賈 琦王 奎

（1.北京圣非凡電子系統(tǒng)技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司 北京 102209）（2.清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系 北京 100000）

1 引言

甚低頻通信具有傳輸穩(wěn)定可靠、傳播距離遠(yuǎn)、并具有能在一定程度上穿透海水及地表的能力。因此世界各國(guó)常用該頻段進(jìn)行遠(yuǎn)距通信，軍事強(qiáng)國(guó)更是將該頻段應(yīng)用于對(duì)潛通信。目前，甚低頻通信仍然是世界各國(guó)應(yīng)用最為廣泛的、技術(shù)最為成熟的對(duì)潛通信手段，因此開(kāi)展甚低頻信號(hào)高速傳輸?shù)难芯?，?duì)用于對(duì)潛通信的甚低頻通信技術(shù)未來(lái)的發(fā)展具有一定的指導(dǎo)意義與軍事價(jià)值［1］。

一般甚低頻天線都具有加頂負(fù)載的垂直分量，它對(duì)地電位等效為一個(gè)電容，由于輻射電阻較小，天線Q值就比較高。調(diào)諧匹配網(wǎng)絡(luò)的作用是將發(fā)射機(jī)與天線相匹配，使發(fā)射機(jī)在工作頻率上輸出最佳功率［2］。美國(guó)緬因州的卡特勒天線建于1961年初，是目前功率輻射性能最好、效率最高的甚低頻天線［3］，其示意圖如圖1、2所示。

基本上天線由兩種相同的結(jié)構(gòu)組合而成，每個(gè)天線都具有兩個(gè)相同的平頂負(fù)載，用以形成六邊形天線陣［4］。圖2為該天線的帶寬-頻率特性。從數(shù)據(jù)可以看出，隨著頻率的增加，天線3dB帶寬隨頻率的升高而變大，在30kHz時(shí)可以達(dá)到約450Hz的帶寬。Cutler天線的帶寬-頻率特性具備一般天線的性。為了獲得較低的入水衰減，常使用較低的頻率來(lái)傳送甚低頻信號(hào)。從文獻(xiàn)資料中可以看到，在20kHz以下時(shí)，天線固有帶寬理論上僅有100Hz左右，因此在如此窄的頻帶資源上，只有采用能量密度更高的MSK調(diào)制方式，MSK移頻信號(hào)的MSK調(diào)制方式99%的能量集中在1.2/Tb的帶寬內(nèi)，因此可以充分利用該種調(diào)制波形使甚低頻天線有限的帶寬輻射出盡可能多的能量［5］。

圖1 美國(guó)海軍緬因州卡特勒甚低頻發(fā)射天線

圖2 卡特勒天線帶寬-頻率特性圖

2 兩種擴(kuò)展窄帶網(wǎng)絡(luò)帶寬的思路及實(shí)現(xiàn)方法

傳統(tǒng)的甚低頻通信系統(tǒng)中天饋系統(tǒng)在頻段的低頻率端受到天線帶寬的限制，無(wú)法發(fā)送較快速率的信息。要充分發(fā)揮甚低頻頻段低端的優(yōu)勢(shì)，就要突破VLF天線頻率的低端帶寬窄，無(wú)法發(fā)送較快速率的信號(hào)問(wèn)題［6］。本文提出一種采用調(diào)制信號(hào)編碼控制調(diào)諧系統(tǒng)進(jìn)行微調(diào)，實(shí)現(xiàn)天饋系統(tǒng)的調(diào)諧點(diǎn)隨時(shí)對(duì)準(zhǔn)當(dāng)前時(shí)刻正在發(fā)送的信號(hào)頻率，使其在每個(gè)時(shí)刻都滿足當(dāng)前時(shí)刻調(diào)制信號(hào)的帶寬有求［7］。這樣即使調(diào)制信號(hào)總的帶寬超過(guò)天線的帶寬，但由于每時(shí)刻的帶寬沒(méi)有超過(guò)天線的限制，所以不會(huì)造成信號(hào)失真和因?yàn)楣β实姆瓷涠鴵p壞發(fā)射機(jī)［8］。

新型的調(diào)諧饋電電路采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)諧技術(shù)，該技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)是使用高效調(diào)制方式，使每個(gè)時(shí)刻調(diào)制信號(hào)的能量都集中在一個(gè)相應(yīng)窄的頻段上，同時(shí)由調(diào)制信號(hào)編碼同步控制調(diào)諧系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)微調(diào)，實(shí)現(xiàn)天饋系統(tǒng)的調(diào)諧點(diǎn)隨時(shí)對(duì)準(zhǔn)當(dāng)前時(shí)刻正在發(fā)送的信號(hào)頻段，使其在每個(gè)時(shí)刻都滿足當(dāng)前時(shí)刻調(diào)制信號(hào)對(duì)帶寬的要求［9］。

