电流/电压转换器在甚低频接收机的应用

赵福台 顾旭东 倪彬彬

关键词： 电流/电压转换器; 甚低频信号; 接收机; 空间探测; 低噪模拟前端; 灵敏度分析

中图分类号： TN857?34                     文献標识码： A                           文章编号： 1004?373X（2019）14?0001?04

Application of current/voltage converter to VLF receiver

ZHAO Futai， GU Xudong， NI Binbin

（School of Electronic Information， Wuhan University， Wuhan 430072， China）

Abstract： The very low frequency （VLF） signals of thunder and lightning radiation in nature or sent by artificial stations are widely applied in fields of ionosphere remote sensing detection， ground base monitoring of geo?space environment， global submarine communications and navigation. Therefore， a low?noise， high?sensitivity analog front?end of the VLF receiver is built on the basis of the current/voltage converter in this paper. The sensitivity and frequency response determination design of the analog front?end is conducted by analyzing and simulating the current/voltage converter. The results of the design test and experiment show that the analog front?end of the current/voltage converter can effectively receive the electrical signals in nature and signals from artificial stations， which has a strong effectiveness and practicability.

Keywords： current/voltage converter; VLF signal; receiver; space exploration; low?noise analog front?end;  sensitivity analysis

0  引  言

自然界发生雷电现象时会辐射极宽的频带电磁波，辐射能量主要集中在甚低频（VLF：3～30 kHz）和极低频（ELF：0.3～3 kHz）波段，称之为天电信号[1]。遍布全球各地的甚低频、低频（LF：30～300 kHz）人工台站是提供航海通信与导航服务的通信平台，它们工作频率在10～100 kHz。通过对自然界天电信号和人工台站信号监测是研究磁暴、太阳耀斑和电离层的一种重要手段[2?3]。最初，甚低频接收机主要应用于自然界信号观测，可是受限于模拟和数字电路技术，系统灵敏度较低;为了减少人工台站信号干扰，这些接收机带宽均低于20 kHz。武汉大学近年研制了高灵敏度VLF接收机并获得初步成果，其结构如图1所示。VLF接收机由三部分组成：正交磁环天线、低噪模拟前端和数字接收机[4?5]。

VLF接收机系统是无源被动接收装置，待接收信号十分微弱且容易受到环境电磁波干扰，所以设计低噪、高灵敏度模拟前端是VLF接收系统关键[6?7]。电容调谐匹配和变压器阻抗匹配模拟前端均能获得良好的接收性能，但电容调谐匹配带宽受限，变压器阻抗匹配不易标定[8?9]。基于此，本文提出用电流/电压转换器（Current/Voltage Converter）匹配磁环天线构建VLF接收机模拟前端。考虑自然界天电信号和人工台站信号的谱密度分布，接收机灵敏度应满足10-15T量级;同时，考虑电力线50/60 Hz工频干扰和高频耦合干扰影响，将接收机带宽设置为1～50 kHz。

本文将从以下几个方面进行展开：首先，分析磁环天线模型;然后，分析并仿真电流/电压转换器匹配磁环天线的系统灵敏度和频率响应，并讨论电流/电压转换器等效磁噪声密度;最后，利用本文设计模拟前端电路进行接收测试实验。

1  天线模型与分析

在ELF/VLF波段，磁环天线相对于电场天线具有更优异的灵敏度和频率响应。图2为磁环天线示意图和等效电路模型。图2a）中：S为磁环天线截面积;N为匝数;d为线径。图2b）中R为绕线电阻;Rac为辐射电阻;L为绕线电感;C为绕线电容。这些天线参数影响天线灵敏度和频率响应（Rac和C可以忽略）。

磁环天线基本原理是法拉第电磁感应定律：任何封闭电路中感应电动势大小等于穿过这一电路磁通量的变化率。

[e（t）=-dΦdt=-?（NSBcos θ）?t=jωNSBcos θ] （1）

1） 磁环天线灵敏度是一个重要指标，它与天线噪声密度直接相关，而天线噪声密度主要源于天线绕线电阻R热噪声。

[S0=4kTR2πfNS] （2）

式中：k为玻尔兹曼常数;T为开尔文温度;f为电磁波频率。

2） 磁环天线频率响应是另一个重要指标，取决于天线阻抗[Z=R+jωL]。定义转角频率：

[fi=R2πL] （3）

当f[?]fi时，感应电流样[etZ]将与电磁波频率无关。考虑到带宽需求，转角频率fi 应<1 kHz。

根据实际测试，本文采用的天线参数是S=7.29 m2，N=7，d=1.6 mm的磁环天线。经分析，磁环天线灵敏度：[S0≈4.31×10-16 THz@1 kHz];转角频率[fi≈243.3 Hz]。

