羅蘭-C 小型有源接收天線設(shè)計與仿真

劉楊，齊俊東，陳奇東，黃曉，徐文璞，劉睿

(1.中國電波傳播研究所,青島 266107；2.裝發(fā)軍代局駐鄭州地區(qū)軍代室,鄭州 450000)

0 引言

GPS 是目前應(yīng)用最廣泛的導(dǎo)航定位手段，具有全球性、全天候、精度高、實時定位的特點，但其在應(yīng)用中仍存在一些缺陷，如GPS 易于受到非故意的人為干擾(如射頻信號干擾) 和自然干擾(如太陽磁暴)；也易于受到故意的干擾(如信道阻塞)和人為攻擊[1-4].與之相比，羅蘭-C 是一種遠(yuǎn)程陸基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，發(fā)射100 kHz 頻率的脈沖相位調(diào)制無線電導(dǎo)航信號，利用主/副臺結(jié)合實現(xiàn)雙曲線定位，具有覆蓋范圍廣、抗干擾能力強、信號穩(wěn)定、定位精度重復(fù)性好等特點.由于羅蘭-C 導(dǎo)航系統(tǒng)可以有效彌補GPS 的不足[5-8]，因此，羅蘭-C 導(dǎo)航接收機目前受到越來越多的重視，在導(dǎo)航授時、組合導(dǎo)航、附加二次相位時延計算等場景中取得了較為廣泛的應(yīng)用.

天線是接收無線電信號的窗口，是羅蘭-C 導(dǎo)航接收機最重要的組成部分之一.與電天線相比，磁天線具有體積小、靈敏度高、抗干擾能力強的特點[9].國內(nèi)外有很多研究人員對羅蘭-C 接收磁天線進行了研究，如文獻[10-11]中均針對羅蘭-C 有源接收磁天線進行了設(shè)計；文獻[12]中對羅蘭-C 磁天線的性能進行了研究，并將其性能與電天線進行了比較；文獻[13]中對包含磁天線在內(nèi)的的各種電小天線設(shè)計方法與理論進行了綜合性的探討.但是，目前的研究主要停留在理論計算，較少對羅蘭-C 天線進行結(jié)構(gòu)設(shè)計、電路設(shè)計，及對天線性能進行仿真的研究和工程應(yīng)用.因此，本文研究并設(shè)計一種高性能的羅蘭-C 小型有源接收天線，通過對天線的結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部有源濾波放大電路進行詳細(xì)設(shè)計、仿真，可以推動本天線的工程化應(yīng)用，具有較高的實用意義，方便天線在羅蘭-C 導(dǎo)航接收機的使用.

1 天線設(shè)計

通過綜合分析，采用磁棒天線作為羅蘭-C 接收天線，通過對天線結(jié)構(gòu)進行整體設(shè)計布局，進行接收天線的小型化和一體化實現(xiàn).

1.1 羅蘭-C 接收天線

羅蘭-C 信號屬于長波(LF) 頻段，波長較長，必須使用專用的長波天線進行接收.磁棒天線由于具備體積小、增益高，不易產(chǎn)生靜電荷累積等優(yōu)點，是一種較為合適的長波接收天線.磁棒天線可以看作是一個中間插入高磁導(dǎo)率磁棒的小環(huán)天線，一般由漆包線等組成線圈，繞制在磁芯上構(gòu)成.通過加入能夠改善對于磁力線約束能力的磁芯，可以得到更大的感應(yīng)電勢，提高天線靈敏度.磁棒天線基本構(gòu)成如圖1 所示.

圖1 磁棒天線組成示意圖

磁棒天線的等效高度He為

式中：S為圓柱磁芯橫截面積；ω 為天線線圈的匝數(shù)；λ 為信號波長.μe為所使用的磁芯的磁導(dǎo)率，且μe滿足[14]

式中：d為圓柱磁芯直徑；l為圓柱磁芯長度；μ0為磁芯所使用材料的初始磁導(dǎo)率.通過上述分析可知，磁棒天線對信號的接收能力主要與磁芯長度、繞線匝數(shù)、磁芯截面積和磁芯的磁導(dǎo)率有關(guān)，天線感應(yīng)電壓與磁芯截面積成正比，與繞線匝數(shù)成正比，與磁導(dǎo)率成正比.因此，理論上說，需選用初始磁導(dǎo)率大的磁芯，增大磁芯體積，同時盡量增大線圈的匝數(shù).

