CN114122694B - 一种基于电容器的罗兰c接收天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电容器的罗兰C接收天线，天线本体使用塑料柱将感应极板、接地极板、介质基板连接到一起形成一个平板电容器，对空间中的交变电场进行耦合，在电容器的感应极板产生电荷，并通过电容器的作用与接地极板间产生电位差，经信号传输线进入有源电路。有源电路对天线接收到的信号进行放大以及90～110KHz的带通滤波；测试表明本发明接收到的罗兰C信号信噪比高，包络清晰，信号稳定。

Description

一种基于电容器的罗兰C接收天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种基于电容器的罗兰C接收天线。
背景技术
罗兰(Long Range Navigation，Loran)是目前世界上使用最广泛的陆基无线电导航系统之一，而罗兰C系统又是罗兰系统中的一种。罗兰C信号工作频率为100kHz，信号覆盖非常广泛，常用于导航、定位和授时(Positioning Navigation and Timing，PNT)等领域，以及作为地波传播、水下军事通信和卫星/罗兰C组合导航等科学研究。当今导航方式主要是卫星导航，但是卫星导航易受太阳活动的影响，而罗兰C信号的传播形式主要是通过地波的传播形式进行，其传播过程中相位不容易发生变化，具有一定的抗自然干扰能力和抗电子干扰因数的影响，罗兰C的优势能与卫星导航相互补充。即使中国北斗导航系统的不断完善，为避免潜在风险，罗兰C系统依然具有它独特作用，依然会对人们生活有重要影响。
目前的罗兰C接收机多采用磁天线和鞭状天线两类天线接收信号，鞭状天线是全向天线可以接收到罗兰C信号的电场，而且结构简单，不易损坏。但鞭状天线若要提高灵敏度，只能增加其高度，同时为了保证信噪比和信号的稳定性，增加高度的同时必须增加接地尺寸这就导致了鞭状天线携带和安装的难度都很大。随着高磁导率材料的发展，用来接收罗兰C信号磁场的磁天线被研制出来，磁天线与鞭天线相比，体积远远小于鞭状天线，而且无需接地。研究表明，一个小型磁天线与一个9inch的鞭状天线可以接收到等值信噪比的信号。然而磁天线也有其固有缺点：
(1)磁天线是非全向天线，必须使用两个以上的磁天线组成交叉阵列才能实现全向接收。
(2)磁天线调谐之后的Q值非常高，为了保证信号的正常通过通常会加一个电阻来降低Q值，这会导致信号能量的严重损失，降低天线效率。
(3)磁天线存在倒相问题，交叉回路磁天线接收信号时会在产生的180°相位改变，使用时通常需要进行相位校正。
综上所述，鞭状天线和磁天线都存在一些严重影响天线接收性能的缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于电容器的罗兰C接收天线，用于罗兰C接收机前端，从空间中接收罗兰C信号，具有高信噪比，高灵敏度，高稳定性且便于安装使用。
本发明采用以下技术方案：
一种基于电容器的罗兰C接收天线，包括天线本体，天线本体为平板电容器，通过信号传输线与有源电路板连接，通过产生电位差进入有源电路板，有源电路板用于对信号进行放大以及90～110KHz的带通滤波。
具体的，天线本体包括感应极板，感应极板的一侧经介质层与接地极版连接。
进一步的，感应极板上设置有表面焊盘，有源电路板通过信号传输线与表面焊盘连接。
进一步的，感应极板、介质层和接地极版上均开有过孔。
更进一步的，过孔内设置有塑料柱。
进一步的，感应极板的尺寸和接地极板的尺寸相同。
进一步的，介质层采用多层FR4介质基板拼接组成。
更进一步的，多层FR4介质基板的尺寸与感应极板和接地极板的尺寸相同。
具体的，信号传输线的长度小于等于10cm，信号传输线的横截面积大于等于1mm2。
具体的，有源电路板包括放大器，放大器的输入端与天线本体连接，输出端依次经带通滤波器、电压跟随器与罗兰C接收机连接。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
