甚低頻發(fā)信系統(tǒng)工作性能仿真研究

凌佳俊，董穎輝，徐洪強(qiáng)

(1．海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033; 2．中船重工集團(tuán)公司第七十二研究所，湖北 武漢 430079)

甚低頻發(fā)信系統(tǒng)工作性能仿真研究

凌佳俊1，董穎輝1，徐洪強(qiáng)2

(1．海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033; 2．中船重工集團(tuán)公司第七十二研究所，湖北 武漢 430079)

針對(duì)甚低頻發(fā)信系統(tǒng)工作性能的研究，建立了甚低頻發(fā)信系統(tǒng)仿真模型，利用模型對(duì)甚低頻電子管發(fā)信系統(tǒng)工作在假負(fù)載模式、天線模式、固定調(diào)諧方式及動(dòng)態(tài)調(diào)諧方式分別進(jìn)行了仿真計(jì)算，分析了不同方式、不同載頻及不同碼元速率下的系統(tǒng)傳輸性能。計(jì)算結(jié)果表明甚低頻發(fā)射天線動(dòng)態(tài)調(diào)諧系統(tǒng)具有比固定調(diào)諧方式傳輸效率高，系統(tǒng)允許的信息傳輸速率可得到大幅提高。

甚低頻通信；動(dòng)態(tài)調(diào)諧；輸出功率；天線帶寬

0 引言

甚低頻天線規(guī)模巨大，但與波長相比仍為電小天線，電小天線輸入容抗大、電阻小，天線Q值高，天線固有帶寬窄，通信容量小，通信速率低，是限制對(duì)潛通信保障能力提高的一個(gè)重要因素。甚低頻發(fā)信系統(tǒng)包括發(fā)信機(jī)功放、匹配網(wǎng)絡(luò)、調(diào)諧系統(tǒng)及天線等，文獻(xiàn)［1］中僅研究了通過動(dòng)態(tài)調(diào)諧的方式來提高甚低頻發(fā)信天線帶寬的方式，沒有考慮發(fā)信機(jī)匹配網(wǎng)絡(luò)及調(diào)諧系統(tǒng)對(duì)調(diào)諧性能的影響，本文對(duì)電子管發(fā)信機(jī)匹配網(wǎng)絡(luò)和天線調(diào)諧系統(tǒng)進(jìn)行了整體動(dòng)態(tài)調(diào)諧下的研究，并對(duì)甚低頻發(fā)信系統(tǒng)工作在固定載頻調(diào)諧方式與動(dòng)態(tài)調(diào)諧方式的性能進(jìn)行了仿真計(jì)算。

1 甚低頻電子管發(fā)信系統(tǒng)組成

甚低頻電子管發(fā)信系統(tǒng)由發(fā)射機(jī)功放、匹配網(wǎng)絡(luò)、耦合網(wǎng)絡(luò)、天線調(diào)諧系統(tǒng)和天線等組成，固定調(diào)諧下的等效電路如圖1所示，電子管功放工作于丙類狀態(tài)、匹配網(wǎng)絡(luò)和耦合網(wǎng)絡(luò)由π—Г網(wǎng)絡(luò)組成，主要起到阻抗變換和濾波的作用。由高頻功率放大器的原理可知，計(jì)算放大器的首要任務(wù)是求出功放的板流ia和柵流ig，以及簾柵流ig2的波形，這樣就可以利用諧波分析、板回路和柵回路的能量關(guān)系來計(jì)算板流、簾柵流的直流分量和基波分量，計(jì)算放大器的輸出功率、耗散功率和效率等。

圖1 甚低頻電子管發(fā)信系統(tǒng)等效電路圖

如把電子管等效為一個(gè)電壓源和一個(gè)電阻串聯(lián)，電子管用具有電動(dòng)勢μUg和內(nèi)阻Ri的電源來代替。用這個(gè)等效電路，如果電子管工作在線性區(qū)域，則μ和Ri為常量，用此等效電路進(jìn)行計(jì)算是可行的。若工作在非線性區(qū)域，則μ和Ri是時(shí)變的，用這個(gè)等效電路進(jìn)行計(jì)算就很困難。由于主要關(guān)心的是電子管工作在非線性區(qū)的板流輸出和簾柵流，因此就設(shè)想把諧振功率放大器的電子管等效為非線性電流源。

非線性的電流源ia，其中包含了電子管工作在線性區(qū)的μ和Ri恒定的性質(zhì)，也包含了當(dāng)電子管工作在非線性區(qū)時(shí)的μ和Ri的時(shí)變特性，ia是柵極電壓ug和板極電壓ua的函數(shù)。這樣就不必通過μ和Ri來對(duì)電子管的各種工作狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。