2  模拟前端分析与设计

2.1  电流/电压转换器分析与设计

考虑到电磁波频率大于转角频率时，磁环天线感应电流与电磁波频率无关。从感应电流角度出发，本文采用电流/电压转换器对磁环天线进行有源匹配。图3为运算放大器（运放）构建的电流/电压转换器对磁环天线匹配的等效电路图和框图[10?11]。根据运放“虚断”原则，天线感应电流在反馈电阻Rf上全部转换成电压输出：

[Vout=-IinRf] （4）

图4为电流/电压转换器匹配磁环天线的输出电压传输函数曲线与磁环天线的感应电流转移函数曲线对比图。可知，采用电流/电压转换器匹配时并不改变天线转角频率，从而不会恶化天线的频率响应，且能够获得很好的输出电压增益。

2.2  电流/电压转换器等效噪声分析

磁环天线低噪前端设计时，等效磁噪声密度是必须衡量的一个指标，其定义为匹配电路的输出噪声与匹配传输函数的比值[12?13]。电流/电压转换器匹配中，主要考虑的噪声源：磁环天线绕线电阻R热噪声、反馈电阻Rf热噪声、运放输入电压噪声en和输入电流噪声ei，运放输入电压噪声与输入电流噪声相互独立。图5为电流/电压转化器噪声源等效电路图和框图。

分析图5，首先，磁环天线绕线电阻R的输出噪声功率谱密度：

[PSDR=4kTR·1R2+（jωL）2·R2f] （5）

其次，考虑反馈电阻Rf的输出噪声功率谱密度：

[PSDRf=4kTRf] （6）

然后，考虑运放输入电压噪声en的输出噪声功率谱密度：

[PSDen=e2n·1R2+（jωL）2·R2f] （7）

最后，考虑运放输入电流噪声ei的输出噪声功率谱密度：

[PSDei=e2i·R2f] （8）

根据分析可以得到，总输出噪声功率谱密度可以表示为各个噪声源的总和：

[PSDout（f）=PSDR+PSDRf+PSDen+PSDei] （9）

结合等效磁噪声密度的定义可分析各个噪声源对匹配电路的噪声密度贡献值。

图6为噪声源等效磁噪声密度和总等效磁噪声密度。

对图6分析可知：在频率较低部分对总等效磁噪声密度起决定作用的是运放的输入电压噪声;在频率较高部分起决定作用的主要是运放输入电流噪声或反馈电阻的热噪声。在反馈电阻Rf =2 700 Ω情况下，总等效磁噪声密度：[SNEMI≈3.807×10-15THz@1 kHz]。

3  接收测试

考虑后续处理器件的动态范围以及增益要求，本文选择超低噪声运算放大器ADA4898作为电流/电压转换器核心。它提供超低电压噪声和电流噪声的输入噪声性能，同时还具有宽电源电压范围、低失调电压和内部自带电路降低输入偏置电流。VLF接收机接收10 s数据处理结果如图7所示。

图7a）是2017年9月18日07：50：00—07：50：10在武汉大学电离层实验室利用VLF接收机持续接收基于电流/电压转换器构建模拟前端10 s后进行FFT（离散傅里叶变换）处理的结果。横坐标为时间，时间范围为0～10 s;纵坐标为频率，频率范围为0～50 kHz;颜色条代表信号强度。频谱图中不同频率横线是甚低频人工台站信号，如NWC（19.8 kHz）、JJI（22.2 kHz）等，这些甚低频人工台站信号均采用MSK（最小频移键控）或FSK（频移键控）的调制波形体制。图7b）为NWC台站信号的局部放大图，从中可以明显看到台站信号的频谱在两个频点间跳跃，体现了MSK调制信号的谱特征;同时，微弱的竖线是天电信号，闪电脉冲放电的能量通过电磁波形式辐射，大部分天电信号以很低的衰减在地球至电离层波段中传播，并且很容易发生色散效应形成“吱声”。图7c）为一段天电信号的时域局部放大图，从图中可以明显看见，在天电信号处幅度明显增强，这种幅度的增强常常是由闪电放电产生。

4  结  论

本文主要详细阐述电流/电压转换器构建VLF接收机模拟前端的应用架构与具体实现，包括磁环天线分析和电流/电压转换器匹配设计两部分。通过磁环天线电路模型、灵敏度和频率响应分析确定了本文使用的磁环天线的参数;电流/电压转换器利用磁环天线电路特性实现了天線的匹配，理论上的仿真设计模拟前端系统灵敏度[SNEMI≈3.807×10-15 THz@1 kHz]，满足系统的灵敏度和频率响应;同时，分析限制系统灵敏度的主要因素是构成电流/电压转换器运放的输入电压噪声和电流噪声。最后，实际接收测试表明，本文设计的模拟前端能实现自然界天电信号和人工台站信号接收，进一步验证了所提系统的有效性与实用性。

注：本文通讯作者为顾旭东。

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