劉偉，朱彥龍

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州 451460）

0 引言

為了預(yù)防或減輕雷電帶來的危害，就必須研究雷電活動的規(guī)律和掌握雷電的性質(zhì)以及各種雷電參數(shù)。以便根據(jù)這些數(shù)據(jù)來設(shè)計防雷保護(hù)設(shè)備和指定防雷保護(hù)方式，采取有效和經(jīng)濟(jì)的防雷保護(hù)措施[1-5]。

雷電LF是在閃電通道電離后的通道中產(chǎn)生強(qiáng)電流時主要產(chǎn)生的瞬變電磁場低頻輻射，傳播范圍較大的天電。所謂天電是閃電或者其他放電所產(chǎn)生的瞬變電磁場，天電也表示任何大于本地背景噪聲的外來瞬變電磁場信號。閃電產(chǎn)生的天電的主要能量集中于頻率范圍為5～10 kHz的甚低頻波段，此頻段包含在本次設(shè)計中，天電的整個頻率范圍可以從極低頻到超高頻波段，幾乎覆蓋了整個無線電波段。

在我國，中科院空間應(yīng)用中心、信息產(chǎn)業(yè)部電子第二十二研究所、中國科技大學(xué)、武漢高壓所等單位于20世紀(jì)80年代中后期亦先后開始研制閃電定位系統(tǒng)，并逐步形成了有自己特點(diǎn)的產(chǎn)品。

早期電場儀在地面測量，其輸出是交流信號，信號大小正比于場強(qiáng)，將這些信號顯示或記錄，或經(jīng)整流給出直流輸出。若要確定電場極性則要另加電路，在儀器配置一對板極或柵網(wǎng)，其面積大于電場儀轉(zhuǎn)動盤的面積，板間相隔一定距離，加上電壓進(jìn)行測量；旋轉(zhuǎn)式大氣電場儀，儀器由大氣電場感應(yīng)器、信號處理電路、顯示系統(tǒng)和雷暴警報器4部分組成，它根據(jù)導(dǎo)體在電場中產(chǎn)生感應(yīng)電荷原理來測量大氣電場；大氣電場探空儀，由雙球式大氣電場感應(yīng)器、發(fā)射機(jī)和地面的接收系統(tǒng)組成，在強(qiáng)大氣電場中，兩金屬球分別感應(yīng)大小相等、極性相反的交變電荷，其幅值與平行于兩個旋轉(zhuǎn)所形成平面的大氣電場分量成正比，雙球式大氣電場感應(yīng)器的輸出信號經(jīng)發(fā)射機(jī)傳送到地面。地面接收系統(tǒng)（由天線、接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和顯示裝置組成）中天線接收大氣電場和溫度、濕度信號，通過接收機(jī)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)輸出探測結(jié)果。此外，還有通過測量閃電電流對雷電進(jìn)行監(jiān)測的閃電電流峰值測量、雷電流測量、測量磁通密度計算閃電電流，及通過測量閃電磁場的測量。

本課題研究的是一種雷電有源接收機(jī)天線，此天線是閃電定位儀的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣直接影響了閃電定位儀的性能，閃電定位儀是目前雷電探測的重要儀器，我國多家科研單位都對雷電定位系統(tǒng)的研制工作投入了大量資源。隨著現(xiàn)代天線技術(shù)的發(fā)展，有源天線在閃電定位儀、衛(wèi)星導(dǎo)航定位等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。設(shè)計兩級可調(diào)放大電路，將接收到的信號進(jìn)行限幅放大和限幅輸出。

圖1 整體系統(tǒng)框圖Fig.1 Overall system block diagram

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)設(shè)計圖

圖1為整體系統(tǒng)框圖，由圖可知本課題設(shè)計的天線由圓盤天線[6-15]、集成放大電路和輸出設(shè)備組成。本實驗使用VCA810集成放大器為主要器件，

1.2 軟件仿真

本次課題使用OrCAD PSpice 9.2進(jìn)行仿真實驗。此軟件由Capture、PSpice、Layout、Express四部分組成，Capture電路原理圖設(shè)計軟件，可生成模擬電路、數(shù)字電路和模/數(shù)混合電路，PSpice電路仿真軟件，可對Capture生成的原理圖進(jìn)行仿真分析，并對其進(jìn)行優(yōu)化，Layout印制電路板圖設(shè)計軟件，將Capture生成的原理圖轉(zhuǎn)為印制電路板圖，Express邏輯仿真軟件，用于可編程邏輯器件設(shè)計?？蛇M(jìn)行直流分析、交流分析、瞬態(tài)分析（瞬態(tài)響應(yīng)分析、傅里葉分析）。本次試驗使用Capture設(shè)計仿真原理圖，PSpice進(jìn)行交流分析和瞬態(tài)分析，圖2為仿真原理圖。

