diào)制方式99%的能量集中在1.2/Tb的帶寬內(nèi)，因此可以充分利用該種調(diào)制波形使甚低頻天線有限的帶寬輻射出盡可能多的能量［5］。

圖1 美國海軍緬因州卡特勒甚低頻發(fā)射天線

圖2 卡特勒天線帶寬-頻率特性圖

2 兩種擴展窄帶網(wǎng)絡(luò)帶寬的思路及實現(xiàn)方法

傳統(tǒng)的甚低頻通信系統(tǒng)中天饋系統(tǒng)在頻段的低頻率端受到天線帶寬的限制，無法發(fā)送較快速率的信息。要充分發(fā)揮甚低頻頻段低端的優(yōu)勢，就要突破VLF天線頻率的低端帶寬窄，無法發(fā)送較快速率的信號問題［6］。本文提出一種采用調(diào)制信號編碼控制調(diào)諧系統(tǒng)進行微調(diào)，實現(xiàn)天饋系統(tǒng)的調(diào)諧點隨時對準當前時刻正在發(fā)送的信號頻率，使其在每個時刻都滿足當前時刻調(diào)制信號的帶寬有求［7］。這樣即使調(diào)制信號總的帶寬超過天線的帶寬，但由于每時刻的帶寬沒有超過天線的限制，所以不會造成信號失真和因為功率的反射而損壞發(fā)射機［8］。

新型的調(diào)諧饋電電路采用實時動態(tài)調(diào)諧技術(shù)，該技術(shù)的關(guān)鍵點是使用高效調(diào)制方式，使每個時刻調(diào)制信號的能量都集中在一個相應(yīng)窄的頻段上，同時由調(diào)制信號編碼同步控制調(diào)諧系統(tǒng)進行動態(tài)微調(diào)，實現(xiàn)天饋系統(tǒng)的調(diào)諧點隨時對準當前時刻正在發(fā)送的信號頻段，使其在每個時刻都滿足當前時刻調(diào)制信號對帶寬的要求［9］。

甚低頻發(fā)射天線的簡化等效電路如圖3（a）所示，動態(tài)調(diào)諧的等效電路圖如圖3（b）所示，其中信號源為MSK信號源?，F(xiàn)有常用的調(diào)諧技術(shù)令甚低頻發(fā)射天線及傳輸網(wǎng)絡(luò)諧振在發(fā)射機的中心頻率上，以此消除天線的容抗。采用這種方式傳輸?shù)腗SK信號的兩個移頻分量始終處于失諧狀態(tài)，因此采用傳統(tǒng)調(diào)諧技術(shù)的甚低頻發(fā)射天線電路在移頻信號超出傳輸網(wǎng)絡(luò)帶寬時，由于帶寬的限制，其能量傳輸效率不高［10］。

開關(guān)控動態(tài)調(diào)諧技術(shù)使電感L和L'串聯(lián)工作于“傳號”頻率f1上，電感L工作于“空號”頻率f2上，受控開關(guān)受當前“空號”或“傳號”高低電平控制，當受控開關(guān)閉合時，短路電感L'，電路諧振于頻率f2上，當受控開關(guān)斷開時，電感L'串聯(lián)接入電路，整個電路諧振于頻率f1上，從而實現(xiàn)了發(fā)射天線電路的諧振頻率動態(tài)的跟隨發(fā)射機激勵頻率的改變而改變，達到擴展帶寬的目的［11～12］。

圖4 不同Q值下的傳輸帶寬示意圖

3 開關(guān)控制策略研究及傳輸性能仿真

本文所研究的動態(tài)調(diào)諧電路的簡化拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，它由信號源U、電感Lm，調(diào)諧電感L1，天線電容C、天線電阻R、以及IGBT S1和IGBT S2構(gòu)成。其中，D1、D2分別為 IGBT S1和 IGBT S2的兩個寄生二極管。由上文分析及圖5可知，本拓撲兩個IGBT是基于共發(fā)射級連接組成的雙向開關(guān)。

圖5 動態(tài)調(diào)諧電路的簡化拓撲結(jié)構(gòu)圖

為了分析方便，本文中規(guī)定負載電流Io從電感端流向天線電容C端時為正向，即Io＞0；從天線電容C端流向電感時為負向，即Io＜0。

當主電路需要電感L1參與諧振時，此時開關(guān)S1和S2應(yīng)該斷開，保證主電路電流經(jīng)過電感L1。當主電路不需要電感L1參與諧振時，此時開關(guān)S1和S2應(yīng)該閉合，使電感L1短路，保證主電路電流不通過電感L1，而是通過開關(guān)S1和S2來流通。