甚低頻發(fā)射天線的簡(jiǎn)化等效電路如圖3（a）所示，動(dòng)態(tài)調(diào)諧的等效電路圖如圖3（b）所示，其中信號(hào)源為MSK信號(hào)源?，F(xiàn)有常用的調(diào)諧技術(shù)令甚低頻發(fā)射天線及傳輸網(wǎng)絡(luò)諧振在發(fā)射機(jī)的中心頻率上，以此消除天線的容抗。采用這種方式傳輸?shù)腗SK信號(hào)的兩個(gè)移頻分量始終處于失諧狀態(tài)，因此采用傳統(tǒng)調(diào)諧技術(shù)的甚低頻發(fā)射天線電路在移頻信號(hào)超出傳輸網(wǎng)絡(luò)帶寬時(shí)，由于帶寬的限制，其能量傳輸效率不高［10］。

開(kāi)關(guān)控動(dòng)態(tài)調(diào)諧技術(shù)使電感L和L'串聯(lián)工作于“傳號(hào)”頻率f1上，電感L工作于“空號(hào)”頻率f2上，受控開(kāi)關(guān)受當(dāng)前“空號(hào)”或“傳號(hào)”高低電平控制，當(dāng)受控開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，短路電感L'，電路諧振于頻率f2上，當(dāng)受控開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電感L'串聯(lián)接入電路，整個(gè)電路諧振于頻率f1上，從而實(shí)現(xiàn)了發(fā)射天線電路的諧振頻率動(dòng)態(tài)的跟隨發(fā)射機(jī)激勵(lì)頻率的改變而改變，達(dá)到擴(kuò)展帶寬的目的［11～12］。

圖4 不同Q值下的傳輸帶寬示意圖

3 開(kāi)關(guān)控制策略研究及傳輸性能仿真

本文所研究的動(dòng)態(tài)調(diào)諧電路的簡(jiǎn)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖5所示，它由信號(hào)源U、電感Lm，調(diào)諧電感L1，天線電容C、天線電阻R、以及IGBT S1和IGBT S2構(gòu)成。其中，D1、D2分別為 IGBT S1和 IGBT S2的兩個(gè)寄生二極管。由上文分析及圖5可知，本拓?fù)鋬蓚€(gè)IGBT是基于共發(fā)射級(jí)連接組成的雙向開(kāi)關(guān)。

圖5 動(dòng)態(tài)調(diào)諧電路的簡(jiǎn)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

為了分析方便，本文中規(guī)定負(fù)載電流Io從電感端流向天線電容C端時(shí)為正向，即Io＞0；從天線電容C端流向電感時(shí)為負(fù)向，即Io＜0。

當(dāng)主電路需要電感L1參與諧振時(shí)，此時(shí)開(kāi)關(guān)S1和S2應(yīng)該斷開(kāi)，保證主電路電流經(jīng)過(guò)電感L1。當(dāng)主電路不需要電感L1參與諧振時(shí)，此時(shí)開(kāi)關(guān)S1和S2應(yīng)該閉合，使電感L1短路，保證主電路電流不通過(guò)電感L1，而是通過(guò)開(kāi)關(guān)S1和S2來(lái)流通。

主電路控制板通過(guò)光纖發(fā)送PWM信號(hào)給IG?BT模塊，實(shí)驗(yàn)中發(fā)兩路PWM，頻率切換通信由前級(jí)BOOST電路發(fā)送光纖信號(hào)給主電路控制板，主電路控制板根據(jù)接收到的頻率切換指令，結(jié)合主電路電流采樣值，依據(jù)IGBT投切策略，適時(shí)發(fā)送通斷指令給 IGBT S1和 S2。

IGBT投切策略方案，方案一：采用零電流導(dǎo)通，關(guān)斷原則為在電流正峰值關(guān)斷S2，在電流負(fù)峰值關(guān)斷S1；方案二：采用零電流導(dǎo)通，關(guān)斷原則為在電流正峰值關(guān)斷S2，在電流零值關(guān)斷S1。關(guān)斷方案波形比較：關(guān)斷方案一波形如下。

