敏捷数字测高仪正交有源环天线设计与应用

朱正平，陈盈，蓝加平

(中南民族大学 电子信息工程学院，武汉430074)

电离层测高仪是利用地基探测的方式对电离层进行研究的主要设备，因其综合优势突出，被广泛用于建立多点探测网络获得全球范围的电离层综合信息[1].其通过发射不同频率扫频脉冲波，测量从电离层反射的回波信号到达接收机的时延，获得电离层频率与虚高的对应关系，即频高图，可反演获得电离层峰下电子浓度剖面以及电离层各种特征参数.早期的电离层测高仪采用较大的发射天线(高于40 m)和接收天线，收发天线面积在8000 m2以上.当前主流测高仪使用的接收天线主要包括：加拿大研制的CADI数字电离层测高仪采用的4个相互正交的有源偶极子天线，其通过对同时接收的4通道信号进行分析获得电离层回波极化信息和到达角参量；美国的DPS-4D数字电离层测高仪采用的四个正交环天线组阵，其形状为60 m边长的正三角形，其中3个天线位于天线阵的3个顶点，另外一个天线位于正三角形天线阵的中心，可接收电磁波磁场分量并可区分电离层回波的寻常波和非常波.但这些天线由于本身占地面积较大，无法根据研究需要开展灵活布站和流动观测，随着微电子和计算机技术的发展，现代数字测高仪正迫切需要向天线小型化的方向发展.

为解决电离层测高仪接收天线小型化问题，本文提出并研制了一种正交有源环接收天线.本文通过对其进行原理分析、模拟仿真及硬件设计，结合其搭载敏捷数字测高仪得到的实际观测结果，与当前广泛使用的正交折合偶极子天线进行综合对比，给出其性能指标及实际观测效果.

1 正交有源环天线设计

1.1 设计思想

由于短波的波长一般达10 m～100 m，因此用于接收短波信号的天线需要具有一定的几何电尺寸.当投射到某几何电尺寸上的电磁波功率全部被天线的负载所吸收时，则称该几何电尺寸为天线的有效几何电尺寸[2].由天线理论得到有源天线总增益G的计算公式如下：

G=G1G2，

(1)

其中G1为无源天线增益；G2为有源网络增益.在天线效率为1的情况下，有源接收天线可等价于在无源接收天线的根部接入一个匹配网络，此时天线有效几何电尺寸和天线增益之间的关系[3]如下：

(2)

其中A1为无源天线的有效几何电尺寸；A2为有源天线的有效几何电尺寸；λ为工作波长.由(2)式可知，有源天线的有效几何电尺寸A2是无源天线有效几何电尺寸A1的G2倍.从理论上证明了在相同天线技术指标要求下，可通过提高有源网络增益，缩小无源天线有效几何电尺寸的方法，实现有源天线小型化的设计.

对现代数字电离层测高仪来说，区分电离层回波的极化特性非常重要.敏捷数字电离层测高仪的发射天线系统采用单天线发射线极化波的方式工作，由于地球电离层的色散特性使得该极化波被分裂成为O波(寻常波)和X波(非常波)，因此需要有至少2个正交放置的接收天线，接收不同方向的回波分量.在对回波信号进行接收时，2个接收天线会同时收到O波信号和X波信号.天线所接收到的回波信号经模拟电路和数字电路处理后，传送至敏捷数字电离层测高仪的上位机系统，其通过软件分离的方法可一次性从回波信号中分离出O波和X波.

1.2 原理设计

为验证天线几何设计的合理性，使用天线设计仿真软件4NEC2对所设计的环天线进行仿真.仿真几何设计为长1.4 m、宽1.2 m的矩形，远场分析仿真选取的频点分别为3 MHz、15 MHz、30 MHz，得到环天线的天线增益波瓣图见图1.由图1可知，该环天线的主波瓣均为垂直向上，表明环天线的设计符合实际需求.其在3 MHz、15 MHz、30 MHz对应的增益分别为-4.1 dBi、1.74 dBi、2.62 dBi.随着频率的增加，天线效率有所改善.由于环天线属于电小天线，为实现宽频带，天线的增益通常较低，该现象在低频段尤其明显.

图1 正交有源环天线波瓣图

为保证在回波信号较微弱、电小天线增益较小的情况下，正交有源环天线仍能有效的接收回波信号并传送至接收机，生成描迹清晰的频高图，需对接收到的原始信号进行后续的阻抗匹配及低噪声放大处理，正交有源环天线原理框图见图2.

