高久翔 ，原艷寧 ，師振盛 ，席曉莉

(1.西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2.西安交通大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

0 引言

羅蘭-C 是一種陸基遠(yuǎn)程無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，工作頻段為90～110 kHz[1-5]。磁天線相對(duì)于電天線具有體積小、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)[6]以及便于安裝和攜帶等優(yōu)點(diǎn)，常被用來接收羅蘭-C 信號(hào)。

目前羅蘭-C 磁天線的研究主要在方向性優(yōu)化[7]、數(shù)字移相算法[8]以及有源接收技術(shù)[9-10]等方面，這些研究對(duì)羅蘭-C 磁天線的接收性能提出了更高的要求，因此需制作靈敏度和信噪比高的磁天線來改善羅蘭-C接收天線的性能。本文研制了一種順接串聯(lián)的多層線圈的羅蘭-C 磁天線，能顯著提高接收靈敏度又能提升其信噪比，這極大地提高了羅蘭-C 磁天線的穩(wěn)定性以及擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍，具有很重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 磁天線原理

磁天線的本質(zhì)是加載高性能現(xiàn)代軟磁材料的多匝環(huán)天線[11]，在線圈繞組內(nèi)對(duì)電磁波的磁場(chǎng)分量有很強(qiáng)的感應(yīng)能力，且軟磁材料易被磁化，可顯著增強(qiáng)磁天線的感應(yīng)能力。

1.1 磁天線的方向圖

天線的方向圖用來反映天線在各個(gè)方向上接收和發(fā)送電磁信號(hào)的能力。制作天線時(shí)，希望天線在每個(gè)方向上均勻輻射，客觀來說，天線發(fā)射的電波是非均勻球面波，具有一定的方向性。磁天線的方向圖和環(huán)天線相同，磁天線的二維方向圖形狀為一個(gè)“8”字形，三維方向圖在空間中呈“蘋果”狀[12]。

在電磁仿真軟件中建立磁天線模型，磁芯直徑為10 mm，長度為140 mm，磁導(dǎo)率為2 300；線圈被設(shè)置為銅線，表面繞線100 匝，銅線的直徑為0.3 mm；剖分網(wǎng)格大小為4 mm×4 mm；激勵(lì)為100 kHz 的正弦信號(hào)。沿z軸放置的磁天線仿真的方向圖如圖1 所示。

圖1 磁天線的方向圖

從圖1 可以看出，磁天線的方向圖有兩個(gè)對(duì)立的波瓣，且沒有副瓣。仿真表明：磁天線是雙向天線。為了優(yōu)化磁天線的方向性，需要將多根磁天線進(jìn)行組合，才能獲得多方位接收信號(hào)的組合天線。

1.2 組合磁天線結(jié)構(gòu)及測(cè)向原理

由1.1 的分析可知，難以通過單一磁天線接收不同角度的羅蘭-C 信號(hào)，所以在設(shè)計(jì)羅蘭-C 磁天線時(shí)采用“十”字交叉環(huán)路。兩副參數(shù)一致的磁天線正交放置，即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的多方位接收。仿真的三維方向圖如圖2 所示，仿真結(jié)果表明：“十”字交叉環(huán)路磁天線接收模式更為全面。

圖2 “十”字交叉環(huán)路磁天線方向圖

磁天線接收羅蘭-C 信號(hào)所處的位置為發(fā)射臺(tái)的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，此時(shí)羅蘭-C 信號(hào)可視作空間中的均勻平面波。如圖3 所示，環(huán)路磁天線接收A 點(diǎn)發(fā)射臺(tái)的信號(hào)產(chǎn)生的兩個(gè)相互垂直分量UNS、UEW為：

圖3 交叉環(huán)路磁天線測(cè)向示意圖

式中：K 為磁天線的電路常數(shù)；E0為電場(chǎng)強(qiáng)度；φ 為傳播中的瞬時(shí)相位；θ 為信號(hào)的來波方向夾角；n1(t)、n2(t)分別為兩路磁天線的噪聲。