圖2 仿真原理圖Fig.2 Simulation principle diagram

此處我們使用兩級集成運(yùn)放放大，單級放大到100倍，整體電路最大可放大到104倍。輸入信號幅度為幾個毫伏峰峰值電壓，頻率范圍為300 Hz～300 kHz，經(jīng)過聚成運(yùn)算放大電路放大后，電阻R5兩端輸出為1 V的電壓，偏置電壓為2.5 V。設(shè)計要求基本實現(xiàn)，仿真實驗成功，圖3為原理電路仿真結(jié)果圖。

圖3 原理電路仿真結(jié)果圖Fig.3 Simulation result diagram of principle circuit

2 硬件電路設(shè)計原理介紹及結(jié)果分析

2.1 限幅電路

如圖4所示，輸入端接入圓盤天線接收的信號，為保護(hù)集成運(yùn)放的輸入端，需加輸入端限幅電路，此處使用1N4099穩(wěn)壓管，穩(wěn)壓值為6.8V，功率500mW，進(jìn)行雙向限幅。

圖4 輸入端原理圖Fig.4 The input principle diagram

2.2 第一級放大電路

圖5為第一級放大電路，使用0.39 μF的C1電容進(jìn)行隔直耦合信號，通過VCA810集成放大器，VCA810的5號管腳接+5 V直流電源，2號管腳接-5 V直流電源，反向端4號管腳輸入，通過R2、R8構(gòu)成負(fù)反饋回路進(jìn)行放大，此處放大倍數(shù)可通過R8進(jìn)行調(diào)整，C2為3.6pF旁路電容。C7—C9構(gòu)成電源濾波電路，消除由電源內(nèi)阻造成的低頻和高頻振蕩。

圖5 第一級放大電路原理圖Fig.5 Principle diagram of the first stage amplifier circuit

2.3 第二級放大電路

圖6為第二級放大電路，同第一級放大電路結(jié)構(gòu)相同，此處由R4、R7構(gòu)成負(fù)反饋回路，放大倍數(shù)可通過改變R7的阻值進(jìn)行調(diào)整。本圖中C10、C11、C12、C13構(gòu)成濾波回路，消除電源內(nèi)阻造成的低頻和高頻振蕩，降低內(nèi)部噪聲。

2.4 輸出端電路

圖7為輸出端，此處使用33 uF的C5進(jìn)行耦合，D3進(jìn)行單向限幅，電位器R6拉升電壓中心值，調(diào)節(jié)R6可改變輸出電壓中心值位置，本實驗我們將電壓拉升到2.5 V。由于此處R6將電位提升了，所以只需進(jìn)行單向限幅即可。對于VCA810的電位提升，在輸入端加入調(diào)節(jié)電位，調(diào)節(jié)性能更佳。而此處我們使用兩級級聯(lián)運(yùn)算放大，中間需要加隔直電流，因此只能在輸出端加電位器，提供偏置電壓。

圖6 第二級放大電路原理圖Fig.6 Principle diagram of the second stage amplifier circuit

圖7 輸出端原理圖Fig.7 Output terminal principle diagram

2.5 模擬結(jié)果分析

圖8中使用信號發(fā)生器模擬閃電低頻信號，輸出電壓幅值都為8 mV，可以得出，電路在400 Hz～800 kHz頻率范圍內(nèi)放大效果都較好，在400 Hz和800 kHz處都能達(dá)到輸出為0.9 V，在500 Hz～500 kHz頻率范圍內(nèi)都能放大到輸出為1 V，效果波形也較好，電路的通頻帶基本達(dá)到設(shè)計要求，整體電路的增益也達(dá)到設(shè)計要求。

接入天線后，使用信號發(fā)生器輸出到一塊平板，一定距離位置處放置好天線，接收各頻率信號，效果圖見圖9。

由圖9可以得出，信號頻率越低，效果波形越不穩(wěn)定。天線連接的信號線有一定的長度，在頻率越低時，信號的波長越長，天線接收信號線越不利接收，所以相應(yīng)效果不如高頻率效果好。在沒有發(fā)射信號的時候，空氣存在一個50 kHz外來信號，由周圍電器工作引起。

圖8 輸入為8 mV時各頻率放大情況Fig.8 Some frequency amplifications when the input voltage is 8 mV

圖9 天線接收的信號Fig.9 The antenna receives signals

3 結(jié)語

詳細(xì)介紹了天線硬件電路設(shè)計原理，從電路仿真，到電路各個模塊的設(shè)計原理，本次設(shè)計使用VCA810集成塊作為放大器件，對圓盤天線接收到的天電信號（主要對于低頻波段的天電）進(jìn)行放大，然后接入天線進(jìn)行信號接收，效果較好，本文通過軟件仿真結(jié)果和硬件試驗結(jié)果對比驗證了本文設(shè)計的可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]王晉萍，田瑞敏，韓普，等.淺談雷電危害及雷電監(jiān)測[J].山西氣象，2006，13（2）：31-33.WANG Jinping，TIAN Ruimin，HAN Pu，et al.Primary analysis on the damage of thunder and thunder observation[J].Shanxi Meteorological Quarterly，2006，13（2）:31-33.