图2 正交有源环天线原理框图

2 正交有源环天线实现

正交有源环天线的室外部分如图3所示，两个接收通道的环天线正交垂直放置接收回波信号，便于分离回波信号的极化信息.两个接收通道的环天线均为长1.4 m、宽1.2 m的矩形，距地高度0.8 m.馈点位于两个矩形环的底部交叉处，与前置放大器的巴伦相连.

图3 正交有源环天线

作为环天线的重要组成部分，前置放大器的设计需综合考虑天线接收效率及搭载的数字测高仪接收机的灵敏度，其设计主要针对巴伦、低噪声放大器、射频直流合并模块和电源模块.

巴伦用于将环天线接收的幅度相等相位相反的平衡信号转化为低噪声放大器可接收的单端非平衡信号.在高频电路设计中，若阻抗不匹配，将导致回波损耗，严重影响天线的工作效率.经E5072A网络分析仪测量，所设计的天线端存在几十欧姆的电阻，若放大端负载阻抗过小将导致放大电路端无法获得足够的电压；若放大端负载阻抗越大，产生的电路热噪声也越大.综合考虑天线阻抗匹配及信号平衡变换，本设计选用宽带变压器式巴伦.在1 MHz-30 MHz频率范围内变压器变压比为1∶4，可实现天线前后端16倍的阻抗变换，使放大端以较大阻抗接入电路，保证后级电路接收到足够的信号强度，且其具有工作频段宽、插入损耗小的优点.

图4 前置放大器本底噪声

射频直流合并模块通过选用适当的LC元件，实现将放大后的射频信号馈入到50 Ω同轴电缆，同时取出直流电流给电源模块的功能.电源模块通过选用三端稳压器对电源馈电进行稳压，将滤波后的直流电流传输给低噪声放大模块，提供稳定的12 V直流供电电压.正交有源环天线基本电路结构如图5所示.

图5 正交有源环天线基本电路结构

室内部分主要包括射频直流分离模块及供电模块.射频直流分离模块，通过选取合适的LC器件，实现将供电模块的直流电流馈送到同轴电缆及将同轴电缆上的回波信号取出传送到接收机的功能.供电模块采用15 V电源适配器，将220 V的交流电转换为15 V的直流电对系统进行供电.电路设计完成后，对偶极子天线和环天线进行了回波信号接收对比测试，结果见图6.由图6可知，在有回波信号的频点，环天线的接收性能与偶极子天线基本相当，在部分频点环天线接收到的信号幅值大于偶极子天线，验证了电路设计的正确性.

图6 偶极子天线与环天线接收信号强度对比

整体设计完成后，对正交有源环天线前置放大器进行了性能测试，其性能指标见表1.

表1 正交有源环天线前置放大器性能指标

3 结果与讨论

正交有源环天线研制过程中，不断开展观测实验，优化天线设计，并对优化后的天线性能进行了多方面数据分析.观测时，发射天线选用的是美国Barker & Williamson’s BWDS-90N高频宽带双线折合偶极子天线，采用倒V架设，中间支撑杆高9 m，两端长度均为27 m.接收天线使用的是自行设计的正交有源环天线，安装时距地高度0.8 m，90°垂直地面摆放.所有实验中收发天线均位于中南民族大学16号教学楼10层高楼楼顶，供电及回波信号处理部分位于室内.

3.1 发射天线对正交有源环天线的干扰分析

在进行电离层探测时，射频脉冲功率放大器输出功率高达600 W.因此发射机处于发射信号状态时，将对附近的电子设备造成电磁干扰.通过调整发射天线与正交有源环天线之间的距离进行对比观测，分析发射天线发射大功率脉冲信号对正交有源环接收天线的影响，观测结果见图7.由图7可知，当发射天线与正交有源环接收天线相距15 m，测高仪观测频率范围为1 MHz～7 MHz时，在频高图底部80 km～150 km范围内，存在明显的底部干扰；当发射天线与正交有源环接收天线相距40 m，其他观测条件不变时，频高图底部干扰得到明显改善.这是由于当发射信号功率过大时，前置放大器部分电子元器件工作在饱和状态，影响了电路性能.因此在进行频高图探测时，正交有源环天线需与发射天线相距40 m及以上.