但是，無法通過無限增大磁芯長度、截面積以及線圈的匝數(shù)以獲得更高增益.首先，磁芯長徑比的增加對接收性能的優(yōu)化是有限度的.通過MATLAB 仿真可得，具有不同的初始磁導(dǎo)率的鐵氧體的長徑比與μe的關(guān)系如圖2 所示.

圖2 鐵氧體的長徑比與磁導(dǎo)率的關(guān)系

由圖2 可知，對于磁棒天線常用的1 000～2 000初始磁導(dǎo)率的磁芯來說，在長徑比10～40 時，磁導(dǎo)率隨長徑比增加而增大明顯，其后繼續(xù)增大長徑比，則磁導(dǎo)率增加率逐漸降低[15].因此，長徑比不宜大于40，可根據(jù)天線尺寸需要自由選取10～40 以內(nèi)區(qū)間為宜.其次，增大磁芯的長度和截面積，其鐵氧體內(nèi)部損耗會增大，使天線的靈敏度降低.同時，過長過大的磁棒天線加工難度增加，機械強度也大幅降低，尤其不符合天線小型化的要求.

線圈匝數(shù)也不能無限增加.增多的線圈匝數(shù)會導(dǎo)致線圈內(nèi)阻增大，使系統(tǒng)熱噪聲增加，進一步降低天線接收信號的信噪比.同時，線圈匝數(shù)的變化會改變天線電感值，進而影響天線的諧振頻率.對于接收100 kHz 信號的長波磁天線，可以依據(jù)下表總結(jié)出的典型數(shù)據(jù)，對線圈匝數(shù)進行設(shè)計[16].

磁棒天線設(shè)計思路如下：根據(jù)線圈電感需要，使用初始磁導(dǎo)率為1 000 的錳鋅鐵氧體磁棒作為磁芯；根據(jù)小型化要求，先確定磁芯長度140 mm；按照長徑比為10 計算，取橫截面直徑為14 mm；采用0.5 mm的漆包線對線圈進行繞制，采用中心密繞的纏繞方式，根據(jù)表1 中長波接收天線最優(yōu)匝數(shù)參考值，設(shè)計線圈匝數(shù)為80 圈.所設(shè)計的磁棒天線具有方向性，其方向圖在水平界面上呈“∞”形狀.對所設(shè)計的磁棒天線進行建模，天線外觀如圖3 所示.

表1 不同線圈匝數(shù)對應(yīng)的磁芯直徑及電感值

圖3 天線外觀圖

1.2 天線結(jié)構(gòu)整體設(shè)計布局

結(jié)構(gòu)設(shè)計也是天線小型化、一體化設(shè)計中的重點.首先，天線結(jié)構(gòu)提供了對正交布置的磁棒羅蘭-C 接收天線和相應(yīng)前端信號調(diào)理電路進行安裝的位置；其次，天線結(jié)構(gòu)提供了系統(tǒng)的供電輸入和信號輸出接口以及天線安裝接口；最后，天線結(jié)構(gòu)中包括天線罩，具備使天線在室外應(yīng)用過程中能夠防水防潮、防風(fēng)沙日曬的能力.天線結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)注意如下幾點：1)天線整體應(yīng)盡可能滿足小型化要求，同時結(jié)構(gòu)堅固美觀；2)由于單個磁棒天線具有方向性，天線結(jié)構(gòu)中應(yīng)考慮采用兩個磁棒正交布置的方案；3)天線罩所采用的材料應(yīng)具備較好的透波性能，防止對信號的接收產(chǎn)生干涉.

利用三維(3D)建模結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件Creo5.0 對天線結(jié)構(gòu)進行整體設(shè)計布局，如圖4 所示.

