CN219871794U - 一种长波定位导航授时的超低噪声有源电小天线差分接收装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种长波定位导航授时的超低噪声有源电小天线差分接收装置，包括电小天线，与电小天线电连接的前置放大电路，与前置放大电路电连接的调谐电路，与调谐电路电连接的差分放大电路。本发明所公开的接收装置使用电小天线进行长波定位导航授时信号的接收，实现了常规甚低频长波接收电天线的小型化，结构简单，性能可靠，便于量产，可作为长波接收机的标准化配件。泛化能力强，经过放大电路的调谐功能，能够适用于不同频率长波信号的接收放大。
Description
技术领域
本实用新型属于定位导航授时装置领域，特别涉及该领域中的一种长波定位导航授时的超低噪声有源电小天线差分接收装置，用于长波定位导航授时(PNT)信号的差分接收。
背景技术
定位导航授时(PNT)体系即由定位(Positioning)、导航(Navigation)、授时(Timing)组成的时空体系，是人类得以在纷繁信息中准确描述时间和空间的关键技术。主流的PNT体系按照技术分类分为两大类：卫星定位导航系统和长波无线电定位导航系统。卫星导航定位系统定位精度较高，现已成为PNT体系的主流系统，例如中国的北斗定位导航系统和美国的GPS定位导航系统。但其抗干扰性存在严重不足，在现代化战争中极易被敌方摧毁卫星或干扰通信链路。
为了弥补卫星定位导航系统的先天不足，采用甚低频长波(100KHz)无线电定位导航系统作为卫星定位导航系统的战略备份。长波无线电定位导航系统主要原理是通过测量陆基无线电导航台发射信号的时间、相位、幅度、频率等参量，确定运动载体相对于导航台的方位、距离等参数，实现对运动载体的定位导航授时。目前国内外使用的长波无线电定位导航授时系统均为罗兰-C(Loran-C)系统，构成PNT体系的另一主要系统。
长波定位导航授时系统的关键技术在于接收机对长波无线电信号的接收和处理能力。在长波无线电信号接收方面，常规的电偶极子天线尽管实现了天线全向性，但抗干扰能力不足，信噪比低，尺寸大，安装困难，便携性差。
实用新型内容
本实用新型为了解决常规长波接收天线尺寸较大，抗干扰能力不足，信噪比低的问题，提供一种长波定位导航授时的超低噪声有源电小天线差分接收装置。
本实用新型采用如下技术方案：
一种长波定位导航授时的超低噪声有源电小天线差分接收装置，其改进之处在于：包括电小天线，与电小天线电连接的前置放大电路，与前置放大电路电连接的调谐电路，与调谐电路电连接的差分放大电路。
进一步的，电小天线采用FR—4基材的双面覆铜梯形印制板，印制板周围有6个导通孔将双面铜箔导通。
进一步的，电小天线天线罩材质的介电常数ε≤5。
进一步的，电小天线天线罩选取ε＝2～3的玻璃钢材质。
进一步的，前置放大电路采用两级级联放大的拓扑结构，第一级放大电路采用结型场效应管，第二级放大电路采用NPN型三极管。
进一步的，调谐电路为电感电容串联谐振电路，其中一个电容是可调电容，其电容值范围为22pF～33pF。
进一步的，差分放大电路的增益G＝24dB。
一种设计方法，用于设计上述的接收装置，其改进之处在于，包括如下步骤：
步骤1，根据甚低频长波频段电磁场特性，设计合适尺寸的电小天线；
步骤2，选用超低噪声系数的结型场效应管和NPN型三极管组成两级串联前置放大电路；
步骤3，根据工作频率设计调谐电路；
步骤4，设计差分放大电路，提高长线传输抗干扰能力。
本实用新型的有益效果是：
对于长波定位导航授时信号的接收，相比于传统的电天线接收装置，本发明所公开的接收装置使用电小天线进行长波定位导航授时信号的接收，实现了常规甚低频长波接收电天线的小型化，结构简单，性能可靠，便于量产，可作为长波接收机的标准化配件。泛化能力强，经过放大电路的调谐功能，能够适用于不同频率长波信号的接收放大。
前置放大电路采用的超低噪声结型场效应管，能够有效降低系统噪声，实现噪声性能的最优化。调谐电路(可调谐振电路)能够实现有用信号的谐振滤波，进一步提高系统信噪比。差分放大电路能够将单端信号转为差分信号进行长线传输，并有效抑制外界共模电磁干扰。
本实用新型所公开的设计方法，思路清晰，可操作性强。
附图说明
图1是电小天线的结构尺寸图；
图2是前置放大电路原理图；
图3是调谐电路的各元件参数图；
图4是差分放大电路原理图；
图5(a)是原始信号时域波形图；
图5(b)是原始信号频谱图；
图6是接收机解码数据图；
图7是本发明所公开设计方法的实现流程图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。