主電路控制板通過光纖發(fā)送PWM信號給IG?BT模塊，實驗中發(fā)兩路PWM，頻率切換通信由前級BOOST電路發(fā)送光纖信號給主電路控制板，主電路控制板根據(jù)接收到的頻率切換指令，結(jié)合主電路電流采樣值，依據(jù)IGBT投切策略，適時發(fā)送通斷指令給 IGBT S1和 S2。

IGBT投切策略方案，方案一：采用零電流導(dǎo)通，關(guān)斷原則為在電流正峰值關(guān)斷S2，在電流負峰值關(guān)斷S1；方案二：采用零電流導(dǎo)通，關(guān)斷原則為在電流正峰值關(guān)斷S2，在電流零值關(guān)斷S1。關(guān)斷方案波形比較：關(guān)斷方案一波形如下。

圖6 電流關(guān)斷方案波形比較

從圖6（a）可以看出，PWM時刻與理想時刻有一定延時，但延時相位較小，PWM發(fā)出關(guān)斷信號后，IGBT電壓立即上升，出現(xiàn)電壓尖峰，2個IGBT都有尖峰。從圖6（b）可以看出，PWM時刻與理想時刻有一定延時，但延時相位較小，PWM發(fā)出關(guān)斷信號后，IGBT電壓立即上升，出現(xiàn)電壓尖峰，黃色IGBT電壓有尖峰，另一個藍色電壓無尖峰，故方案二可消除1個IGBT的關(guān)斷電壓。

4 小容量功率等級試驗驗證

本課題提出的方案是，當開關(guān)電抗器控制系統(tǒng)檢測到功率放大器輸出頻率變低時，控制系統(tǒng)延時等待流過雙向開關(guān)的電流接近零，此時關(guān)斷并聯(lián)的雙向開關(guān)，附加調(diào)諧電抗器接入；當開關(guān)電抗器控制系統(tǒng)檢測到功率放大器輸出頻率變高時，等待附加電抗器上電壓接近零，此時導(dǎo)通并聯(lián)的雙向開關(guān)，附加調(diào)諧電抗器旁路。實驗原理連接圖試驗平臺采用小功率實物原理樣機進行測試。

電源US采用高功率密度開關(guān)管，產(chǎn)生一個中心頻率在20kHz以下的甚低頻信號，根據(jù)該高Q網(wǎng)絡(luò)的特性，模擬FSK信號在中心頻率左右各產(chǎn)生一個等頻率間隔的移頻信號f1和f2。該移頻信號在工作時以特定移頻頻率均勻變化，用于模擬實際發(fā)信時的移頻信號，同時，根據(jù)移頻譜特征，控制L1投切開關(guān)K，對高Q網(wǎng)絡(luò)進行動態(tài)補償，使甚低頻天線實時動態(tài)調(diào)諧在調(diào)制信號的兩個相距較寬的移頻分量上，可以有效地展寬系統(tǒng)有效帶寬且同時不會降低天線效率的情況下，提高系統(tǒng)通信速率。

圖7 小容量功率等級下主回路電流和補償電感電壓

圖7 是原理樣機進行動態(tài)補償后主回路電流和瞬變電抗裝置固態(tài)開關(guān)管的電壓波形，由圖7可以看出，采用了該補償裝置后，對于高Q回路上超過傳輸帶寬的信號仍可以穩(wěn)定傳輸，實現(xiàn)了在Q值高達100的16kHz信號上成功傳輸帶寬在1kHz的信號（理論上該傳輸網(wǎng)絡(luò)的傳輸帶寬僅160Hz）。而且，在動態(tài)補償期間很好地抑制了開關(guān)管上的瞬時過電壓，同時主回路的電流最大達到了56A，驗證了該裝置的性能，并為后續(xù)工程化實現(xiàn)積累了寶貴的經(jīng)驗。

5 結(jié)語

本文對基于控制固態(tài)開關(guān)器件實時補償移頻信號的動態(tài)調(diào)諧技術(shù)與方法進行了深入研究與分析，通過對固態(tài)開關(guān)器件補償狀態(tài)的仿真與傳輸網(wǎng)絡(luò)小容量功率加載試驗，驗證了該技術(shù)在甚低頻窄帶網(wǎng)絡(luò)上對于移頻信號的高速傳輸可行性。試驗結(jié)果表明基于固態(tài)開關(guān)器件的實時動態(tài)調(diào)諧補償方法，可有效在高Q窄帶網(wǎng)絡(luò)上傳輸占用帶寬較寬的移頻信號，并為后續(xù)工程化樣機的轉(zhuǎn)化積累了寶貴的經(jīng)驗。