CN115425999B - 一种水下天线信号补偿放大装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种水下天线信号补偿放大装置，包括：VLF放大电路，由第一带通滤波器分离出射频信号中的VLF信号，经过VLF放大器放大至第一目标增益，并由第二带通滤波器再次分离出VLF信号后输出；HF放大电路，与所述VLF放大电路并联，由第一高通滤波器对射频信号中的HF信号进行高频段滤波，并经第一HF放大器放大后由低通滤波器对HF信号进行低频段滤波，以分离出HF信号；衰减器对HF信号进行衰减处理，并经第二HF放大器再次放大至第二目标增益，以及第二高通滤波器再次分离出HF信号后与VLF信号混合输出。其可以解决现有水下拖曳天线无VLF放大能力从而导致的纳伏级VLF接收系统信噪比降低，接收性能下降的问题。

Description

一种水下天线信号补偿放大装置及方法
技术领域
本申请涉及水下通信技术领域，更具体地，涉及一种水下天线信号补偿放大装置和一种水下天线信号补偿放大方法。
背景技术
水下平台在水下航行状态使用拖曳天线接收VLF和HF信号，接收天线与VLF和HF接收机分别位于水面和水下平台内部，两者间由数百米长的传输电缆相连。由于传输电缆对射频信号的衰减随频率增加而增加，为补偿接收天线与接收机之间的信号衰减，提高接收系统灵敏度和抗干扰能力，需要用到一种补偿放大的装置，同时对VLF和HF信号进行放大，并对HF信号进行频率补偿。
目前，现有技术均采用短波放大加频率补偿方式。例如美制系统VLF和HF频道共用一副接收天线，只对HF信号进行放大，由低通滤波器构成VLF通道，传输电缆为同轴电缆。俄制系统VLF和HF频道各用一副接收天线，只对HF信号进行放大，传输电缆为两对双绞线。由于俄制拖曳天线放大器的结构方式决定了俄制拖曳天线必须使用两对双绞线，从而导致了天线系统结构复杂。
上述美、俄制拖曳天线放大器均没有对VLF信号进行放大，这直接导致了VLF接收系统信噪比降低，接收性能下降。并且，如果用一个放大器同时放大HF和VLF信号，HF信号产生的互调产物将掩盖纳伏级的VLF信号，造成VLF接收信号性能下降。
发明内容
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种水下天线信号补偿放大装置，旨在解决现有水下拖曳天线无VLF放大能力从而导致的纳伏级VLF接收系统信噪比降低，接收性能下降的问题。
为实现上述目的，按照本发明的第一个方面，提供了一种水下天线信号补偿放大装置，包括：VLF放大电路，包括依次连接的第一带通滤波器、若干个VLF放大器和第二带通滤波器；其中，所述第一带通滤波器分离出射频信号中的VLF信号，经过所述VLF放大器放大至第一目标增益，并由所述第二带通滤波器再次分离出所述VLF信号后输出；HF放大电路，与所述VLF放大电路并联，包括依次连接的第一高通滤波器、第一HF放大器、低通滤波器、衰减器、第二HF放大器和第二高通滤波器；其中，所述第一高通滤波器对射频信号中的HF信号进行高频段滤波，并经所述第一HF放大器放大至第二目标增益后由所述低通滤波器对所述HF信号进行低频段滤波，以分离出所述HF信号；所述衰减器对所述HF信号进行衰减处理，并经所述第二HF放大器再次放大，以及所述第二高通滤波器再次分离出所述HF信号后与所述VLF信号混合输出。
在本发明的一个实施例中，所述第一带通滤波器和所述第二带通滤波器滤除所述射频信号中频率为10kHz以下及120kHz以上的杂波后得到所述VLF信号。
在本发明的一个实施例中，所述第一高通滤波器和所述第二高通滤波器滤除所述射频信号中频率为3MHz以下的杂波，以及所述第一低通滤波器滤除所述射频信号中频率为30MHz以上的杂波后得到所述HF信号。
在本发明的一个实施例中，所述第一带通滤波器、所述第二带通滤波器、所述第一高通滤波器和所述第二高通滤波器均为T型三～五阶巴特沃斯带通滤波器，所述低通滤波器为三～五阶椭圆函数滤波器。
在本发明的一个实施例中，所述HF放大电路还包括：频率补偿电路，连接于所述第二HF放大器和所述第二高通滤波器之间，用于对所述HF信号进行频率补偿。
在本发明的一个实施例中，所述HF放大电路还包括：第三HF放大器，设置于所述频率补偿电路和所述第二高通滤波器之间，用于将所述HF信号放大至所述第二目标增益。
在本发明的一个实施例中，所述第一带通滤波器由串联的电感L1、电容C7和并联的电感L2、电容C6构成T型结构，所述第二带通滤波器由串联的电感L6、电容C9和并联的电感L7、电容C11构成T型结构。