实施例1，本实施例针对长波定位导航授时信号的接收公开了一种长波定位导航授时的超低噪声有源电小天线差分接收装置，包括电小天线(长波)，与电小天线电连接的前置放大电路，与前置放大电路电连接的调谐电路，与调谐电路电连接的差分放大电路。
电小天线的设计主要考虑两个方面：电小天线尺寸和天线罩材质选择。
电小天线尺寸：为了便于批量制作并易于安装固定，电小天线采用FR—4基材的双面覆铜梯形印制板实现，印制板周围有6个导通孔(Φ＝1.27mm)将双面铜箔导通，其尺寸结构如图1所示。其中宽度L1＝30mm，宽度L2＝60mm，高度H1＝170mm，高度H2＝30mm，板厚2mm。对于甚低频长波(频率100KHz)电磁波来说，空气中波长约为3000米。该天线总高度H＝H1+H2＝200mm<<3000米，符合电小天线标准。
天线罩材质选择：根据电磁波在不同理想介质中传播的边界条件，经计算可得电小天线天线罩材质的介电常数ε≤5较合适，最终选取ε＝2～3的玻璃钢材质天线罩。
根据下式(1)可知，接收机系统的整机噪声性能主要取决于前置放大电路的噪声性能。
要实现该超低噪声接收装置，需实现超低噪声的前置放大电路。
如图2所示，前置放大电路采用两级级联放大的拓扑结构实现，经过筛选比较，第一级放大电路采用超低噪声的结型场效应管2SK3557，噪声系数典型值为1dB；第二级放大电路采用NPN型三极管BC846，噪声系数典型值为2dB。二者级联可实现超低噪声的前置放大电路。图2中Attena处为来自于电小天线的接收信号，A1处为前置放大电路的输出信号。
前置放大电路的工作带宽为0～1MHz，不具有调谐滤波能力。由于该接收装置工作在甚低频长波100KHz，需要利用调谐电路提高整体的信噪比。调谐电路形式为电感电容串联谐振电路，根据中心频率100KHz计算，可得谐振电路及各元件参数如图3所示。
由于线路分布参数影响，理论计算的元件参数值与实际适用的元件参数值会有微小差别。为了便于灵活调整谐振电路的谐振频率，将C1设置为可调电容，用于中心频率的微调。其电容值范围为22pF～33pF。
本实施例的超低噪声有源电小天线差分接收装置作为一个整机，须架设在户外或操作仓外空旷处且保证良好接地，数字信号处理机箱一般置于室内或操作仓内，二者距离较远。长线传输过程中，为抑制外界共模形式电磁干扰，将有用信号经过差分放大电路由单端形式转为差分形式，再进行长线传输。差分放大电路增益G＝24dB，原理如图4所示。
将设计调试完成的超低噪声有源电小天线差分接收装置按要求安装在室外进行测试，用来接收中国境内不同罗兰导航台站产生的信号，原始信号时域波形如图5(a)所示，原始信号频谱如图5(b)所示，解码后数据如图6所示，其中台标0001代表西安BPL授时台。
该接收装置可准确接收长波定位导航授时信号，结合电磁波远场传播特性及数字信号处理算法，可实现长波定位导航授时(PNT)功能。与常规长波电天线相比，具有天线结构简单、尺寸小型化、电路噪声低的优势。
本实施例还公开了一种设计方法，用于设计上述的接收装置，如图7所示，包括如下步骤：
步骤1，根据甚低频长波频段电磁场特性，设计合适尺寸的电小天线；
步骤2，选用超低噪声系数的结型场效应管和NPN型三极管组成两级串联前置放大电路；
步骤3，根据工作频率设计调谐电路，在前置放大电路后级对电小天线特定工作频段进行调谐；
步骤4，设计差分放大电路作为末级，提高长线传输抗干扰能力。
Claims (7)
1.一种长波定位导航授时的超低噪声有源电小天线差分接收装置，其特征在于：包括电小天线，与电小天线电连接的前置放大电路，与前置放大电路电连接的调谐电路，与调谐电路电连接的差分放大电路。
2.根据权利要求1所述长波定位导航授时的超低噪声有源电小天线差分接收装置，其特征在于：电小天线采用FR—4基材的双面覆铜梯形印制板，印制板周围有6个导通孔将双面铜箔导通。
3.根据权利要求1所述长波定位导航授时的超低噪声有源电小天线差分接收装置，其特征在于：电小天线天线罩材质的介电常数ε≤5。
4.根据权利要求3所述长波定位导航授时的超低噪声有源电小天线差分接收装置，其特征在于：电小天线天线罩选取ε=2~3的玻璃钢材质。
5.根据权利要求1所述长波定位导航授时的超低噪声有源电小天线差分接收装置，其特征在于：前置放大电路采用两级级联放大的拓扑结构，第一级放大电路采用结型场效应管，第二级放大电路采用NPN型三极管。
6.根据权利要求1所述长波定位导航授时的超低噪声有源电小天线差分接收装置，其特征在于：调谐电路为电感电容串联谐振电路，其中一个电容是可调电容，其电容值范围为22pF~33pF。
7.根据权利要求1所述长波定位导航授时的超低噪声有源电小天线差分接收装置，其特征在于：差分放大电路的增益G=24dB。
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