朱正平，陳盈，藍(lán)加平

(中南民族大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，武漢430074)

電離層測(cè)高儀是利用地基探測(cè)的方式對(duì)電離層進(jìn)行研究的主要設(shè)備，因其綜合優(yōu)勢(shì)突出，被廣泛用于建立多點(diǎn)探測(cè)網(wǎng)絡(luò)獲得全球范圍的電離層綜合信息[1].其通過(guò)發(fā)射不同頻率掃頻脈沖波，測(cè)量從電離層反射的回波信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)延，獲得電離層頻率與虛高的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即頻高圖，可反演獲得電離層峰下電子濃度剖面以及電離層各種特征參數(shù).早期的電離層測(cè)高儀采用較大的發(fā)射天線(高于40 m)和接收天線，收發(fā)天線面積在8000 m2以上.當(dāng)前主流測(cè)高儀使用的接收天線主要包括：加拿大研制的CADI數(shù)字電離層測(cè)高儀采用的4個(gè)相互正交的有源偶極子天線，其通過(guò)對(duì)同時(shí)接收的4通道信號(hào)進(jìn)行分析獲得電離層回波極化信息和到達(dá)角參量；美國(guó)的DPS-4D數(shù)字電離層測(cè)高儀采用的四個(gè)正交環(huán)天線組陣，其形狀為60 m邊長(zhǎng)的正三角形，其中3個(gè)天線位于天線陣的3個(gè)頂點(diǎn)，另外一個(gè)天線位于正三角形天線陣的中心，可接收電磁波磁場(chǎng)分量并可區(qū)分電離層回波的尋常波和非常波.但這些天線由于本身占地面積較大，無(wú)法根據(jù)研究需要開展靈活布站和流動(dòng)觀測(cè)，隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)字測(cè)高儀正迫切需要向天線小型化的方向發(fā)展.

為解決電離層測(cè)高儀接收天線小型化問(wèn)題，本文提出并研制了一種正交有源環(huán)接收天線.本文通過(guò)對(duì)其進(jìn)行原理分析、模擬仿真及硬件設(shè)計(jì)，結(jié)合其搭載敏捷數(shù)字測(cè)高儀得到的實(shí)際觀測(cè)結(jié)果，與當(dāng)前廣泛使用的正交折合偶極子天線進(jìn)行綜合對(duì)比，給出其性能指標(biāo)及實(shí)際觀測(cè)效果.

1 正交有源環(huán)天線設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思想

由于短波的波長(zhǎng)一般達(dá)10 m～100 m，因此用于接收短波信號(hào)的天線需要具有一定的幾何電尺寸.當(dāng)投射到某幾何電尺寸上的電磁波功率全部被天線的負(fù)載所吸收時(shí)，則稱該幾何電尺寸為天線的有效幾何電尺寸[2].由天線理論得到有源天線總增益G的計(jì)算公式如下：

G=G1G2，

(1)

其中G1為無(wú)源天線增益；G2為有源網(wǎng)絡(luò)增益.在天線效率為1的情況下，有源接收天線可等價(jià)于在無(wú)源接收天線的根部接入一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)天線有效幾何電尺寸和天線增益之間的關(guān)系[3]如下：

(2)

其中A1為無(wú)源天線的有效幾何電尺寸；A2為有源天線的有效幾何電尺寸；λ為工作波長(zhǎng).由(2)式可知，有源天線的有效幾何電尺寸A2是無(wú)源天線有效幾何電尺寸A1的G2倍.從理論上證明了在相同天線技術(shù)指標(biāo)要求下，可通過(guò)提高有源網(wǎng)絡(luò)增益，縮小無(wú)源天線有效幾何電尺寸的方法，實(shí)現(xiàn)有源天線小型化的設(shè)計(jì).

對(duì)現(xiàn)代數(shù)字電離層測(cè)高儀來(lái)說(shuō)，區(qū)分電離層回波的極化特性非常重要.敏捷數(shù)字電離層測(cè)高儀的發(fā)射天線系統(tǒng)采用單天線發(fā)射線極化波的方式工作，由于地球電離層的色散特性使得該極化波被分裂成為O波(尋常波)和X波(非常波)，因此需要有至少2個(gè)正交放置的接收天線，接收不同方向的回波分量.在對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行接收時(shí)，2個(gè)接收天線會(huì)同時(shí)收到O波信號(hào)和X波信號(hào).天線所接收到的回波信號(hào)經(jīng)模擬電路和數(shù)字電路處理后，傳送至敏捷數(shù)字電離層測(cè)高儀的上位機(jī)系統(tǒng)，其通過(guò)軟件分離的方法可一次性從回波信號(hào)中分離出O波和X波.

