一种超低频有源接收天线的设计与研究(二)

王 凯， 李文兴

(哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院，哈尔滨 150001)

(接上期216页)

2.2 天线电路的设计

2.2.1 负阻抗变换分析

图7为设计的超低频有源接收天线等效原理图，该有源接收天线的无源部分为电小单极子天线，有源部分为非福斯特电路，以运算放大器为核心的电压反转型负阻抗变换器构成电路输入级.

图7 超低频有源接收天线等效原理图Figure 7 Equivalent principle diagram of ultra-low frequency active receiving antenna

可以看出，这是一个深度负反馈放大电路，根据运算放大器工作在线性区时“虚短虚断”的概念，运放增益可以表示为：

(6)

根据基尔霍夫定律，分析图4可知：

(7)

可得：

(8)

故基于非福斯特电路的有源接收天线的增益为：

(9)

2.2.2 稳定性分析

负阻抗变换器是基于非福斯特电路的有源接收天线设计的核心，属于电压正反馈电路，那么对于其稳定性的分析就尤为重要，如果设计不满足稳定性的条件，容易使得负阻抗变换器自激振荡，造成接收信号失真[10].

根据式(8)可知，负阻抗变换器需在Ca+Ci+(1-AV)CN≠0的情况下稳定工作，同时根据电路设计，运放的增益AV>1时才能实现负阻抗变换功能，因此AV需要同时满足AV>1和Ca+Ci+(1-AV)CN>0两种情形，即：

1

(10)

为了尽可能发挥非福斯特电路的作用，运算放大器输入端的信号需要强于天线导线接收到的源信号，即Vi>Vs，此时C<0，因此可以得到：

AV>1+Ci/CN

(11)

联立式(10)、(11)，得

1+Ci/CN

(12)

综上所述，基于非福斯特电路的有源接收天线必须满足式(12)才可以稳定工作，稳定接收信号.

2.2.3 元器件的选型

运算放大器选用美国Ti公司旗下产品OPA377通用运算放大器.该运放是单通道宽带型CMOS放大器，具有高输入阻抗、低噪声、低失调电压和输入信号纹波抑制强的特性.不仅能够与天线导线进行阻抗水准匹配，自身噪声水平也很低，因此采用OPA377为核心设计负阻抗变换器.

OPA377的主要性能参数如表1所示.

表1 OPA377主要性能参数Table 1 Main performance parameters of OPA377

由于设计的超低频有源接收天线工作频率在30～300 Hz之间，因此表中取的是运放在这一频率区间的动态参数，放大器选型时一定要注意目标放大器的工作频段是否涵盖所需频段.

当电磁波穿过海平面在海水中传播时，由于水下电导率与大气不同，其衰减率要远大于自由空间内的衰减率.电磁波在水下的传播衰减率与自身频率，大气和水下电导率有关，具体关系如下[2]：

(13)

其中：α为电磁波传播衰减率，单位：dB/m；f为电磁波频率，单位：Hz；μ为真空磁导率4π×10-7H/m；σ为水下电导率，单位：S.受到温度和湿度的影响，不同区域、不同季节的水下电导率存在差异，典型的σ范围是3 ～ 5 S，因此水下超低频的衰减速度大约为0.3 dB/m.

超低频信号在大气中的衰减量更小，频率为225 Hz的超低频在大气内传播的衰减率约为2.2 ～ 2.7 dB/103km.通过查阅相关文献，目前常见的超低频发射天线类似接地天线，馈电点在中间，两端分别接地.长度达到一百多公里，主要以225 Hz频率发射，发射功率最高10 W，通信距离数千公里.水下潜器理想的活动深度为80 ～ 120 m，假设水下潜器处于水下100 m的位置，那么接收到的超低频信号场强约为320 μV[11-12].结合设计的天线导线有效高度约为50 m，那么等效信号源的电压值Vin=Eheff≈16 mV.

2.3 仿真结果分析

完成了超低频有源接收天线整体电路的设计后，以NI公司的Multisim 14.0软件为平台，对整体电路的负阻抗变换性、工作频带宽度和增益进行仿真与分析

2.3.1 负阻抗变换性的仿真和分析

将设计完成的超低频有源接收天线通过Multisim软件进行建模并仿真，仿真方法选择时域仿真，信号源设置为输出频率225 Hz，Vpp=16 mV的交流电压源.超低频有源接收天线的负阻抗变换仿真原理如图8所示.

图8中，V1为正弦信号源，OPA377AID为OPA377运放芯片的8引脚封装型号，供电电压5V，XSC1为4通道示波器，XCP1为电流探头，示波器的A通道连接非福斯特电路输入端，B通道连接电流探针，用于观察电路输入端的电压电流波形，仿真结果如图9所示.