在本发明的一个实施例中，所述第一高通滤波器由电容C12、电感L8、电容C13构成T型结构，所述第二高通滤波器由电容C18、电感L14、电容C19构成T型结构，所述衰减器由电阻R6、R7、R8构成π型结构，所述频率补偿电路由电阻R9和电感L11并联、电容C20和电感L12串联再和电阻R10构成π型结构。
在本发明的一个实施例中，所述水下天线信号补偿放大装置还包括：放大器电源，由电源输入接口J3馈入，经过相互并联的电容C1和电容C2、相互并联的电容C3和电容C4，再和电感L3构成π型结构的电源滤波电路，为VLF放大电路和HF放大电路供电。
在本发明的一个实施例中，所述水下天线信号补偿放大装置还包括：相互反向并联的第一保护二极管D1和第二保护二极管D2，连接在天线输入接口J1和地之间，用于防止输入信号过载。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，至少能够取得下列有益效果：
通过在天线端分别对VLF信号和HF信号进行宽带滤波和低噪声放大处理，有效的消除了VLF和HF频段的带外干扰；通过设置频率补偿电路补偿了电缆损耗，提升了VLF和HF信号电平，降低了水下平台内噪声对VLF和HF信号的干扰，提高了VLF和HF接收系统的灵敏度和抗干扰能力；另外，通过多级信号放大器的设置解决了使用拖曳天线同时接收纳伏级VLF和微弱HF信号的问题，使水下平台具备了水下航行状态下接收VLF和HF信号功能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的水下天线信号补偿放大装置的结构框图；
图2为本申请实施例提供的水下天线信号补偿放大装置的具体电路示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
如图1所示，本申请实施例提出一种水下天线信号补偿放大装置，例如由VLF放大电路和HF放大电路两部分构成。
VLF放大电路和HF放大电路并联，其中，VLF放大电路例如包括串联的：第一带通滤波器、若干个VLF放大器和第二带通滤波器，所述第一、第二带通滤波器例如均为T型三～五阶巴特沃斯带通滤波器，若干个VLF放大器将VLF信号放大至第一目标增益。
具体的，天线输入接口通过耦合电容连接第一带通滤波器输入端，第一带通滤波器输出端连接第一VLF放大器输入端，第一VLF放大器输出端通过耦合电容连接第二VLF放大器输入端，第二VLF放大器输出端连接第二带通滤波器入端，第二带通滤波器输出端通过耦合电容连接信号输出接口。
HF放大电路例如包括串联的：第一高通滤波器、第一HF放大器、低通滤波器(LBQ)、衰减器、第二HF放大器和第二高通滤波器。其中，所述第一、第二高通滤波器例如为T型三～五阶巴特沃斯高通滤波器；所述低通滤波器例如为三～五阶椭圆函数滤波器。
在一个实施方式中，HF放大电路例如还包括频率补偿电路，连接于第二HF放大器和第二高通滤波器之间，用于对HF信号进行频率补偿。具体的，频率补偿电路例如为由电阻、电容和电感构成的混合π型网络，其中，电阻用于完成输入和输出端的阻抗匹配，电容和电感用于对HF频段低端频率进行衰减，通过电容和电感合理搭配使得频率补偿电路增益的幅频特性和传输电缆衰减的幅频特性基本相同。
在一个实施方式中，频率补偿电路和第二高通滤波器之间例如还设置第三HF放大器，将HF信号放大至第二目标增益。具体的，所述第一VLF放大器和第一HF放大器为低噪声放大器，噪声系数小于4dB，增益20±2dB；所述第二VLF放大器、第二HF放大器和第三HF放大器的1dB压缩点电平大于20dBm，增益20±2dB。
当然，在本申请的其它实施方式中，VLF放大器和HF放大器的数量可根据需要进行设置，其达到相应的目标增益即可，本申请并不以此为限制。
具体的，天线输入接口连接第一高通滤波器输入端，第一高通滤波器输出端连接第一HF放大器输入端，第一HF放大器输出端通过耦合电容连接第一低通滤波器输入端，第一低通滤波器输出端经过电阻网络构成的衰减器后，通过耦合电容连接第二HF放大器输入端，第二HF放大器输出端通过耦合电容连接频率补偿电路输入端，频率补偿电路输入端通过耦合电容连接第三HF放大器输出端，第三HF放大器输出端连接第二高通滤波器输入端相连，第二高通滤波器输出端连接信号输出接口。