1.2 原理設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證天線幾何設(shè)計(jì)的合理性，使用天線設(shè)計(jì)仿真軟件4NEC2對(duì)所設(shè)計(jì)的環(huán)天線進(jìn)行仿真.仿真幾何設(shè)計(jì)為長(zhǎng)1.4 m、寬1.2 m的矩形，遠(yuǎn)場(chǎng)分析仿真選取的頻點(diǎn)分別為3 MHz、15 MHz、30 MHz，得到環(huán)天線的天線增益波瓣圖見圖1.由圖1可知，該環(huán)天線的主波瓣均為垂直向上，表明環(huán)天線的設(shè)計(jì)符合實(shí)際需求.其在3 MHz、15 MHz、30 MHz對(duì)應(yīng)的增益分別為-4.1 dBi、1.74 dBi、2.62 dBi.隨著頻率的增加，天線效率有所改善.由于環(huán)天線屬于電小天線，為實(shí)現(xiàn)寬頻帶，天線的增益通常較低，該現(xiàn)象在低頻段尤其明顯.

圖1 正交有源環(huán)天線波瓣圖

為保證在回波信號(hào)較微弱、電小天線增益較小的情況下，正交有源環(huán)天線仍能有效的接收回波信號(hào)并傳送至接收機(jī)，生成描跡清晰的頻高圖，需對(duì)接收到的原始信號(hào)進(jìn)行后續(xù)的阻抗匹配及低噪聲放大處理，正交有源環(huán)天線原理框圖見圖2.

圖2 正交有源環(huán)天線原理框圖

2 正交有源環(huán)天線實(shí)現(xiàn)

正交有源環(huán)天線的室外部分如圖3所示，兩個(gè)接收通道的環(huán)天線正交垂直放置接收回波信號(hào)，便于分離回波信號(hào)的極化信息.兩個(gè)接收通道的環(huán)天線均為長(zhǎng)1.4 m、寬1.2 m的矩形，距地高度0.8 m.饋點(diǎn)位于兩個(gè)矩形環(huán)的底部交叉處，與前置放大器的巴倫相連.

圖3 正交有源環(huán)天線

作為環(huán)天線的重要組成部分，前置放大器的設(shè)計(jì)需綜合考慮天線接收效率及搭載的數(shù)字測(cè)高儀接收機(jī)的靈敏度，其設(shè)計(jì)主要針對(duì)巴倫、低噪聲放大器、射頻直流合并模塊和電源模塊.

巴倫用于將環(huán)天線接收的幅度相等相位相反的平衡信號(hào)轉(zhuǎn)化為低噪聲放大器可接收的單端非平衡信號(hào).在高頻電路設(shè)計(jì)中，若阻抗不匹配，將導(dǎo)致回波損耗，嚴(yán)重影響天線的工作效率.經(jīng)E5072A網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量，所設(shè)計(jì)的天線端存在幾十歐姆的電阻，若放大端負(fù)載阻抗過(guò)小將導(dǎo)致放大電路端無(wú)法獲得足夠的電壓；若放大端負(fù)載阻抗越大，產(chǎn)生的電路熱噪聲也越大.綜合考慮天線阻抗匹配及信號(hào)平衡變換，本設(shè)計(jì)選用寬帶變壓器式巴倫.在1 MHz-30 MHz頻率范圍內(nèi)變壓器變壓比為1∶4，可實(shí)現(xiàn)天線前后端16倍的阻抗變換，使放大端以較大阻抗接入電路，保證后級(jí)電路接收到足夠的信號(hào)強(qiáng)度，且其具有工作頻段寬、插入損耗小的優(yōu)點(diǎn).

圖4 前置放大器本底噪聲

射頻直流合并模塊通過(guò)選用適當(dāng)?shù)腖C元件，實(shí)現(xiàn)將放大后的射頻信號(hào)饋入到50 Ω同軸電纜，同時(shí)取出直流電流給電源模塊的功能.電源模塊通過(guò)選用三端穩(wěn)壓器對(duì)電源饋電進(jìn)行穩(wěn)壓，將濾波后的直流電流傳輸給低噪聲放大模塊，提供穩(wěn)定的12 V直流供電電壓.正交有源環(huán)天線基本電路結(jié)構(gòu)如圖5所示.