圖4 3D 建模結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖4 中，A 為天線罩，B 為正交磁棒安裝座，C 為天線底盤，D 為底座，E 為磁棒天線，F(xiàn) 為前端信號調(diào)理電路板，G 為Lemo.1B 型連接器，H 為防水透氣閥.其中，天線罩采用流線形設(shè)計，具有防風(fēng)沙、不會積聚雨雪水的特點，天線罩由4 個固定螺絲從下方安裝在天線底盤上，連接緊密，防水性能好；天線底盤上設(shè)電路板等部件的安裝螺絲孔，側(cè)下方設(shè)置信號和供電線纜連接插座孔和防水透氣閥安裝孔，底部設(shè)計通用5/8 英寸螺紋孔可供安裝底座.

正交磁棒安裝座是一體化天線的重要結(jié)構(gòu)組成部分，下文著重對其設(shè)計方案進行描述.正交磁棒安裝座可以使多根磁棒進行組合收信，從而可以解決磁棒天線對于信號的接收具有方向性、難以通過一根磁棒接收所有方向上羅蘭-C 發(fā)射臺發(fā)射的信號的問題.正交磁棒安裝座可以采用兩種布置形式：一種是兩根磁棒呈“十”字形布置，另一種是四根磁棒呈“口”字形布置.四根磁棒呈“口”字形布置時，信號接收的強度更大，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且需設(shè)置專門的加法器電路對平行方向的磁棒信號進行合成，因此本文中采用“十”字形布置方案，通過前端信號調(diào)理電路中設(shè)置放大電路，可使信號強度大小滿足使用要求.安裝座上下面各開一槽放置磁棒天線，槽外可通過螺絲連接緊固片防止天線掉落.下面板除開槽方向與上面板垂直外，其他結(jié)構(gòu)相同.正交磁棒安裝座3D 結(jié)構(gòu)和透視線框圖如圖5 所示.

圖5 磁棒安裝座3D 結(jié)構(gòu)圖

天線罩、正交磁棒安裝座、天線底盤均采用玻璃纖維尼龍材料制作，除保留了普通尼龍材料加工精度好、耐高低溫、尺寸穩(wěn)定性高的特點外，由于其中加入了玻璃纖維材料，其韌性、強度也遠(yuǎn)高于普通尼龍材料.其在羅蘭-C 導(dǎo)航頻段內(nèi)的透波率滿足要求，不會對信號的接收產(chǎn)生影響.最終設(shè)計的一體化天線呈扁圓錐形，高度為110 mm(不含底座)，半徑為80 mm，通過一個接口進行供電和信號輸出，滿足小型化和一體化要求.

2 前端信號調(diào)理電路設(shè)計

前端信號調(diào)理電路主要針對羅蘭-C 接收天線，進行放大電路、濾波電路、差分輸出電路和供電電路的設(shè)計，從而提高天線靈敏度、濾除帶外噪聲干擾，增大信號信噪比.

2.1 放大電路設(shè)計

由于羅蘭-C 系統(tǒng)發(fā)射信號中心頻率為100 kHz，其波長 λ 為3 km，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于磁棒天線的等效高度，磁棒天線感應(yīng)效率較低，感應(yīng)出的電壓強度一般為毫伏甚至微伏級別.因此，需要設(shè)計放大電路，對天線感應(yīng)到的電壓值進行放大，以便其能被后端的A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路進行識別.本文中考慮使用高速儀表運算放大器AD8421 搭建放大電路.AD8421 是一款低成本、低功耗、極低噪聲、超低偏置電流的儀表放大器，特別適合各種信號調(diào)理和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用.AD8421 的帶寬為10 MHz，壓擺率為35 V/μs，0.001%(增益G=10)建立時間為0.6 μs，大大滿足對于100 kHz 頻率信號的采集需求.AD8421 的輸入電壓噪聲為3.2nV/電流噪聲為性能優(yōu)異，具有極高的共模抑制比(CMRR)，可以在寬溫度范圍內(nèi)提取淹沒在高頻共模噪聲中的低電平信號.AD8421 使用簡單，通過單個電阻即可實現(xiàn)對于增益的調(diào)節(jié)，即便在高增益的情況下，電流反饋架構(gòu)也能保證對信號的高性能放大.圖6 為本文設(shè)計的放大電路原理圖.

