一种通过组合天线接收无线电信号的接收系统设计方法详解

浮标通信技术是在传统的无线通信技术的基础上发展起来的。自从应用于对潜通信后，浮标通信便开始广泛运用于各国的军事通信中。但是，目前的浮标通信基本还是采用单一的全向天线来实现电磁波的接收，由于浮标一般放置在海平面上，容易受到海浪及潮汐的干扰，很容易使天线发生旋转，有时甚至会发生侧翻或者倒置现象，而传统的全向天线又无法实现信号的可靠接收。为了避免这种现象的发生，本文提出了一种组合天线的设计方法。该组合天线包含两种天线单元：一种为鞭状天线，此天线能够接收水平场的电磁波;另一种为磁感应天线，此天线能够接收垂直电场的电磁波。通过两种天线的组合并利用选频电路和高频放大电路，即可实现信号的可靠接收。

1 组合天线设计

1.1 鞭状天线

鞭状天线又称为接地单极子天线。单极子垂直于地面，把地面假设为理想导体，地的影响可以用其镜像代替，并且仅在地面上半空间存在电磁场。单极地馈天线可以等效为偶极子天线。在浮标通信中，一般把浮标筒表面假设为理想导体。其鞭状天线模型如图1所示。

鞭状天线与偶极子天线相比，其波瓣方向朝行波方向倾斜，最大辐射方向偏了25°，半功率波束宽度由78°减小到60°。同时，与偶极子天线相比，两 种天线的上半空间方向函数和方向图相同，同时极化特性、频带特性等都相同。但是，鞭状天线的输入阻抗是偶极子天线的一半，原因主要是激励电压减半而激励电流不变。同时鞭状天线的方向系数是偶极子天线的两倍，且因为场强不变而辐射功率减半，即只在半空间辐射，因此损耗电阻大，辐射效率低。鞭状天线的远场分量 Eθ的计算式如下：

本设计采用的鞭状天线长度H为30cm，接收电磁波频率为1.8MHz。经计算可得，鞭状天线的方向性为4.80左右，绝对增益能够达到6dB。通过电磁波的场强分析，此增益基本能够满足远程无线遥控系统的信号接收。

1.2 磁感应天线

磁感应天线又称为电小环天线，环形天线分为圆环和方环两种。本设计的电小环天线为圆环天线，且尺寸远小于波长，因此，相同面积的方环或圆环都具有相同的远场波瓣图。磁感应天线的场分量的计算式如下：

与对偶极子天线相比，偶极子天线含有虚数因子，而环天线则没有，这说明了偶极子天线和环天线在相同的电流馈电下，所辐射的场在时间上正交，这也是两者 的最大区别。因此，环天线适用于水平方式布置取向，而偶极子天线一般采取平行于z轴取向。这亦符合天线长度远小于波长的要求，即天线尺寸对波长趋近于零。 表1所列是环天线与偶极子天线的远场比较。

1.3 组合天线

由于接收天线位于浮标筒中，浮标筒在海浪和风向的作用下，容易改变其方向和位置，甚至会发生倾覆，因此，采用单一天线模式不能确保信号的可靠接收。故可利用鞭状天线和磁感天线的复合天线来增强信号的可靠接收。这样，无论哪个天线失灵（如发生鞭状天线的折断或者倾覆），都可以利用另一个天线完成信号的接收。鞭状天线为垂直极化天线，可接收垂直极化分量的磁场;磁感天线为水平极化天线，可接收水平极化分量的磁场，这样，通过相互互补，两个天线就能很好地接收来自发射天线的全向波。组合天线的结构设计为磁感应天线布设于浮筒内壁上，呈水平方式;鞭状天线则布设于浮筒中央，垂直于磁感应天线。两天线采用同一馈电方式接收。图2为组合天线的设计模型。

为了保证两个天线的独立接收，鞭状天线和磁感应天线需要增加绝缘材料以进行隔离，从而消除天线自带的寄生因素，防止信号串扰。组合天线的实际布设图如图3所示。图中导体即指鞭状天线和磁感应天线，两天线之间为绝缘材料。

2 信号的接收

组合天线接收的信号先后经过L1、L2两个鉴频电感，然后经场效应管V1滤波输出，以送入高频放大电路，选频电路如图4所示。

高频放大接收电路是由两个型号相同的三极管组成，从选频网络来的接收信号经两个三极管放大、电容滤波之后即可进入到解调电路进行解调。图5所示是其高频放大电路。

3 实验与仿真结果分析

综合系统实现后，可选择HFSS11软件对组合天线进行仿真，仿真结果表明，组合天线对无线电信号的接收能力很强，而且在天线旋转或者侧翻的情况下，仍能实现信号的可靠接收。天线在浮标桶截面为20cm时的波瓣图如图6所示。由图可知，组合天线在现场情况下，基本能达到系统要求，天线的方向性系数达到 3.17，增益达到30dB。完全可满足系统的要求。

通过对选频电路和高频放大电路进行CAD仿真可见，其发射系统采用2FSK调制方式，载波频率为1.8MHz。首先，由晶体振荡器产生频率为 1.8MHz的中心频率f0，然后通过逻辑电路产生两个频率分别为f1=f0+2kHz、f2=f0-2kHz的载波，频偏△f=4kHz。指令数据序列可通过直接作用于其中一个载波进行调制，可以获得2FSK信号。通过在陆上100公里及海上300公里范围内的组合天线接收，其信号通过选频电路和高频放大电路后输出的仿真波形如图7所示。

4 结束语

本文给出了一种通过组合天线接收无线电信号的接收系统设计方法。结合组合天线的优点，是可使天线接收系统工作在全天候状态，从而避免在恶劣天气环境下接收系统无法正常工作的缺陷。文中同时给出了信号的接收电路（包括选频网络及高频放大电路等）。