圖5 正交有源環(huán)天線基本電路結(jié)構(gòu)

室內(nèi)部分主要包括射頻直流分離模塊及供電模塊.射頻直流分離模塊，通過(guò)選取合適的LC器件，實(shí)現(xiàn)將供電模塊的直流電流饋送到同軸電纜及將同軸電纜上的回波信號(hào)取出傳送到接收機(jī)的功能.供電模塊采用15 V電源適配器，將220 V的交流電轉(zhuǎn)換為15 V的直流電對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電.電路設(shè)計(jì)完成后，對(duì)偶極子天線和環(huán)天線進(jìn)行了回波信號(hào)接收對(duì)比測(cè)試，結(jié)果見圖6.由圖6可知，在有回波信號(hào)的頻點(diǎn)，環(huán)天線的接收性能與偶極子天線基本相當(dāng)，在部分頻點(diǎn)環(huán)天線接收到的信號(hào)幅值大于偶極子天線，驗(yàn)證了電路設(shè)計(jì)的正確性.

圖6 偶極子天線與環(huán)天線接收信號(hào)強(qiáng)度對(duì)比

整體設(shè)計(jì)完成后，對(duì)正交有源環(huán)天線前置放大器進(jìn)行了性能測(cè)試，其性能指標(biāo)見表1.

表1 正交有源環(huán)天線前置放大器性能指標(biāo)

3 結(jié)果與討論

正交有源環(huán)天線研制過(guò)程中，不斷開展觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化天線設(shè)計(jì)，并對(duì)優(yōu)化后的天線性能進(jìn)行了多方面數(shù)據(jù)分析.觀測(cè)時(shí)，發(fā)射天線選用的是美國(guó)Barker & Williamson’s BWDS-90N高頻寬帶雙線折合偶極子天線，采用倒V架設(shè)，中間支撐桿高9 m，兩端長(zhǎng)度均為27 m.接收天線使用的是自行設(shè)計(jì)的正交有源環(huán)天線，安裝時(shí)距地高度0.8 m，90°垂直地面擺放.所有實(shí)驗(yàn)中收發(fā)天線均位于中南民族大學(xué)16號(hào)教學(xué)樓10層高樓樓頂，供電及回波信號(hào)處理部分位于室內(nèi).

3.1 發(fā)射天線對(duì)正交有源環(huán)天線的干擾分析

在進(jìn)行電離層探測(cè)時(shí)，射頻脈沖功率放大器輸出功率高達(dá)600 W.因此發(fā)射機(jī)處于發(fā)射信號(hào)狀態(tài)時(shí)，將對(duì)附近的電子設(shè)備造成電磁干擾.通過(guò)調(diào)整發(fā)射天線與正交有源環(huán)天線之間的距離進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)，分析發(fā)射天線發(fā)射大功率脈沖信號(hào)對(duì)正交有源環(huán)接收天線的影響，觀測(cè)結(jié)果見圖7.由圖7可知，當(dāng)發(fā)射天線與正交有源環(huán)接收天線相距15 m，測(cè)高儀觀測(cè)頻率范圍為1 MHz～7 MHz時(shí)，在頻高圖底部80 km～150 km范圍內(nèi)，存在明顯的底部干擾；當(dāng)發(fā)射天線與正交有源環(huán)接收天線相距40 m，其他觀測(cè)條件不變時(shí)，頻高圖底部干擾得到明顯改善.這是由于當(dāng)發(fā)射信號(hào)功率過(guò)大時(shí)，前置放大器部分電子元器件工作在飽和狀態(tài)，影響了電路性能.因此在進(jìn)行頻高圖探測(cè)時(shí)，正交有源環(huán)天線需與發(fā)射天線相距40 m及以上.

(a)接收天線與發(fā)射天線相距15 m (b)接收天線與發(fā)射天線相距40 m

3.2 不同頻點(diǎn)回波反饋強(qiáng)度分析

對(duì)不同頻點(diǎn)回波反饋強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，可分析正交有源環(huán)天線對(duì)不同頻點(diǎn)回波信號(hào)的接收性能.選取2018年12月24日03:46:38UT(UT指世界時(shí))時(shí)刻采集到的回波信號(hào)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.接收天線選用自行設(shè)計(jì)的正交有源環(huán)天線，分別接收南北向和東西向的回波信號(hào)，其中南北向天線對(duì)應(yīng)通道1，即I1、Q1；東西向天線對(duì)應(yīng)通道2，即I2、Q2；發(fā)射天線采用的是單天線發(fā)射線極化波.敏捷數(shù)字電離層測(cè)高儀工作在常規(guī)頻高圖模式，發(fā)射脈沖重復(fù)周期為10 ms，每個(gè)頻點(diǎn)重復(fù)發(fā)送的脈沖個(gè)數(shù)即FFT累積次數(shù)為8，用時(shí)80 ms，每個(gè)脈沖所包含的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為896.回波信號(hào)原始數(shù)據(jù)對(duì)于回波強(qiáng)度的測(cè)量采用相對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行表示，無(wú)單位，在4 MHz頻點(diǎn)和6 MHz頻點(diǎn)接收到的回波強(qiáng)度見圖8.

