一種超低頻有源接收天線的設(shè)計與研究(二)

王 凱， 李文興

(哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

(接上期216頁)

2.2 天線電路的設(shè)計

2.2.1 負(fù)阻抗變換分析

圖7為設(shè)計的超低頻有源接收天線等效原理圖，該有源接收天線的無源部分為電小單極子天線，有源部分為非福斯特電路，以運算放大器為核心的電壓反轉(zhuǎn)型負(fù)阻抗變換器構(gòu)成電路輸入級.

圖7 超低頻有源接收天線等效原理圖Figure 7 Equivalent principle diagram of ultra-low frequency active receiving antenna

可以看出，這是一個深度負(fù)反饋放大電路，根據(jù)運算放大器工作在線性區(qū)時“虛短虛斷”的概念，運放增益可以表示為：

(6)

根據(jù)基爾霍夫定律，分析圖4可知：

(7)

可得：

(8)

故基于非福斯特電路的有源接收天線的增益為：

(9)

2.2.2 穩(wěn)定性分析

負(fù)阻抗變換器是基于非福斯特電路的有源接收天線設(shè)計的核心，屬于電壓正反饋電路，那么對于其穩(wěn)定性的分析就尤為重要，如果設(shè)計不滿足穩(wěn)定性的條件，容易使得負(fù)阻抗變換器自激振蕩，造成接收信號失真[10].

根據(jù)式(8)可知，負(fù)阻抗變換器需在Ca+Ci+(1-AV)CN≠0的情況下穩(wěn)定工作，同時根據(jù)電路設(shè)計，運放的增益AV>1時才能實現(xiàn)負(fù)阻抗變換功能，因此AV需要同時滿足AV>1和Ca+Ci+(1-AV)CN>0兩種情形，即：

1

(10)

為了盡可能發(fā)揮非福斯特電路的作用，運算放大器輸入端的信號需要強于天線導(dǎo)線接收到的源信號，即Vi>Vs，此時C<0，因此可以得到：

AV>1+Ci/CN

(11)

聯(lián)立式(10)、(11)，得

1+Ci/CN

(12)

綜上所述，基于非福斯特電路的有源接收天線必須滿足式(12)才可以穩(wěn)定工作，穩(wěn)定接收信號.

2.2.3 元器件的選型

運算放大器選用美國Ti公司旗下產(chǎn)品OPA377通用運算放大器.該運放是單通道寬帶型CMOS放大器，具有高輸入阻抗、低噪聲、低失調(diào)電壓和輸入信號紋波抑制強的特性.不僅能夠與天線導(dǎo)線進(jìn)行阻抗水準(zhǔn)匹配，自身噪聲水平也很低，因此采用OPA377為核心設(shè)計負(fù)阻抗變換器.

OPA377的主要性能參數(shù)如表1所示.

表1 OPA377主要性能參數(shù)Table 1 Main performance parameters of OPA377

由于設(shè)計的超低頻有源接收天線工作頻率在30～300 Hz之間，因此表中取的是運放在這一頻率區(qū)間的動態(tài)參數(shù)，放大器選型時一定要注意目標(biāo)放大器的工作頻段是否涵蓋所需頻段.

當(dāng)電磁波穿過海平面在海水中傳播時，由于水下電導(dǎo)率與大氣不同，其衰減率要遠(yuǎn)大于自由空間內(nèi)的衰減率.電磁波在水下的傳播衰減率與自身頻率，大氣和水下電導(dǎo)率有關(guān)，具體關(guān)系如下[2]：

(13)

其中：α為電磁波傳播衰減率，單位：dB/m；f為電磁波頻率，單位：Hz；μ為真空磁導(dǎo)率4π×10-7H/m；σ為水下電導(dǎo)率，單位：S.受到溫度和濕度的影響，不同區(qū)域、不同季節(jié)的水下電導(dǎo)率存在差異，典型的σ范圍是3 ～ 5 S，因此水下超低頻的衰減速度大約為0.3 dB/m.