(a)接收天线与发射天线相距15 m (b)接收天线与发射天线相距40 m

3.2 不同频点回波反馈强度分析

对不同频点回波反馈强度进行对比，可分析正交有源环天线对不同频点回波信号的接收性能.选取2018年12月24日03:46:38UT(UT指世界时)时刻采集到的回波信号原始数据进行分析.接收天线选用自行设计的正交有源环天线，分别接收南北向和东西向的回波信号，其中南北向天线对应通道1，即I1、Q1；东西向天线对应通道2，即I2、Q2；发射天线采用的是单天线发射线极化波.敏捷数字电离层测高仪工作在常规频高图模式，发射脉冲重复周期为10 ms，每个频点重复发送的脉冲个数即FFT累积次数为8，用时80 ms，每个脉冲所包含的数据个数为896.回波信号原始数据对于回波强度的测量采用相对强度进行表示，无单位，在4 MHz频点和6 MHz频点接收到的回波强度见图8.

图8 4 MHz与6 MH回波反馈强度

由图8可知，接收到的回波信号强度较大.在相应时刻的频高图中，对应4 MHz和6 MHz处O波、X波有清晰的描迹，并且在4 MHz处存在二次回波信号描迹，表明该正交有源环天线具有良好的接收性能.

3.3 回波信号信噪比分析

回波信号信噪比对频高图的绘制及各种电离层参数的提取具有重要的影响.选取2018年12月26日03:44:44UT时刻和03:47:33UT时刻采集到的回波信号原始数据进行分析，测高仪观测频率范围均为1 MHz～7 MHz，结果如图9所示.由图9(a)和图9(c)可知回波信号在3.5 MHz～5.8 MHz之间存在明显的回波描迹，对4.0 MHz～5.5 MHz频率范围内通道1接收到的原始数据进行计算，频率步进为0.1 MHz，得到16个频率点对应的回波信号信噪比如图9(b)和图9(d)所示.在03:44:44UT时刻，通道1信噪比最大值为21.52 dB，最小值为9.30 dB，均值为13.55 dB;在03:47:33UT时刻，通道1信噪比最大值为21.77 dB，最小值为11.16 dB，均值为14.17 dB.两个时刻信噪比的标准差分别为3.50 dB和3.62 dB.由此可见，正交有源环天线不仅接收到的回波信号信噪比较高且工作稳定.

(a)03:44:44UT时刻频高图 (b)4.0 MHz～5.5 MHz通道1信噪比

(c)03:47:33UT时刻频高图 (d)4.0 MHz～5.5 MHz通道1信噪比

3.4 与折合偶极子天线观测结果的对比分析

为验证正交有源环天线作为接收天线时，数字电离层测高仪系统观测到的频高图质量，分别利用1个自行设计的正交有源环天线与2个正交折合偶极子天线作为同一台敏捷数字电离层测高仪的接收天线，进行了对比观测实验，观测时间段为当地2019年1月18日白天.由于电离层特征变化较快，为保证实验的有效性，每组天线对比观测实验的时间间隔均小于1 min，对比观测结果见图10.由图10可知，正交有源环天线与正交折合偶极子天线在观测时间间隔小于1 min时，两者接收到的频高图描迹一致且接收到的频高图质量基本相当，均可接收到多次回波信号，验证了正交有源环天线不仅实现了接收天线小型化而且保证了对电离层回波信号的接收质量.

3 结论

为解决接收天线小型化问题，实现数字测高仪快速灵活布站，本文提出并研制了一种正交有源环接收天线，其主要特点如下：

(1)工作性能良好，可实现在1 MHz～30 MHz高频宽带范围内对电离层反射的回波信号进行有效接收并区分电离层回波的O波与X波.

(2)实用性强且性价比高，可直接搭载敏捷数字电离层接收机及上位机处理平台，实现对经电离层反射的回波信号的处理，得到清晰的虚高随频率变化的频高图描迹.

(3)占地面积小且架设方便，占地面积仅为1.2×1.2 m2，半天可完成组装及架设.与折合偶极子天线(占地面积28×28 m2)接收到的频高图质量基本相当，均能较好的接收到多次回波.在实现小型化的同时，保证了对电离层回波信号的接收质量，为实现观测场地受限如办公楼楼顶及需要临时流动观测的需求提供了良好的解决方案.

图10 折合偶极子天线和正交有源环天线接收的频高图