图8 超低频有源接收天线的负阻抗变换仿真原理图Figure 8 Simulation schematic diagram of negative impedance transformation of ultra-low frequency active receiving antenna

图9 非福斯特电路的电压电流时域仿真波形Figure 9 Time domain simulation waveform of voltage and current of non-Foster circuit

再使用Multisim软件中的虚拟网络分析仪对非福斯特电路进行频域仿真，得到电路输入电抗的仿真结果如图10所示，从变化曲线可以看出，电路输入电抗随频率的增加而减小，符合前面分析的负电容的电抗变化曲线，从另一个方面证明设计的非福斯特电路发挥了负阻抗变换的作用.

图10 非福斯特电路输入端的电抗变化曲线Figure 10 The reactance change curve of the input terminal of the non-Foster circuit

2.3.2 工作频带宽度的仿真与分析

针对天线导线等效输入电容为12.6 pF，选取反馈电容C3=3 pF，运算放大器OPA377和负反馈电路组成非福斯特电路，通过产生等效负电容来减少天线输入电抗，使得天线的输入阻抗偏电阻性，便于在更宽的频率范围上实现匹配.

运用Multisim软件建立超低频有源接收天线整体电路模型后，设置仿真频率范围为10 ～ 1000 Hz，步长5 Hz，信号源阻抗R8和负载阻抗R7设置为50 Ω，使用虚拟网络分析仪XNA1对该超低频有源接收天线进行正向传输系数仿真，天线工作带宽的仿真结果如图11所示.

正向传输系数(S21参数)的含义是天线输出功率与输入功率之比，正向传输系数越高，代表天线功率增益越高，输入端传送到输出端的能量越大.图11(A)、(B)分别对超低频有源接收天线在30 Hz和300 Hz两个频点处的正向传输系数进行了比较，可以看出，超低频有源接收天线在30 ～ 300 Hz频率范围内，功率增益最大差值为0.191 dB，小于3 dB.能够得出结论：设计的超低频有源接收天线的3 dB带宽达到30 ～ 300 Hz，超低频频段范围都包含在天线工作带宽内，达到了拓宽超低频接收天线的工作频带的目的.

图11 超低频有源接收天线的工作带宽仿真结果Figure 11 Simulation results of working bandwidth of ultra-low frequency active receiving antenna

2.3.3 增益的仿真与分析

利用负反馈电路会提升非福斯特电路的增益，不过一味提高增益反而会影响稳定性.综合考虑，选取负反馈电阻R1=500 Ω，R2=100 Ω，放大器增益AV=6.

运用Multisim软件建立超低频有源接收天线整体电路模型后，设置仿真频率范围为10 ～ 1000 Hz，步长5 Hz，信号源阻抗R8和负载阻抗R7设置为50Ω，使用虚拟网络分析仪XNA1对该超低频有源接收天线进行S参数仿真，天线增益的仿真结果如图12所示.

图12 超低频有源接收天线的增益仿真结果Figure 12 Gain simulation results of ultra-low frequency active receiving antenna

图12(A)、(B)表明，设计的超低频有源接收天线在30 ～ 300 Hz工作频率范围内，30 Hz频点处的增益最低，为25.12 dB，300 Hz频点处的增益最高，为25.311 dB，并且超低频有源接收天线在工作频带内的增益平坦度较好，满足3 dB带宽.能够得出结论：设计的超低频有源接收天线在其工作频带内的增益超过25 dB，同时增益平坦度良好.超低频有源接收天线能够在缩小天线尺寸的同时，获得比传统超低频接收天线更高的增益.

3 结 语

本文设计了一种基于非福斯特电路的超低频有源接收天线，由于天线导线部分为容性天线，在电路中以天线输入电容等效代替.分析了该有源接收天线的负阻抗变换，增益，灵敏度，稳定性等方面的性能.为基于非福斯特电路的超低频有源接收天线提供了理论依据和设计依据.

根据技术指标要求确定了总体设计方案.首先，设计单极子天线导线的参数，通过CST软件对天线导线的方向性和输入阻抗进行仿真，将天线输入电抗值在频域内等效为电容，根据天线电容值，综合考虑负阻抗变换及稳定性条件，完成了基于非福斯特电路的超低频有源接收天线的设计，通过Multisim软件对整体电路进行了仿真及分析，仿真结果表明，超低频有源接收天线的工作频率范围为30 ～ 300 Hz，工作带宽270 Hz，增益可达到25.311 dB.

设计的超低频有源接收天线与传统超低频接收天线的数据对比如表2所示[13-15].

表2 超低频有源接收天线与传统超低频接收天线的数据对比Table 12 Data comparison between ULF active receiving antenna and traditional ULF receiving antenna

本文设计的超低频有源接收天线的技术性能优于传统超低频接收天线，相较于传统超低频接收天线实现了天线尺寸减小，天线工作频带展宽的目的.

(完)