由式(1)可以得出來波方向夾角θ 為：

方位角的測(cè)量以及磁天線的放置都會(huì)產(chǎn)生不可避免的誤差。由式(2)可以看出：為了使誤差減至最小，應(yīng)當(dāng)盡可能提高磁天線的靈敏度和信噪比。因此，本文設(shè)計(jì)了一種順接串聯(lián)多層線圈的磁天線用以提高靈敏度和信噪比。

2 順串聯(lián)多層線圈磁天線

順串聯(lián)多層線圈的磁天線設(shè)計(jì)如圖4 所示，主要由一根磁芯和位于磁芯軸對(duì)稱兩側(cè)的漆包銅線繞制而成，兩個(gè)天線線圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)相同，不同層之間徑向緊貼，每一匝間軸向密繞。

圖4 順串聯(lián)多層線圈磁天線

此種方式設(shè)計(jì)的磁天線將感應(yīng)電壓作為輸出信號(hào)，磁天線中線圈1 的輸出電壓V 為[13]：

2.1 靈敏度

單個(gè)天線線圈的軸向長度為lc，匝數(shù)為n，面積為SA=πR2，磁天線的內(nèi)、外半徑分別為r、R，線圈1 和整個(gè)磁天線的原點(diǎn)分別為o1、o。建立如圖4 所示的坐標(biāo)系，對(duì)于單層線圈，在坐標(biāo)系o1x1z1中，輸出電壓信號(hào)的強(qiáng)度為：

磁天線的線圈的厚度為R-r，對(duì)式(4)沿線圈厚度進(jìn)行積分，進(jìn)而得到磁天線線圈1 考慮厚度的電壓信號(hào)強(qiáng)度為：

式中：μ 為真空中磁導(dǎo)率與相對(duì)磁導(dǎo)率之積。

將式(5)積分得：

其中a 為單位厚度上線圈的層數(shù)。

同理，得到線圈2 在坐標(biāo)系oxz 下的電壓信號(hào)強(qiáng)度表達(dá)式為：

取x=0，且串聯(lián)的線圈1 和線圈2 的電場(chǎng)強(qiáng)度方向一致，則磁天線總電壓信號(hào)強(qiáng)度為V=Vl+Vr為：

則磁天線感應(yīng)到的總電壓信號(hào)強(qiáng)度為：

磁天線接收信號(hào)時(shí)，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度以正弦形式變化，即H=Hm·sin(2πft)，且磁感線圈是一個(gè)半徑為R 的圓環(huán)，則對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電壓信號(hào)的有效值為：

磁天線的靈敏度為輸出電壓對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度的傳遞函數(shù)，故順接串聯(lián)多層線圈磁天線的靈敏度為：

由式(3)～式(12)可知，在制作磁天線時(shí)，隨著線圈外半徑增大、線圈寬度增加和串聯(lián)組數(shù)的增加，磁天線的靈敏度均增大，由此可以說明將磁天線設(shè)計(jì)為順串聯(lián)多層線圈可明顯提高磁天線的靈敏度。

2.2 信噪比

依據(jù)電阻定義，磁天線的等效直流阻抗ZDC為：

式中：ρ 為線圈導(dǎo)線的電阻率；d0、d0c分別為導(dǎo)線的直徑、去除表面絕緣層導(dǎo)線的直徑；kT為填充因子，一般為0.80～0.95。

由線圈直流阻抗引起的熱噪聲電壓VN為[14]：

式中：kB為玻爾茲曼常數(shù)；Te為溫度；Δf 為帶寬。

故順串聯(lián)多層線圈磁天線的總信噪比SNR 為：

由式(13)～式(15)可知，用順接串聯(lián)多層線圈磁天線接收信號(hào)時(shí)，隨著線圈外半徑增大、線圈寬度增加和串聯(lián)組數(shù)的增加，能顯著地提高磁天線的信噪比，以這種方式制作的磁天線的漆包銅線的直徑較小，繞制多層并串聯(lián)多個(gè)線圈在同一磁芯上不會(huì)明顯地增大整個(gè)磁天線的物理體積和質(zhì)量，既滿足小型化的要求，又提升了磁天線的性能。