2 甚低頻電子管發(fā)信系統(tǒng)仿真

通過對(duì)某甚低頻發(fā)射機(jī)電路進(jìn)行研究后，對(duì)其高頻放大部分建立了電路的數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)出一套仿真軟件，它不但能夠?qū)﹄娐愤M(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，而且還可進(jìn)行瞬態(tài)分析，如圖2所示。

圖2 甚低頻發(fā)射系統(tǒng)功放、匹配網(wǎng)絡(luò)及天線仿真界面

不論是調(diào)機(jī)過程，還是最終調(diào)好后的電流表、電壓表及功率表中的仿真計(jì)算值，與實(shí)際發(fā)射機(jī)的實(shí)測結(jié)果基本一致，并且可從該仿真軟件中得到機(jī)器面板上所沒有的一些機(jī)器特性，例如負(fù)載阻抗、天線阻抗及天線電流的準(zhǔn)確值等，從這些信息可以知道整個(gè)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)工作在諧振和失諧情況下狀態(tài)，因此可以利用該仿真軟件掌握甚低頻發(fā)信機(jī)工作于固定調(diào)諧和動(dòng)態(tài)調(diào)諧方式下的電路參數(shù)，可以從這些參數(shù)上來比較固定調(diào)諧和動(dòng)態(tài)調(diào)諧方式下的性能好壞。

3 甚低頻電子管發(fā)信系統(tǒng)性能分析

甚低頻發(fā)信系統(tǒng)工作時(shí)，往往都是使系統(tǒng)調(diào)諧于載頻f0上，由于甚低頻發(fā)信天線帶寬在頻率低端很窄，因此都是利用頻帶利用率較高的MSK調(diào)制方式。工作在MSK調(diào)制方式時(shí)，在一定的碼元速率fs下，“傳號(hào)”頻率f1和“空號(hào)”頻率f2分別與載頻f0相差±fs/4，且碼元速率越高，偏離載頻的程度越嚴(yán)重，利用仿真軟件定量分析當(dāng)系統(tǒng)工作于固定調(diào)諧方式下時(shí)匹配網(wǎng)絡(luò)失諧及天線失諧對(duì)整個(gè)發(fā)信機(jī)系統(tǒng)性能的影響。

3.1 固定調(diào)諧方式下匹配網(wǎng)絡(luò)性能分析

為了衡量П－Г型匹配網(wǎng)絡(luò)工作在不同速率下對(duì)系統(tǒng)性能的影響，使發(fā)射機(jī)系統(tǒng)接假負(fù)載進(jìn)行工作，假負(fù)載是一個(gè)寬帶化的電阻器件，頻率變化時(shí)假負(fù)載不做變化，即如圖1中開關(guān)接在1的位置，此時(shí)系統(tǒng)接假負(fù)載工作。當(dāng)激勵(lì)大小相同的條件下，載頻不同時(shí)，仿真計(jì)算出不同碼元速率下的系統(tǒng)性能，計(jì)算結(jié)果如表1所示。發(fā)射機(jī)接假負(fù)載時(shí)不同載頻、不同碼元速率時(shí)的輸出功率曲線如圖3所示。

表1 發(fā)射機(jī)接假負(fù)載時(shí)不同載頻、不同碼元速率時(shí)輸出功率

圖3 發(fā)射機(jī)接假負(fù)載時(shí)不同載頻、不同碼元速率時(shí)的輸出功率曲線

從表1和圖3可以看出，在載頻相同情況下，隨著碼元速率的提高，由于系統(tǒng)失諧越嚴(yán)重，輸出功率越來越小，但輸出功率變化并不大，且載頻越高，隨碼元速率的提高輸出功率變化越小，說明該П－Г型匹配網(wǎng)絡(luò)在整個(gè)甚低頻工作頻段對(duì)400 bit/s以下的碼元速率都是寬帶的，匹配網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率可以做到97%以上，因此對(duì)系統(tǒng)傳輸性能的影響可以忽略不計(jì)。

3.2 固定調(diào)諧方式下發(fā)射系統(tǒng)性能分析

當(dāng)圖1中開關(guān)接在2的位置時(shí)，此時(shí)假負(fù)載斷開，接天線工作。當(dāng)激勵(lì)相同的條件下，計(jì)算出載頻不同，碼元速率不同下的系統(tǒng)輸出功率，計(jì)算結(jié)果如表2所示。固定調(diào)諧下不同載頻、不同碼元速率時(shí)的輸出功率曲線如圖4所示。