本实施例提出的水下天线信号补偿放大装置例如安装于水下拖曳天线内部，其输入端与漂浮天线相连，输出端通过漂浮电缆与水下平台内VLF和HF信号接收设备连接，将漂浮天线接收的微弱VLF和HF信号放大后送给漂浮传输电缆，以补偿电缆传输时带来的信号衰减。其实现原理如下：
由VLF和HF宽带漂浮天线来的射频信号通过天线输入接口进入第一高通滤波器和第一带通滤波器，由第一高通滤波器和第一带通滤波器对VLF和HF信号进行分离；其中，HF信号通过第一高通滤波器，经第一高通滤波器滤除3MHz以下杂波后由第一HF放大器进行放大，放大后的HF信号进入第一低通滤波器，再经第一低通滤波器滤除30MHz以上杂波后由第二HF放大器进行第二次放大，放大后的HF信号进入频率补偿电路，由频率补偿电路对HF信号的低端进行压缩，经频率补偿电路处理过的HF信号进入第三HF放大器，由第三HF放大器放大后进入第二高通滤波器，最终通过第二高通滤波器由信号输出接口输出；其中，VLF信号通过第一带通滤波器，经第一带通滤波器滤除10kHz以下及120kHz以上杂波后依次进入第一和第二VLF放大器进行两次放大，放大后的VLF信号进入第二带通滤波器，最终通过第二带通滤波器由信号输出接口输出。
如此一来，通过在天线端分别对VLF和HF信号进行宽带滤波和低噪声放大、有效的消除了VLF和HF频段的带外干扰；通过设置频率补偿电路补偿了电缆损耗，提升了VLF和HF信号电平，降低了水下平台内噪声对VLF和HF信号的干扰，提高了VLF和HF接收系统的灵敏度和抗干扰能力；另外，通过多级信号放大器的设置解决了使用拖曳天线同时接收纳伏级VLF和微弱HF信号的问题，使水下平台具备了水下航行状态下接收VLF和HF信号功能。
进一步的，水下天线信号补偿放大装置的具体电路如图2所示，VLF放大电路包括串联连接的第一带通滤波器、第一VLF放大器IC1、第二VLF放大器IC2和第二带通滤波器，第一带通滤波器由电感L1、电容C7和并联的电感L2、电容C6构成T型结构，第二带通滤波器由电感L6、电容C9和并联的电感L7、电容C11构成T型结构。
天线输入接口J1通过耦合电容C5连接第一带通滤波器输入端，第一带通滤波器输出端连接第一VLF放大器IC1输入端，第一VLF放大器IC1输出端通过耦合电容C8连接第二VLF放大器IC2输入端，第二VLF放大器IC2输出端连接第二带通滤波器入端，第二带通滤波器输出端通过耦合电容C10连接信号输出接口J2。
HF放大电路包括串联连接的第一高通滤波器、第一HF放大器IC3、低通滤波器LBQ、衰减器、第二HF放大器IC4、频率补偿电路、第三HF放大器IC5和第二高通滤波器，第一高通滤波器由电容C12、电感L8、电容C13构成T型结构，第二高通滤波器由电容C18、电感L14、电容C19构成T型结构，衰减器由电阻R6、R7、R8构成π型结构，频率补偿电路由电阻R9和电感L11并联、电容C20和电感L12串联再和电阻R10构成π型结构；天线输入接口J1连接第一高通滤波器输入端，第一高通滤波器输出端连接第一HF放大器IC3输入端，第一HF放大器IC3输出端通过耦合电容C14连接第一低通滤波器LBQ输入端，第一低通滤波器LBQ输出端直接连接衰减器输入端，衰减器输出端通过耦合电容C15连接第二HF放大器IC4输入端，第二HF放大器IC4输出端通过耦合电容C16连接频率补偿电路输入端，频率补偿电路输出端通过耦合电容C17连接第三HF放大器IC5输入端，第三HF放大器IC5输出端连接第二高通滤波器输入端，第二高通滤波器输出端连接信号输出接口J2。
在一个实施方式中，放大器电源例如由电源输入接口J3馈入，经过电容C1和C2并联、电容C3和C4并联，再和电感L3构成π型结构的电源滤波电路，为VLF放大电路和HF放大电路供电。偏流电阻R1和扼流圈L4串联、偏流电阻R2和扼流圈L5串联、偏流电阻R3和扼流圈L9串联、偏流电阻R4和扼流圈L10串联、偏流电阻R5和扼流圈L13串联，分别为第一VLF放大器IC1、第二VLF放大器IC2、第一HF放大器IC3、第二HF放大器IC4、第三HF放大器IC5提供直流电流。
进一步的，例如还通过第一保护二极管D1和第二保护二极管D2反向并联，连接在天线输入接口J1和地之间，防止输入信号过载。其中，第一VLF放大器IC1、第一HF放大器IC3例如采用MSA-0611；第二VLF放大器IC2、第二HF放大器IC4、第三HF放大器IC5例如采用ADA-4743；第一保护二极管D1和第二保护二极管D2例如采用1N4007；天线输入接口J1、信号输出接口J2例如采用同轴连接器SMA-50KF；电源输入接口J3例如采用矩形插座DIP2。
