黃金輝

(北京西三環(huán)中路19號(hào) 北京 100841)

1 引言

甚低頻天線系統(tǒng)效率一般指輸入信號(hào)為單頻信號(hào)諧振時(shí)的效率,僅反映諧振時(shí)的天線損耗特性,不能反映系統(tǒng)對調(diào)制信號(hào)的匹配特性。由于甚低頻發(fā)射天線屬于電小天線,天線系統(tǒng)Q值高,系統(tǒng)是一個(gè)窄帶系統(tǒng)[1～2],實(shí)際工作中天線輸入信號(hào)為MSK、FSK、ASK等調(diào)制信號(hào),信號(hào)譜有一定的帶寬,對于調(diào)制信號(hào)甚低頻發(fā)射系統(tǒng)還存在失配損耗,天線系統(tǒng)效率不僅與天線的損耗特性有關(guān),還與信號(hào)與天線系統(tǒng)的匹配程度有關(guān),單頻工作時(shí)的系統(tǒng)效率不能等同于調(diào)制下的天線系統(tǒng)效率,所以需要研究不同調(diào)制方式下的甚低頻發(fā)射天線的系統(tǒng)效率。文中研究了甚低頻發(fā)射機(jī)工作于MSK、FSK、ASK不同調(diào)制方式、不同碼元速率情況下,甚低頻發(fā)射天線工作在不同載頻下的系統(tǒng)效率,為甚低頻發(fā)射系統(tǒng)調(diào)機(jī)[3]及通信效能評估提供一定的參考。

2 載頻方式下甚低頻發(fā)射系統(tǒng)效率

甚低頻發(fā)射系統(tǒng)等效電路如圖1所示,Re為發(fā)射機(jī)等效內(nèi)阻,La為天線調(diào)諧電感,Ras為線圈損耗電阻,天線等效為靜態(tài)電容 C0、等效電感L0及輻射電阻Rr相串聯(lián),Rg為天線的損耗。

當(dāng)發(fā)射機(jī)工作在載頻時(shí),由于天線系統(tǒng)調(diào)諧于載頻,天線系統(tǒng)與發(fā)射機(jī)處于匹配狀態(tài),信號(hào)能量從發(fā)射機(jī)出去后,不會(huì)有能量返回。此時(shí)天線系統(tǒng)的效率可以表示為

圖1 甚低頻發(fā)射系統(tǒng)等效電路

對于甚低頻天線系統(tǒng),η是隨頻率變化的,頻率越高,效率就越高,且甚低頻天線的系統(tǒng)載頻效率隨頻率的大致按 f1.2～f1.7增大。

3 不同調(diào)制方式下甚低頻發(fā)射系統(tǒng)效率

甚低頻發(fā)射天線系統(tǒng)帶寬較窄,尤其在頻率低端,天線帶寬只有幾十Hz,當(dāng)發(fā)射系統(tǒng)工作于一定的調(diào)制方式時(shí),由于信號(hào)占據(jù)一定的帶寬,就存在天線系統(tǒng)對信號(hào)失諧問題,因此天線系統(tǒng)的匹配效率低于100%,則在相同的天線載頻下,不同調(diào)制方式下的天線系統(tǒng)效率不同,應(yīng)表示為

式中,η為對載頻諧振時(shí)的天線效率,ηl為天線系統(tǒng)對不同調(diào)制方式、不同碼元速率下的匹配效率。

3.1 MSK調(diào)制方式下甚低頻發(fā)射系統(tǒng)效率

MSK 信號(hào)的功率譜密度[4～5]為

若甚低頻天線回路的頻率特性可表示為 H(f),則MSK調(diào)制方式下天線系統(tǒng)的匹配效率可表示為

式中,fs為碼元速率,fc-0.76fs和 fc+0.76fs分別對應(yīng)信號(hào)主瓣第一零點(diǎn)頻率,1.52fs為信號(hào)主瓣寬度,MSK信號(hào)中99%能量集中在主瓣。當(dāng)天線帶寬B與碼元速率fs的比B/fs改變時(shí),則ηl也在變化,且B/fs越小,ηl越小,天線系統(tǒng)效率越小,B/fs越大,ηl越大,天線系統(tǒng)效率越接近于系統(tǒng)載頻效率,以輸入100bit MSK信號(hào)為例,其信號(hào)主瓣寬度為152Hz,圖2為天線系統(tǒng)帶寬不同情況下輻射譜的變化。

圖2 天線系統(tǒng)帶寬不同情況下輻射譜的變化

表1示出不同BW/fs變化時(shí)天線輻射MSK的系統(tǒng)效率(假設(shè)天線系統(tǒng)載頻效率為η=50%)。

表1 不同B/fs時(shí)天線系統(tǒng)輻射MSK信號(hào)效率

3.2 OOK調(diào)制方式下甚低頻發(fā)射系統(tǒng)效率

若甚低頻天線回路的頻率特性表示為H(f),則OOK調(diào)制方式下天線系統(tǒng)的匹配效率可表示為

式中,fc-fs和fc+fs分別對應(yīng)OOK信號(hào)主瓣第一零點(diǎn)頻率,2fs為信號(hào)主瓣寬度,OOK信號(hào)中90%能量集中在主瓣。

表2示出不同B/fs變化時(shí)天線輻射OOK的系統(tǒng)效率(假設(shè)天線系統(tǒng)載頻效率為η=50%)。

表2 不同B/fs時(shí)天線系統(tǒng)輻射OOK信號(hào)效率

4 結(jié)語

在同一調(diào)制方式下,當(dāng)甚低頻天線系統(tǒng)帶寬與碼元速率比值B/fs改變時(shí),天線系統(tǒng)的匹配效率改變,則整個(gè)天線系統(tǒng)的輻射效率會(huì)隨B/fs的減小而減小,也就是當(dāng)載頻不變時(shí),天線帶寬不變時(shí),天線系統(tǒng)的輻射效率隨碼元速率的提高而降低。

對于不同的調(diào)制方式,在相同的B/fs值時(shí),甚低頻發(fā)射天線系統(tǒng)效率不同,由于MSK調(diào)制方式的功率譜密度較集中,因此在甚低頻發(fā)射系統(tǒng)中使用MSK調(diào)制方式的系統(tǒng)匹配效率較高,在發(fā)射機(jī)允許一定的反射能量情況下,MSK調(diào)制方式的天線系統(tǒng)輻射效率較高。

[1]梁高權(quán).甚低頻波與超低頻波的輻射與傳播[M].武漢:海軍工程大學(xué)出版社,2002:92～97

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[3]葛勤革.一種新的甚低頻發(fā)射機(jī)調(diào)機(jī)方法[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào),2009,21(4):75～77

[4]徐明遠(yuǎn),陳德章,馮云.無線電頻譜分析[M].北京:科學(xué)出版社,2007

[5]馮重熙.現(xiàn)代數(shù)字通信技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,1993