一种基于电容器的罗兰C接收天线，通过平板电容器对空间中的交变电场进行耦合，在感应极板上感应出电荷，感应电荷的量与极板面积成正比，只需增大极板面积便可有效提升信噪比；感应到的电荷通过电容器的作用产生电位差，电位差进入有源电路并进行放大和带通滤波处理，最终输入罗兰C接收机。与传统鞭状天线相比，本发明无需接地，相同信噪比下占用空间更小，信号更稳定。与磁天线相比，本发明在来波方向相反时不会产生180度的相位差，拥有高通特性而非磁天线的窄带带通。
进一步的，使用两块导电极板形成平板电容器，感应到的电荷通过电容器的作用会在感应极板和接地极板之间会产生电位差，由于电容器无需与大地相连，因此感应到的电位差是稳定的，不会和鞭状天线一样因接地条件的变化而变化。进一步的由于感应极板感应到的是罗兰C信号的电场，因此不会与磁天线一样在电磁波方向改变时产生倒相。在感应极板和接地极板之间填充介质可以避免因雨雪等条件造成的天线短路，也可以减弱因环境变化引起的天线性能的扰动。
进一步的，通过表面焊盘可以将极板上的电荷汇集到表面焊盘处，通过与焊盘相连的信号传输线进入有源电路。
进一步的，通过过孔和塑料柱将感应极板，接地极板和介质板固定在一起，使得天线可以根据实际情况来改变介质板的层数从而方便的调节天线的电容值。
进一步的，设置感应极板与接地极板尺寸相同可以使天线成为平衡结构从而保证接收信号的稳定性。
进一步的，使用低介电常数低损耗的FR4介质基板，而非磁天线的高磁导率高损耗的磁芯，因此该天线自身的噪声和损耗远低于磁天线。
进一步的，设置FR4介质基板与感应极板与接地极板尺寸相同，可以使感应极板与接地极板之间的介质填充是均匀的，从而保证天线不会使信号失真。
进一步的，由于天线感应到的信号很微弱信号，为了保证信号在进入有源电路前不被过多损耗，设置信号传输线的长度不大于10cm，横截面积不小于1mm2为益。
进一步的，设置有源电路板对天线感应到的信号进行放大滤波等处理可以提高天线的灵敏度和信噪比，并使信号有足够的功率可以进行远距离传输。
综上所述，本发明创新性的使用平板电容器作为罗兰C信号的接收天线，克服了鞭状天线存在的接地问题以及磁天线存在的倒相问题。感应极板，接地极板和介质板的分层设计使得天线的电容值方便调节。通过有源电路提升了天线的灵敏度和信噪比。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明天线的整体结构图；
图2为本发明天线的有源电路框图；
图3为本发明天线接收罗兰C脉冲组的测试结果图；
图4为本发明天线接收单个罗兰C脉冲的测试结果图。
其中：1.感应极板；2.接地极板；3.FR4介质基板；4.天线底部焊盘；5.天线过孔；6.信号传输线；7.有源电路板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明提供了一种基于电容器的罗兰C接收天线，天线本体使用塑料柱将感应极板、接地极板、介质基板连接到一起，形成一个平板电容器，对空间中的交变电场进行耦合，在电容器的感应极板产生电荷，并通过电容器的作用与接地极板间产生电位差，经信号传输线进入有源电路；有源电路对天线接收到的信号进行放大以及90～110KHz的带通滤波，测试表明本某发明接收到的罗兰C信号信噪比高，包络清晰，信号稳定。
请参阅图1，本发明一种基于电容器的罗兰C接收天线，包括天线本体和有源电路；天线本体能够对空间中的交变电场进行耦合产生电荷，通过电容器的作用与接地极板间产生电位差进入有源电路，通过有源电路对信号进行放大以及90～110KHz的带通滤波。
天线本体为平板电容器，包括感应极板1、接地极板2和介质层，介质层设置在感应极板1和接地极板2之间，感应极板1上设置有用于引出天线的信号至有源电路的表面焊盘4，表面焊盘4通过信号传输线6与有源电路板7连接，用于将电容器天线上的感应信号馈入有源电路，感应极板1，接地极板2和介质层上均设置有过孔5，通过过孔5连接形成平板电容器。
感应极板1和接地极板2采用导体制成；感应极板1和接地极板2对导体的厚度没有要求，感应极板1的尺寸和接地极板2的尺寸相同；在感应极板1和接地极板2的表面均涂有液态感光阻焊油墨防止导体层氧化，防止水汽侵蚀，防止溶剂腐蚀和外物擦伤。