圖6 電流關(guān)斷方案波形比較

從圖6（a）可以看出，PWM時(shí)刻與理想時(shí)刻有一定延時(shí)，但延時(shí)相位較小，PWM發(fā)出關(guān)斷信號(hào)后，IGBT電壓立即上升，出現(xiàn)電壓尖峰，2個(gè)IGBT都有尖峰。從圖6（b）可以看出，PWM時(shí)刻與理想時(shí)刻有一定延時(shí)，但延時(shí)相位較小，PWM發(fā)出關(guān)斷信號(hào)后，IGBT電壓立即上升，出現(xiàn)電壓尖峰，黃色I(xiàn)GBT電壓有尖峰，另一個(gè)藍(lán)色電壓無(wú)尖峰，故方案二可消除1個(gè)IGBT的關(guān)斷電壓。

4 小容量功率等級(jí)試驗(yàn)驗(yàn)證

本課題提出的方案是，當(dāng)開(kāi)關(guān)電抗器控制系統(tǒng)檢測(cè)到功率放大器輸出頻率變低時(shí)，控制系統(tǒng)延時(shí)等待流過(guò)雙向開(kāi)關(guān)的電流接近零，此時(shí)關(guān)斷并聯(lián)的雙向開(kāi)關(guān)，附加調(diào)諧電抗器接入；當(dāng)開(kāi)關(guān)電抗器控制系統(tǒng)檢測(cè)到功率放大器輸出頻率變高時(shí)，等待附加電抗器上電壓接近零，此時(shí)導(dǎo)通并聯(lián)的雙向開(kāi)關(guān)，附加調(diào)諧電抗器旁路。實(shí)驗(yàn)原理連接圖試驗(yàn)平臺(tái)采用小功率實(shí)物原理樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試。

電源US采用高功率密度開(kāi)關(guān)管，產(chǎn)生一個(gè)中心頻率在20kHz以下的甚低頻信號(hào)，根據(jù)該高Q網(wǎng)絡(luò)的特性，模擬FSK信號(hào)在中心頻率左右各產(chǎn)生一個(gè)等頻率間隔的移頻信號(hào)f1和f2。該移頻信號(hào)在工作時(shí)以特定移頻頻率均勻變化，用于模擬實(shí)際發(fā)信時(shí)的移頻信號(hào)，同時(shí)，根據(jù)移頻譜特征，控制L1投切開(kāi)關(guān)K，對(duì)高Q網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，使甚低頻天線實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)諧在調(diào)制信號(hào)的兩個(gè)相距較寬的移頻分量上，可以有效地展寬系統(tǒng)有效帶寬且同時(shí)不會(huì)降低天線效率的情況下，提高系統(tǒng)通信速率。

圖7 小容量功率等級(jí)下主回路電流和補(bǔ)償電感電壓

圖7 是原理樣機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償后主回路電流和瞬變電抗裝置固態(tài)開(kāi)關(guān)管的電壓波形，由圖7可以看出，采用了該補(bǔ)償裝置后，對(duì)于高Q回路上超過(guò)傳輸帶寬的信號(hào)仍可以穩(wěn)定傳輸，實(shí)現(xiàn)了在Q值高達(dá)100的16kHz信號(hào)上成功傳輸帶寬在1kHz的信號(hào)（理論上該傳輸網(wǎng)絡(luò)的傳輸帶寬僅160Hz）。而且，在動(dòng)態(tài)補(bǔ)償期間很好地抑制了開(kāi)關(guān)管上的瞬時(shí)過(guò)電壓，同時(shí)主回路的電流最大達(dá)到了56A，驗(yàn)證了該裝置的性能，并為后續(xù)工程化實(shí)現(xiàn)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)基于控制固態(tài)開(kāi)關(guān)器件實(shí)時(shí)補(bǔ)償移頻信號(hào)的動(dòng)態(tài)調(diào)諧技術(shù)與方法進(jìn)行了深入研究與分析，通過(guò)對(duì)固態(tài)開(kāi)關(guān)器件補(bǔ)償狀態(tài)的仿真與傳輸網(wǎng)絡(luò)小容量功率加載試驗(yàn)，驗(yàn)證了該技術(shù)在甚低頻窄帶網(wǎng)絡(luò)上對(duì)于移頻信號(hào)的高速傳輸可行性。試驗(yàn)結(jié)果表明基于固態(tài)開(kāi)關(guān)器件的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)諧補(bǔ)償方法，可有效在高Q窄帶網(wǎng)絡(luò)上傳輸占用帶寬較寬的移頻信號(hào)，并為后續(xù)工程化樣機(jī)的轉(zhuǎn)化積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。