VLF和HF混合信号由天线输入接口J1端口馈入，经C12、C13、L8组成的第一高通滤波器和C5、C6、L1、L2组成的第一带通滤波器完成VLF和HF混合信号的分离，其中，C12对VLF信号呈现高阻；L1对HF信号呈现高阻。VLF一路信号由第一VLF放大器IC1、第二VLF放大器IC2进行放大。HF一路信号由第一HF放大器IC3、第二HF放大器IC4、第三HF放大器IC5进行放大，第一、第二HF放大器之间插入30MHz第一低通滤波器LBQ和衰减器，第二、第三HF放大器之间插入由R9、R10、C20、L11、L12组成的RLC频率补偿电路以对HF信号低端进行压缩。放大后的两路VLF和HF信号经C18、C19、L14组成的第二高通滤波器和C9、C11、L6、L7组成的第二带通滤波器完成合成，其中，C10对VLF信号呈现高阻；L6对HF信号呈现高阻。合成后信号由信号输出接口J2端口输出。
以上所述者，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水下天线信号补偿放大装置，其特征在于，包括：
VLF放大电路，包括依次连接的第一带通滤波器、若干个VLF放大器和第二带通滤波器；
其中，所述第一带通滤波器分离出射频信号中的VLF信号，经过所述VLF放大器放大至第一目标增益，并由所述第二带通滤波器再次分离出所述VLF信号后输出；
HF放大电路，与所述VLF放大电路并联，包括依次连接的第一高通滤波器、第一HF放大器、低通滤波器、衰减器、第二HF放大器和第二高通滤波器；
其中，所述第一高通滤波器对射频信号中的HF信号进行高频段滤波，并经所述第一HF放大电路放大后由所述低通滤波器对所述HF信号进行低频段滤波，以分离出所述HF信号；
所述衰减器对所述HF信号进行衰减处理，并经所述第二HF放大器再次放大至第二目标增益，以及所述第二高通滤波器再次分离出所述HF信号后与所述VLF信号混合输出。
2.根据权利要求1所述的水下天线信号补偿放大装置，其特征在于，所述第一带通滤波器和所述第二带通滤波器滤除所述射频信号中频率为10kHz以下及120kHz以上的杂波后得到所述VLF信号。
3.根据权利要求1所述的水下天线信号补偿放大装置，其特征在于，所述第一高通滤波器和所述第二高通滤波器滤除所述射频信号中频率为3MHz以下的杂波，以及所述低通滤波器滤除所述射频信号中频率为30MHz以上的杂波后得到所述HF信号。
4.根据权利要求1所述的水下天线信号补偿放大装置，其特征在于，所述第一带通滤波器、所述第二带通滤波器均为T型三～五阶巴特沃斯带通滤波器，所述低通滤波器为三～五阶椭圆函数滤波器。
5.根据权利要求1所述的水下天线信号补偿放大装置，其特征在于，所述HF放大电路还包括：频率补偿电路，连接于所述第二HF放大器和所述第二高通滤波器之间，用于对所述HF信号进行频率补偿。
6.根据权利要求5所述的水下天线信号补偿放大装置，其特征在于，所述HF放大电路还包括：第三HF放大器，设置于所述频率补偿电路和所述第二高通滤波器之间，用于将所述HF信号放大至所述第二目标增益。
7.根据权利要求1所述的水下天线信号补偿放大装置，其特征在于，所述第一带通滤波器由串联的电感L1、电容C7和并联的电感L2、电容C6构成T型结构，所述第二带通滤波器由串联的电感L6、电容C9和并联的电感L7、电容C11构成T型结构。
8.根据权利要求6所述的水下天线信号补偿放大装置，其特征在于，所述第一高通滤波器由电容C12、电感L8、电容C13构成T型结构，所述第二高通滤波器由电容C18、电感L14、电容C19构成T型结构，所述衰减器由电阻R6、R7、R8构成π型结构，所述频率补偿电路由电阻R9和电感L11并联、电容C20和电感L12串联再和电阻R10构成π型结构。
9.根据权利要求1所述的水下天线信号补偿放大装置，其特征在于，还包括：放大器电源，由电源输入接口J3馈入，经过相互并联的电容C1和电容C2、相互并联的电容C3和电容C4，再和电感L3构成π型结构的电源滤波电路，为VLF放大电路和HF放大电路供电。
10.根据权利要求1所述的水下天线信号补偿放大装置，其特征在于，还包括：相互反向并联的第一保护二极管D1和第二保护二极管D2，连接在天线输入接口J1和地之间，用于防止输入信号过载。
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