超低頻信號在大氣中的衰減量更小，頻率為225 Hz的超低頻在大氣內(nèi)傳播的衰減率約為2.2 ～ 2.7 dB/103km.通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，目前常見的超低頻發(fā)射天線類似接地天線，饋電點在中間，兩端分別接地.長度達(dá)到一百多公里，主要以225 Hz頻率發(fā)射，發(fā)射功率最高10 W，通信距離數(shù)千公里.水下潛器理想的活動深度為80 ～ 120 m，假設(shè)水下潛器處于水下100 m的位置，那么接收到的超低頻信號場強約為320 μV[11-12].結(jié)合設(shè)計的天線導(dǎo)線有效高度約為50 m，那么等效信號源的電壓值Vin=Eheff≈16 mV.

2.3 仿真結(jié)果分析

完成了超低頻有源接收天線整體電路的設(shè)計后，以NI公司的Multisim 14.0軟件為平臺，對整體電路的負(fù)阻抗變換性、工作頻帶寬度和增益進(jìn)行仿真與分析

2.3.1 負(fù)阻抗變換性的仿真和分析

將設(shè)計完成的超低頻有源接收天線通過Multisim軟件進(jìn)行建模并仿真，仿真方法選擇時域仿真，信號源設(shè)置為輸出頻率225 Hz，Vpp=16 mV的交流電壓源.超低頻有源接收天線的負(fù)阻抗變換仿真原理如圖8所示.

圖8中，V1為正弦信號源，OPA377AID為OPA377運放芯片的8引腳封裝型號，供電電壓5V，XSC1為4通道示波器，XCP1為電流探頭，示波器的A通道連接非福斯特電路輸入端，B通道連接電流探針，用于觀察電路輸入端的電壓電流波形，仿真結(jié)果如圖9所示.

圖8 超低頻有源接收天線的負(fù)阻抗變換仿真原理圖Figure 8 Simulation schematic diagram of negative impedance transformation of ultra-low frequency active receiving antenna

圖9 非福斯特電路的電壓電流時域仿真波形Figure 9 Time domain simulation waveform of voltage and current of non-Foster circuit

再使用Multisim軟件中的虛擬網(wǎng)絡(luò)分析儀對非福斯特電路進(jìn)行頻域仿真，得到電路輸入電抗的仿真結(jié)果如圖10所示，從變化曲線可以看出，電路輸入電抗隨頻率的增加而減小，符合前面分析的負(fù)電容的電抗變化曲線，從另一個方面證明設(shè)計的非福斯特電路發(fā)揮了負(fù)阻抗變換的作用.

圖10 非福斯特電路輸入端的電抗變化曲線Figure 10 The reactance change curve of the input terminal of the non-Foster circuit

2.3.2 工作頻帶寬度的仿真與分析

針對天線導(dǎo)線等效輸入電容為12.6 pF，選取反饋電容C3=3 pF，運算放大器OPA377和負(fù)反饋電路組成非福斯特電路，通過產(chǎn)生等效負(fù)電容來減少天線輸入電抗，使得天線的輸入阻抗偏電阻性，便于在更寬的頻率范圍上實現(xiàn)匹配.

運用Multisim軟件建立超低頻有源接收天線整體電路模型后，設(shè)置仿真頻率范圍為10 ～ 1000 Hz，步長5 Hz，信號源阻抗R8和負(fù)載阻抗R7設(shè)置為50 Ω，使用虛擬網(wǎng)絡(luò)分析儀XNA1對該超低頻有源接收天線進(jìn)行正向傳輸系數(shù)仿真，天線工作帶寬的仿真結(jié)果如圖11所示.