3 羅蘭-C 磁天線設(shè)計(jì)

磁天線系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖5 所示，將磁天線的諧振頻率調(diào)諧到羅蘭-C 信號(hào)的中心頻率便能接收到功率和效率最高的羅蘭-C 信號(hào)，低噪聲放大器對(duì)磁天線接收到的微弱羅蘭-C 信號(hào)進(jìn)行放大，帶通濾波器則對(duì)羅蘭-C 信號(hào)帶外的干擾進(jìn)行抑制。

圖5 磁天線系統(tǒng)總體框圖

制作磁天線時(shí)，將漆包銅線繞制成2 個(gè)相同的多匝多層小環(huán)天線，然后將小環(huán)天線串聯(lián)加載于磁芯上，磁天線制作的相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

表1 磁天線的結(jié)構(gòu)參數(shù) (mm)

磁天線可等效為電感、電容和電阻元件的串聯(lián)或并聯(lián)等多種形式，磁天線的電參數(shù)如表2 所示，將磁天線與調(diào)諧電容并聯(lián)諧振調(diào)諧到100 kHz，接入信號(hào)調(diào)理電路中觀測(cè)接收到的羅蘭-C 信號(hào)。

表2 磁天線的電參數(shù)

4 羅蘭-C 磁天線的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將磁天線平行架設(shè)在距離地面有一定高度的地方，這樣能以最佳的方式接收到垂直極化的羅蘭-C 信號(hào)。測(cè)試場(chǎng)景如圖6 所示，天線的底板采用非金屬、非磁性板材，磁天線對(duì)角放置在150 mm×150 mm 的底板上且調(diào)理電路不和磁天線接觸，用支撐架將磁天線置于室外。

圖6 磁天線實(shí)物

羅蘭-C 磁天線的測(cè)試需要進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試，表3 為磁天線測(cè)試位置(34°15′18″N，108°59′23″E)與羅蘭-C發(fā)射臺(tái)的距離。

表3 磁天線測(cè)試位置與羅蘭-C 發(fā)射臺(tái)距離

從表3 中可以看出，測(cè)試位置距離最近的發(fā)射臺(tái)為羅蘭-C 波長的30.7 倍，故測(cè)試環(huán)境均滿足遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試條件。圖7 為示波器觀察到的磁天線接收到的羅蘭-C 臺(tái)站信號(hào)，可以看出，每個(gè)脈沖組的羅蘭-C 脈沖完整清晰。

圖7 磁天線接收羅蘭-C 臺(tái)站信號(hào)遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

將不同類型的磁天線制作并分別進(jìn)行調(diào)諧后接入同一信號(hào)調(diào)理電路中進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)接收羅蘭-C 臺(tái)站信號(hào)的測(cè)試。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4 所示，可以看出，順接串聯(lián)多層線圈磁天線提高的靈敏度和信噪比分別為82.42%和63.20%，因此可以認(rèn)為順接串聯(lián)多層線圈能夠顯著提高接收信號(hào)的靈敏度和信噪比。

表4 不同類型磁天線測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

本文從理論上推導(dǎo)了順串聯(lián)多層線圈的方式能顯著地提高磁天線的靈敏度和信噪比。設(shè)計(jì)的順串聯(lián)多層線圈的磁天線大小為150 mm×150 mm，接收到的羅蘭-C信號(hào)脈沖清晰可見，電壓幅度為3.47 V。同單層單組線圈的磁天線相比，其靈敏度和信噪比分別提高了82.42%和63.20%。這不僅遠(yuǎn)小于電天線的體積，還極大地提高和豐富了羅蘭-C 磁天線的接收性能和應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)羅蘭-C系統(tǒng)在定位方面的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。