圖6 放大電路原理圖

圖6 中，IN_X端口為信號輸入端口，D1 和D2為低漏流的肖特基二極管，用于防止輸入信號過大，損壞前端放大電路.C1 為磁棒天線的諧振調(diào)節(jié)電容.C1 的值可由下式確定：

式中：f為諧振頻率，f=100 kHz ；L為磁棒的等效電感值，可以取L=1 mH，計算可得C=2.53 nF.由于工程應(yīng)用中，無該精密度的電容可以使用，因此選取電容值最相近的5% 精密度電容，選取C1=2.2 nF.C2 與R2 組成一階無源高通濾波器，防止50 Hz 工頻干擾進入電路，同時C2 可以起到隔直作用，R2 可以提供輸入偏置電流的對地返回路徑.U1 為AD8421儀表放大器芯片，采用±5 V 供電，AMP_X為放大信號輸出管腳.

上述電路的增益可由下式計算：

因此，當(dāng)R1=100 Ω 時，該電路的增益為40 dB.當(dāng)磁棒天線接收到的信號強度為10 時，經(jīng)該放大電路放大后的信號強度為0.1 mV.采用14 位AD 轉(zhuǎn)換時，所能采集的最小電壓為0.06 mV，該放大倍數(shù)已經(jīng)能滿足使用要求.

2.2 濾波電路設(shè)計

羅蘭-C 信號中心頻率為100 kHz，頻帶寬度為±10 kHz.為了抑制信號頻帶以外的干擾和噪聲，提高有用信號的信噪比，需要在放大電路后串聯(lián)帶通濾波電路.考慮到盡可能抑制帶外噪聲，希望濾波器通帶盡量窄，過渡帶盡量陡峭，濾波器階數(shù)要高，同時濾波器自身噪聲要小，本文中設(shè)計了有源帶通濾波電路，采用運算放大器構(gòu)建8 階帶通濾波電路.運算放大器采用ADA4841-2.

高階濾波器可以由多個基本形式的2 階濾波器組合構(gòu)成.基本的2 階濾波器有兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：Sallen-Key 型和多重反饋型(Multiple-Feedback).

Sallen-Key 型是應(yīng)用最廣泛的濾波器結(jié)構(gòu).它的特點是具有高輸入阻抗、電路增益容易被匹配、在輸出增益小時噪聲增益較低.與之相比，多重反饋型濾波器需要的元器件數(shù)更多，帶來的優(yōu)點是對元器件值不匹配的敏感度較低、在高頻端的衰減特性要好，且大信號輸入時失真要小.不過，多重反饋型濾波器的噪聲增益更大，且其中的電容在高頻下容抗變低，運放需承擔(dān)的負(fù)載更大.考慮到本應(yīng)用中不需要對高衰減特性和大信號失真做特殊優(yōu)化，且需要濾波器噪聲盡量小，因此比較適合選擇4 個2 階單位增益Sallen-Key 型濾波器搭建8 階濾波器.以低通濾波器為例，如圖7 所示，為單位增益的Sallen-Key 型濾波器的基本結(jié)構(gòu).

圖7 Sallen-Key 型濾波器的結(jié)構(gòu)圖

對于高通濾波器和帶通濾波器，僅需改變電路中的某些電阻、電容位置和順序即可.

按通帶濾波特性的頻率響應(yīng)曲線分類，有源濾波器可分為巴特沃斯型、切比雪夫型、貝塞爾型等濾波器.其中，巴特沃斯型濾波器的通帶內(nèi)最平坦，但是在阻帶內(nèi)的衰減速率不是很快；切比雪夫型濾波器的阻帶衰減快，但是通帶內(nèi)有波紋；貝塞爾型濾波器的相頻特性最好，但是幅頻特性衰減過早，下降坡度最差.綜合考慮對濾波器通帶內(nèi)平坦度和阻帶衰減速率的要求，本文中選擇采用巴特沃斯型濾波器，使信號的失真盡可能小，同時兼顧了對帶外信號的抑制能力.

