不同調制方式下甚低頻發射天線系統效率研究*

黃金輝

(北京西三環中路19號 北京 100841)

1 引言

甚低頻天線系統效率一般指輸入信號為單頻信號諧振時的效率,僅反映諧振時的天線損耗特性,不能反映系統對調制信號的匹配特性。由于甚低頻發射天線屬于電小天線,天線系統Q值高,系統是一個窄帶系統[1～2],實際工作中天線輸入信號為MSK、FSK、ASK等調制信號,信號譜有一定的帶寬,對于調制信號甚低頻發射系統還存在失配損耗,天線系統效率不僅與天線的損耗特性有關,還與信號與天線系統的匹配程度有關,單頻工作時的系統效率不能等同于調制下的天線系統效率,所以需要研究不同調制方式下的甚低頻發射天線的系統效率。文中研究了甚低頻發射機工作于MSK、FSK、ASK不同調制方式、不同碼元速率情況下,甚低頻發射天線工作在不同載頻下的系統效率,為甚低頻發射系統調機[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射系統效率

甚低頻發射系統等效電路如圖1所示,Re為發射機等效內阻,La為天線調諧電感,Ras為線圈損耗電阻,天線等效為靜態電容 C0、等效電感L0及輻射電阻Rr相串聯,Rg為天線的損耗。

當發射機工作在載頻時,由于天線系統調諧于載頻,天線系統與發射機處于匹配狀態,信號能量從發射機出去后,不會有能量返回。此時天線系統的效率可以表示為

圖1 甚低頻發射系統等效電路

對于甚低頻天線系統,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載頻效率隨頻率的大致按 f1.2～f1.7增大。

3 不同調制方式下甚低頻發射系統效率

甚低頻發射天線系統帶寬較窄,尤其在頻率低端,天線帶寬只有幾十Hz,當發射系統工作于一定的調制方式時,由于信號占據一定的帶寬,就存在天線系統對信號失諧問題,因此天線系統的匹配效率低于100%,則在相同的天線載頻下,不同調制方式下的天線系統效率不同,應表示為

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

3.1 MSK調制方式下甚低頻發射系統效率

MSK 信號的功率譜密度[4～5]為

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

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

圖2 天線系統帶寬不同情況下輻射譜的變化

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

表1 不同B/fs時天線系統輻射MSK信號效率

3.2 OOK調制方式下甚低頻發射系統效率

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

式中,fc-fs和fc+fs分別對應OOK信號主瓣第一零點頻率,2fs為信號主瓣寬度,OOK信號中90%能量集中在主瓣。

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

表2 不同B/fs時天線系統輻射OOK信號效率

4 結語

在同一調制方式下,當甚低頻天線系統帶寬與碼元速率比值B/fs改變時,天線系統的匹配效率改變,則整個天線系統的輻射效率會隨B/fs的減小而減小,也就是當載頻不變時,天線帶寬不變時,天線系統的輻射效率隨碼元速率的提高而降低。

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

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[2]Watt A.D.甚低頻無線電工程[M].北京:國防工業出版社,1973

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