[2]馮桂力.雷電監(jiān)測和雷電數(shù)據(jù)的應(yīng)用[J].山東氣象，2002，22（2）：25-27.FENG Guili.Lightning detection and application of light?ning data[J].Journal of Shandong Meteorology，2002，22（2）:25-27.

[3]陳渭民.雷電學(xué)原理[M].北京：氣象出版社，2003.

[4]宋晨曦，行鴻彥，張欣，等.基于地面電場的雷暴云電荷結(jié)構(gòu)混合反演[J].電瓷避雷器，2015（6）：73-79.SONG Chenxi，XING Hongyan，ZHANG Xin，et al.[J].Insulators and Surge Arresters，2015（6）:73-79.

[5]季鑫源，行鴻彥，徐偉.地面三維大氣電場與雷暴云電荷方位的關(guān)系[J].電瓷避雷器，2015（6）：63-68.JI Xinyuan，XING Hongyan，XU Wei.The relation of three dimension atmospheric electric field and thundercloud charge position[J].Insulators and Surge Arresters，2015（6）:63-68.

[6]吳從兵.圓盤天線電磁脈沖能量的慢衰規(guī)律及其在地礦探測中的應(yīng)用研究[J].皖西學(xué)院學(xué)報，2011，27（2）：76-78.WU Congbing.On the slow fading law of electromagnetic pulse energy with disc antenna and its application in min?eral detection[J].Journal of West Anhui University，2011，27（2）:76-78.

[7]謝處方，饒克謹(jǐn).電磁場與電磁波[M].北京：高等教育出版社，2006.

[8]張英鋒，呂善偉.衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)天線的簡單化設(shè)計[J].微波學(xué)報，2009，25（1）：35-38.ZHANG Yingfeng，LV Shanwei.Simple design for antenna of satellite navigation receiver[J].Journal of Microwaves，2009，25（1）:35-38.

[9]王秀紅，龐偉正，王東.小型超寬帶印刷圓盤天線的設(shè)計與仿真[J].應(yīng)用科技，2008，35（12）：15-18.WANG Xiuhong，PANG Weizheng，WANG Dong.The de?sign and simulation of a small ultra-wideband printed cir?cular-disc antenna[J].Applied Science and Technology，2008，35（12）:15-18.

[10]邱景輝，呂延明，陳立甲，等.小型化短波天線及其頻帶擴(kuò)展方法[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，45（1）：46-49.QIU Jinghui，LV Yanming，CHEN Lijia，et al.A miniatur?ized HF antenna and a method of broadening the frequen?cy range[J].Journal of Harbin Institute of Technology，2013，45（1）:46-49.

[11]張瑜，方輝，李水清.短波小型接收天線設(shè)計[J].電波科學(xué)學(xué)報，2007，22（2）：251-254.ZHANG Yu，F(xiàn)ANG Hui，LI Shuiqing.Design of compact shortwave receiving antenna[J].Chinese Journal of Radio Science，2007，22（2）:251-254.

[12]曹冬杰，田立言，肖瑾，等.閃電多參量高速大容量實時數(shù)據(jù)采集、顯示和分析系統(tǒng)[J].高原氣象，2011，30（2）：518-524.CAO Dongjie，TIAN Liyan，XIAO Jin，et al.A fast record?ing，display and waveform analysis system on Multi-Pa?rameter of lightning flash[J].Plateau Meteorology，2011，30（2）:518-524.

[13]賀沖.雷電探測系統(tǒng)信號預(yù)處理與定位方法研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2009.

[14]寧增琨.閃電電場測量與傳輸系統(tǒng)設(shè)計[D].南京：南京信息工程大學(xué)，2014.

[15]王安國，蔡曉濤，冷文.帶寄生貼片的圓盤形方向圖可重構(gòu)天線設(shè)計[J].電波科學(xué)學(xué)報，2011（6）：1181-1186.WANG Anguo，CAI Xiaotao，LENG Wen.Design of a cir?cular disc-shaped pattern reconfig urable antenna with parasiticpatch[J].Chinese Journal of Radio Science，2011（6）:1181-1186.