圖8 4 MHz與6 MH回波反饋強(qiáng)度

由圖8可知，接收到的回波信號(hào)強(qiáng)度較大.在相應(yīng)時(shí)刻的頻高圖中，對(duì)應(yīng)4 MHz和6 MHz處O波、X波有清晰的描跡，并且在4 MHz處存在二次回波信號(hào)描跡，表明該正交有源環(huán)天線具有良好的接收性能.

3.3 回波信號(hào)信噪比分析

回波信號(hào)信噪比對(duì)頻高圖的繪制及各種電離層參數(shù)的提取具有重要的影響.選取2018年12月26日03:44:44UT時(shí)刻和03:47:33UT時(shí)刻采集到的回波信號(hào)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，測(cè)高儀觀測(cè)頻率范圍均為1 MHz～7 MHz，結(jié)果如圖9所示.由圖9(a)和圖9(c)可知回波信號(hào)在3.5 MHz～5.8 MHz之間存在明顯的回波描跡，對(duì)4.0 MHz～5.5 MHz頻率范圍內(nèi)通道1接收到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，頻率步進(jìn)為0.1 MHz，得到16個(gè)頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的回波信號(hào)信噪比如圖9(b)和圖9(d)所示.在03:44:44UT時(shí)刻，通道1信噪比最大值為21.52 dB，最小值為9.30 dB，均值為13.55 dB;在03:47:33UT時(shí)刻，通道1信噪比最大值為21.77 dB，最小值為11.16 dB，均值為14.17 dB.兩個(gè)時(shí)刻信噪比的標(biāo)準(zhǔn)差分別為3.50 dB和3.62 dB.由此可見，正交有源環(huán)天線不僅接收到的回波信號(hào)信噪比較高且工作穩(wěn)定.

(a)03:44:44UT時(shí)刻頻高圖 (b)4.0 MHz～5.5 MHz通道1信噪比

(c)03:47:33UT時(shí)刻頻高圖 (d)4.0 MHz～5.5 MHz通道1信噪比

3.4 與折合偶極子天線觀測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析

為驗(yàn)證正交有源環(huán)天線作為接收天線時(shí)，數(shù)字電離層測(cè)高儀系統(tǒng)觀測(cè)到的頻高圖質(zhì)量，分別利用1個(gè)自行設(shè)計(jì)的正交有源環(huán)天線與2個(gè)正交折合偶極子天線作為同一臺(tái)敏捷數(shù)字電離層測(cè)高儀的接收天線，進(jìn)行了對(duì)比觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)時(shí)間段為當(dāng)?shù)?019年1月18日白天.由于電離層特征變化較快，為保證實(shí)驗(yàn)的有效性，每組天線對(duì)比觀測(cè)實(shí)驗(yàn)的時(shí)間間隔均小于1 min，對(duì)比觀測(cè)結(jié)果見圖10.由圖10可知，正交有源環(huán)天線與正交折合偶極子天線在觀測(cè)時(shí)間間隔小于1 min時(shí)，兩者接收到的頻高圖描跡一致且接收到的頻高圖質(zhì)量基本相當(dāng)，均可接收到多次回波信號(hào)，驗(yàn)證了正交有源環(huán)天線不僅實(shí)現(xiàn)了接收天線小型化而且保證了對(duì)電離層回波信號(hào)的接收質(zhì)量.

3 結(jié)論

為解決接收天線小型化問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)數(shù)字測(cè)高儀快速靈活布站，本文提出并研制了一種正交有源環(huán)接收天線，其主要特點(diǎn)如下：

(1)工作性能良好，可實(shí)現(xiàn)在1 MHz～30 MHz高頻寬帶范圍內(nèi)對(duì)電離層反射的回波信號(hào)進(jìn)行有效接收并區(qū)分電離層回波的O波與X波.

(2)實(shí)用性強(qiáng)且性價(jià)比高，可直接搭載敏捷數(shù)字電離層接收機(jī)及上位機(jī)處理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)電離層反射的回波信號(hào)的處理，得到清晰的虛高隨頻率變化的頻高圖描跡.

(3)占地面積小且架設(shè)方便，占地面積僅為1.2×1.2 m2，半天可完成組裝及架設(shè).與折合偶極子天線(占地面積28×28 m2)接收到的頻高圖質(zhì)量基本相當(dāng)，均能較好的接收到多次回波.在實(shí)現(xiàn)小型化的同時(shí)，保證了對(duì)電離層回波信號(hào)的接收質(zhì)量，為實(shí)現(xiàn)觀測(cè)場(chǎng)地受限如辦公樓樓頂及需要臨時(shí)流動(dòng)觀測(cè)的需求提供了良好的解決方案.

圖10 折合偶極子天線和正交有源環(huán)天線接收的頻高圖