介质层由多层FR4介质基板3拼接而成，尺寸与感应极板1和接地极板2的尺寸相同，多层拼接使得电容值便于调节，只需改变基板层数便可在大范围内调节电容值。
使用塑料柱穿过过孔5将感应极板1，接地极板2和FR4介质基板3连接在一起，使用塑料柱连接能够方便调节电容器天线的电容值。
由电阻定律R＝L/Sa可知，为了保证信号不被损伤，信号传输线6的长度小于等于10cm，横截面积应大于等于1mm2。
请参阅图2，有源电路板7包括依次连接的放大器、带通滤波器和电压跟随器。放大器用于对天线感应到的微弱电信号进行放大，放大器的放大倍数根据实际情况设计，然后利用带通滤波器去除放大后电信号的带外噪声，带宽为90～110KHz，在利用电压跟随器实现缓冲隔离，防止带通滤波器在负载变化时可能出现的自激振荡，将隔离后的电信号发送至罗兰C接收机。
天线本体对空间中的交变电场进行耦合，在感应极板1上感应出电荷，感应的电荷量与感应极板1的极板面积S成正比，信噪比随感应极板1极板面积的增大而增大，在条件允许的情况下，感应极板1的极板面积S尽可能的大。
感应极板1极板两端的电位差由感应极板1的电荷量Q和电容器的电容量C共同决定，电容量C＝εS/d，电容量C同样与S成正比，因此改变极板面积S无法调节电位差。
增大电位差的方法为增加感应极板1与接地极板2的间距d，间距d远小于极板的长和宽。产生的电位差进入有源电路进行滤波放大等处理后进入罗兰C接收机。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图2为本发明实例的有源电路框图，天线接收到的信号先经过放大器放大，放大倍数可根据实际需求调节，带通滤波器去除带外噪声，带宽为90KHz-110KHz，电压跟随器起着缓冲隔离的作用，防止带通滤波器在负载变化时可能出现的自激振荡。
图3为本发明实例远场接收罗兰C脉冲组的测试结果，测试地点距发射台200千米，接收到的罗兰C信号的台站脉冲组清晰，信号完整度较高，稳定性高，信号最大输出电压为1.26V，信噪比为28.98dB。证明该发明实例对罗兰C信号有良好的感应耦合能力。
图4为本发明实例远场接收罗兰C单个脉冲的测试结果，测试地点距发射台200千米，从测试结果看，罗兰C单个脉冲包络清晰完整，畸变较小。证明该发明实例具有良好的线性相位，在接收罗兰C信号时有较高的保真度。
综上所述，本发明一种基于电容器的罗兰C接收天线，性能稳定，信噪比高，接收到的信号包络清晰完整。且该天线无需接地，也不会因罗兰C信号传播方向不同而产生相位翻转。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于电容器的罗兰C接收天线，其特征在于，包括天线本体，天线本体为平板电容器，通过信号传输线（6）与有源电路板（7）连接，通过产生电位差进入有源电路板（7），有源电路板（7）用于对信号进行放大以及90~110KHz的带通滤波，天线本体包括感应极板（1），感应极板（1）的一侧经介质层与接地极板（2）连接，感应极板（1）、介质层和接地极板（2）上均开有天线过孔（5），介质层采用多层低介电常数低损耗的FR4介质基板（3）拼接组成，信号传输线（6）的长度小于等于10cm，信号传输线（6）的横截面积大于等于1mm2，感应极板（1）的尺寸和接地极板（2）的尺寸相同，多层FR4介质基板（3）的尺寸与感应极板（1）和接地极板（2）的尺寸相同。
2.根据权利要求1所述的基于电容器的罗兰C接收天线，其特征在于，感应极板（1）上设置有表面焊盘（4），有源电路板（7）通过信号传输线（6）与表面焊盘（4）连接。
3.根据权利要求1所述的基于电容器的罗兰C接收天线，其特征在于，过孔（5）内设置有塑料柱。
4.根据权利要求1所述的基于电容器的罗兰C接收天线，其特征在于，有源电路板（7）包括放大器，放大器的输入端与天线本体连接，输出端依次经带通滤波器、电压跟随器与罗兰C接收机连接。
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