在對帶通濾波電路進行總體設(shè)計時，可以選擇兩種拓?fù)湫问剑阂皇侵苯釉O(shè)計帶通濾波器；二是采用高通濾波器和低通濾波器串聯(lián)的形式實現(xiàn)帶通濾波.直接設(shè)計帶通濾波器時，實現(xiàn)相同階數(shù)的濾波器所需要的運放個數(shù)更少，但每級濾波電路的品質(zhì)因數(shù)(Q)值增大，尤其是針對羅蘭-C 信號需要的通帶較窄的帶通濾波電路，會對運算放大器的單位增益帶寬積(GBW)提出很高要求.對此，利用TI 公司的FilterPro 濾波器設(shè)計仿真軟件進行仿真.設(shè)計符合需求的8 階巴特沃斯型帶通濾波器，其給出的理論設(shè)計方案和每級濾波器參數(shù)如圖8 和表2 所示.

表2 各級濾波器參數(shù)

圖8 帶通濾波器理論設(shè)計方案

由結(jié)果可見，后兩級2 階帶通濾波器Q值較高，其需求的最小GBW 帶寬已經(jīng)大于ADA4841 運放80 MHz 的GBW 指標(biāo).因此，本文考慮使用高通濾波器和低通濾波器串聯(lián)實現(xiàn)帶通.其中，高通濾波器-3 dB 截止帶寬為90 kHz，低通濾波器-3 dB 截止帶寬為110 kHz.圖9 為最終設(shè)計的帶通濾波電路原理圖.

圖9 帶通濾波器電路原理圖

利用所設(shè)計的濾波器參數(shù)進行仿真，每級濾波器參數(shù)如表3～4 所示.

表3 高通濾波器參數(shù)

表4 低通濾波器參數(shù)

可見，通過高通濾波器和低通濾波器串聯(lián)的方法，可以在濾波性能不變的情況下，極大的減小每級Q值和GBW 需求.

2.3 差分電路設(shè)計

經(jīng)過放大濾波后的信號即可輸出給接收機使用.然而，天線通過饋線進行長距離傳輸，可能會引入共模噪聲，造成信號的信噪比降低或產(chǎn)生失真.因此，在濾波電路后設(shè)計差分電路，將單端信號轉(zhuǎn)為差分信號輸出，可以有效地提升天線輸出信號質(zhì)量.差分輸出芯片選用AD8139，圖10 為電路圖.

圖10 差分放大電路原理圖

2.4 供電電路設(shè)計

由天線內(nèi)部電路設(shè)計結(jié)果可知，天線前端電路共需采用±5 V 兩路電壓供電，其中+5 V 可以通過供電接口直接輸入得到，-5 V 需要通過電壓轉(zhuǎn)換得到.設(shè)計電壓轉(zhuǎn)換電路，為盡量降低供電電壓的紋波，防止供電噪聲對電路造成影響，采用電荷泵芯片LTC1983變?yōu)?5 V，對前端電路負(fù)電壓供電.電荷泵可以利用電容作為儲能器件，實現(xiàn)正電壓降伏電壓的轉(zhuǎn)變，其紋波小，效率高，電路簡單體積小.所使用的LTC1983芯片可輸出100 mA 電流，紋波僅為60 mVpp.圖11為電壓轉(zhuǎn)換電路圖.

圖11 電壓轉(zhuǎn)換電路原理圖

3 仿真與實測結(jié)果

3.1 天線仿真

利用HFSS 電磁仿真軟件對單根磁天線進行仿真，圖12 為得出的天線3D 方向圖和θ 平面方向圖.

圖12 天線方向圖

由此可見，磁天線可以對信號進行接收，天線具有方向性，單個磁天線方向圖呈“∞”形狀，通過兩個磁天線正交布置，可以對羅蘭-C 信號進行全向接收.