正向傳輸系數(shù)(S21參數(shù))的含義是天線輸出功率與輸入功率之比，正向傳輸系數(shù)越高，代表天線功率增益越高，輸入端傳送到輸出端的能量越大.圖11(A)、(B)分別對超低頻有源接收天線在30 Hz和300 Hz兩個頻點處的正向傳輸系數(shù)進(jìn)行了比較，可以看出，超低頻有源接收天線在30 ～ 300 Hz頻率范圍內(nèi)，功率增益最大差值為0.191 dB，小于3 dB.能夠得出結(jié)論：設(shè)計的超低頻有源接收天線的3 dB帶寬達(dá)到30 ～ 300 Hz，超低頻頻段范圍都包含在天線工作帶寬內(nèi)，達(dá)到了拓寬超低頻接收天線的工作頻帶的目的.

圖11 超低頻有源接收天線的工作帶寬仿真結(jié)果Figure 11 Simulation results of working bandwidth of ultra-low frequency active receiving antenna

2.3.3 增益的仿真與分析

利用負(fù)反饋電路會提升非福斯特電路的增益，不過一味提高增益反而會影響穩(wěn)定性.綜合考慮，選取負(fù)反饋電阻R1=500 Ω，R2=100 Ω，放大器增益AV=6.

運用Multisim軟件建立超低頻有源接收天線整體電路模型后，設(shè)置仿真頻率范圍為10 ～ 1000 Hz，步長5 Hz，信號源阻抗R8和負(fù)載阻抗R7設(shè)置為50Ω，使用虛擬網(wǎng)絡(luò)分析儀XNA1對該超低頻有源接收天線進(jìn)行S參數(shù)仿真，天線增益的仿真結(jié)果如圖12所示.

圖12 超低頻有源接收天線的增益仿真結(jié)果Figure 12 Gain simulation results of ultra-low frequency active receiving antenna

圖12(A)、(B)表明，設(shè)計的超低頻有源接收天線在30 ～ 300 Hz工作頻率范圍內(nèi)，30 Hz頻點處的增益最低，為25.12 dB，300 Hz頻點處的增益最高，為25.311 dB，并且超低頻有源接收天線在工作頻帶內(nèi)的增益平坦度較好，滿足3 dB帶寬.能夠得出結(jié)論：設(shè)計的超低頻有源接收天線在其工作頻帶內(nèi)的增益超過25 dB，同時增益平坦度良好.超低頻有源接收天線能夠在縮小天線尺寸的同時，獲得比傳統(tǒng)超低頻接收天線更高的增益.

3 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種基于非福斯特電路的超低頻有源接收天線，由于天線導(dǎo)線部分為容性天線，在電路中以天線輸入電容等效代替.分析了該有源接收天線的負(fù)阻抗變換，增益，靈敏度，穩(wěn)定性等方面的性能.為基于非福斯特電路的超低頻有源接收天線提供了理論依據(jù)和設(shè)計依據(jù).

根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求確定了總體設(shè)計方案.首先，設(shè)計單極子天線導(dǎo)線的參數(shù)，通過CST軟件對天線導(dǎo)線的方向性和輸入阻抗進(jìn)行仿真，將天線輸入電抗值在頻域內(nèi)等效為電容，根據(jù)天線電容值，綜合考慮負(fù)阻抗變換及穩(wěn)定性條件，完成了基于非福斯特電路的超低頻有源接收天線的設(shè)計，通過Multisim軟件對整體電路進(jìn)行了仿真及分析，仿真結(jié)果表明，超低頻有源接收天線的工作頻率范圍為30 ～ 300 Hz，工作帶寬270 Hz，增益可達(dá)到25.311 dB.

設(shè)計的超低頻有源接收天線與傳統(tǒng)超低頻接收天線的數(shù)據(jù)對比如表2所示[13-15].

表2 超低頻有源接收天線與傳統(tǒng)超低頻接收天線的數(shù)據(jù)對比Table 12 Data comparison between ULF active receiving antenna and traditional ULF receiving antenna

本文設(shè)計的超低頻有源接收天線的技術(shù)性能優(yōu)于傳統(tǒng)超低頻接收天線，相較于傳統(tǒng)超低頻接收天線實現(xiàn)了天線尺寸減小，天線工作頻帶展寬的目的.

(完)