基于组合天线的接收系统实现

 

　　浮标通信技术是在传统的无线通信技术的基础上发展起来的。自从应用于对潜通信后，浮标通信便开始广泛运用于各国的军事通信中。但是，目前的浮标通信基本还是采用单一的全向天线来实现电磁波的接收，由于浮标一般放置在海平面上，容易受到海浪及潮汐的干扰，很容易使天线发生旋转，有时甚至会发生侧翻或者倒置现象，而传统的全向天线又无法实现信号的可靠接收。为了避免这种现象的发生，本文提出了一种组合天线的设计方法。该组合天线包含两种天线单元：一种为鞭状天线，此天线能够接收水平场的电磁波;另一种为磁感应天线，此天线能够接收垂直电场的电磁波。通过两种天线的组合并利用选频电路和高频放大电路，即可实现信号的可靠接收。

　　1 组合天线设计

　　1.1 鞭状天线

　　鞭状天线又称为接地单极子天线。单极子垂直于地面，把地面假设为理想导体，地的影响可以用其镜像代替，并且仅在地面上半空间存在电磁场。单极地馈天线可以等效为偶极子天线。在浮标通信中，一般把浮标筒表面假设为理想导体。其鞭状天线模型如图1所示。

　　

 

　　鞭状天线与偶极子天线相比，其波瓣方向朝行波方向倾斜，最大辐射方向偏了25°，半功率波束宽度由78°减小到60°。同时，与偶极子天线相比，两种天线的上半空间方向函数和方向图相同，同时极化特性、频带特性等都相同。但是，鞭状天线的输入阻抗是偶极子天线的一半，原因主要是激励电压减半而激励电流不变。同时鞭状天线的方向系数是偶极子天线的两倍，且因为场强不变而辐射功率减半，即只在半空间辐射，因此损耗电阻大，辐射效率低。鞭状天线的远场分量Eθ的计算式如下：

　　

 

　　本设计采用的鞭状天线长度H为30cm，接收电磁波频率为1.8MHz。经计算可得，鞭状天线的方向性为4.80左右，绝对增益能够达到6dB。通过电磁波的场强分析，此增益基本能够满足远程无线遥控系统的信号接收。

　　1.2 磁感应天线

　　磁感应天线又称为电小环天线，环形天线分为圆环和方环两种。本设计的电小环天线为圆环天线，且尺寸远小于波长，因此，相同面积的方环或圆环都具有相同的远场波瓣图。磁感应天线的场分量的计算式如下：

　　

 

　　与对偶极子天线相比，偶极子天线含有虚数因子，而环天线则没有，这说明了偶极子天线和环天线在相同的电流馈电下，所辐射的场在时间上正交，这也是两者的最大区别。因此，环天线适用于水平方式布置取向，而偶极子天线一般采取平行于z轴取向。这亦符合天线长度远小于波长的要求，即天线尺寸对波长趋近于零。表1所列是环天线与偶极子天线的远场比较。