3.2 電路仿真

3.2.1 電路放大性能仿真

利用Multisim 電路仿真軟件對電路的放大性能進行仿真，如圖13 所示.設(shè)置的仿真條件為：信號頻率100 kHz，信號幅度0.1 Vpp.觀察差分放大輸出信號，其頻率不變，為100 kHz，每個差分信號幅度1 Vpp.

圖13 電路性能仿真圖

由仿真結(jié)果可見，在輸入信號頻率100 kHz，幅度0.1 Vpp 時，每路差分輸出信號頻率為100 kHz，幅度為1 Vpp，符合設(shè)計指標(biāo)要求.

3.2.2 電路濾波性能仿真

仿真波形由4 個不同頻率信號混合組成，仿真條件設(shè)置如表5 所示.其中，100 kHz 信號為所需輸出信號，其他3 種信號為模擬帶外噪聲.

表5 仿真條件設(shè)置

將混合信號輸入濾波電路，輸入信號波形如圖14中紅色曲線所示，輸出差分信號波形如圖14 中黃色和綠色曲線所示.由仿真結(jié)果可知，在濾波前，100 kHz的原始信號完全淹沒在帶外噪聲中，通過濾波電路后，可以從中還原出原始的100 kHz 信號.

圖14 輸出信號結(jié)果仿真圖

3.2.3 電路綜合性能仿真

利用MATLAB 生成仿真的羅蘭-C 信號，封裝成標(biāo)準(zhǔn)格式后通過Multisim 中的任意波發(fā)生器模塊Labview LVM 調(diào)用.圖15 為通過任意波發(fā)生器生成的模擬羅蘭-C 信號.

圖15 模擬羅蘭-C 信號仿真圖

在上述原始羅蘭-C 信號中加入噪聲.仿真信號參數(shù)設(shè)置如表6 所示，其中羅蘭-C 信號中心頻點100 kHz，在其中分別加入低頻段20 kHz、中頻段300 kHz、高頻段1 MHz 三種不同中心頻點的連續(xù)波干擾帶外噪聲，以模擬羅蘭-C 信號在實際環(huán)境中可能面臨的不同頻率干擾.

表6 仿真信號設(shè)置

加入噪聲后的羅蘭-C 信號如圖16 所示，可見信號完全淹沒在噪聲中.

圖16 加入噪聲后的羅蘭-C 信號仿真圖

將混雜噪聲的信號輸入設(shè)計的天線前端電路，得到輸出信號及其局部放大圖如圖17～18 所示.

圖17 濾波后輸出信號圖

圖18 濾波后輸出信號局部放大圖

由圖17～18 可見，通過天線前端電路的處理，可以從噪聲中還原出標(biāo)準(zhǔn)的羅蘭-C 信號并放大以供接收機采樣處理使用.

3.3 實測結(jié)果

根據(jù)設(shè)計方案，對羅蘭-C 天線樣機進行了制作.在福建沿海某地對實際羅蘭-C 信號進行了接收，接收到的某一組羅蘭-C 脈沖信號波形及其中單個羅蘭-C 脈沖信號波形如圖19～20 所示.

由圖19～20 可知，制作的天線可以較好地接收自然環(huán)境中羅蘭-C 信號，采集到信號的信噪比較好.

圖19 實際接收到的一組羅蘭-C 脈沖信號波形圖

圖20 實際接收到的單個羅蘭-C 信號波形圖

4 結(jié)束語

本文提出了一種羅蘭-C 磁天線的設(shè)計方法，介紹了磁棒天線的參數(shù)選擇和設(shè)計方式，設(shè)計了天線的小型一體化結(jié)構(gòu)，對天線前端電路中的放大電路、濾波電路和供電電路進行了詳細(xì)設(shè)計，并對所涉及的磁天線性能及前端電路性能進行了仿真.結(jié)果表明：本文設(shè)計的磁天線能夠很好地滿足羅蘭-C 信號的接收作用，可以從混雜了噪聲的信號中還原提取并放大羅蘭-C 信號并進行差分輸出，供羅蘭-C 接收機使用，對羅蘭-C 小型有源接收天線的設(shè)計和工程化應(yīng)用有一定的借鑒意義.