表2 發(fā)射機(jī)接天線時(shí)不同載頻、不同碼元速率時(shí)輸出功率

圖4 固定調(diào)諧下不同載頻、不同碼元速率時(shí)的輸出功率曲線

從表2和圖4可以看出，在同一載頻下，碼元速率越大，發(fā)射系統(tǒng)對(duì)“傳號(hào)”及“空號(hào)”頻率失諧越嚴(yán)重，則輸出功率越小，系統(tǒng)傳輸效率越低，尤其是在頻率低端，天線Q值高，帶寬窄，碼元速率不能很高，否則反射回發(fā)射機(jī)功放的能量會(huì)很大，對(duì)功放造成損害，由于甚低頻發(fā)信機(jī)功率大，因此對(duì)傳輸效率的要求較高，若傳輸效率不能低于95%，則載頻為15 kHz時(shí)通信速率最高只能為50 bit/s，因此對(duì)于固定調(diào)諧方式的甚低頻發(fā)信系統(tǒng)在頻率低端速率很低。

3.3 動(dòng)態(tài)調(diào)諧方式下發(fā)射系統(tǒng)性能分析

動(dòng)態(tài)調(diào)諧方式即在天線回路的調(diào)諧電感Lt合適的位置上并聯(lián)一個(gè)小電感Lt1，通過開關(guān)K1來控制Lt1的接入或斷開，K1斷開時(shí)天線回路諧振于頻率f1，K1閉合時(shí)天線回路諧振于頻率f2，K1由激勵(lì)器的鍵控信號(hào)來實(shí)時(shí)控制，使天線實(shí)時(shí)諧振于“空號(hào)”與“傳號(hào)”頻率上。當(dāng)激勵(lì)相同，計(jì)算出載頻不同、碼元速率不同下的系統(tǒng)輸出功率，計(jì)算結(jié)果如表3所示。動(dòng)態(tài)調(diào)諧下不同載頻、不同碼元速率時(shí)的輸出功率曲線如圖5所示。

表3 動(dòng)態(tài)調(diào)諧下發(fā)射機(jī)接天線時(shí)不同載頻、不同碼元速率時(shí)輸出功率

圖5 動(dòng)態(tài)調(diào)諧下不同載頻、不同碼元速率時(shí)的輸出功率曲線

從表3和圖5可以看出，采用動(dòng)態(tài)調(diào)諧方式時(shí)，在頻率低端系統(tǒng)的傳輸效率比固定調(diào)諧方式得到了大幅提高，載頻為15 kHz時(shí)，通信速率為50 bit/s、100 bit/s時(shí)系統(tǒng)的傳輸效率接近100%，通信速率為200 bit/s時(shí)系統(tǒng)的傳輸效率達(dá)到了98%以上，因此采用動(dòng)態(tài)調(diào)諧后頻率低端的通信速率比固定調(diào)諧方式可以得到大幅提高，對(duì)于傳輸效率95%的要求，在甚低頻通信中可以做到低頻端的通信速率達(dá)到200 bit/s以上。

甚低頻動(dòng)態(tài)調(diào)諧發(fā)射系統(tǒng)等效電路圖如圖6所示。

圖6 甚低頻動(dòng)態(tài)調(diào)諧發(fā)射系統(tǒng)等效電路圖

4 結(jié)束語

通過建立甚低頻發(fā)信系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，對(duì)甚低頻電子管發(fā)信系統(tǒng)工作在固定調(diào)諧方式和動(dòng)態(tài)調(diào)諧方式下的系統(tǒng)輸入輸出性能進(jìn)行了仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，在400 bit/s以下碼元速率甚低頻發(fā)信系統(tǒng)中的匹配網(wǎng)絡(luò)可以認(rèn)為是寬帶的，影響系統(tǒng)傳輸性能的主要因素是天線系統(tǒng)的帶寬，當(dāng)天線工作在固定調(diào)諧方式時(shí)，由于在頻率低端天線較窄，因此在頻率低端甚低頻發(fā)信系統(tǒng)的傳輸效率較低，系統(tǒng)的傳輸速率得不到提高，而當(dāng)天線工作在動(dòng)態(tài)調(diào)諧方式時(shí)，天線的固有帶寬并沒有改變，但是天線的有效帶寬得到了提高，因此系統(tǒng)的傳輸效率得到了有效提高，使得甚低頻發(fā)信系統(tǒng)的信息傳輸速率得到大幅提高，在頻率低端信息速率可以達(dá)到200 bit/s，從而使得甚低頻發(fā)信系統(tǒng)在頻率低端的通信保障能力可提高到固定調(diào)諧方式下的4倍以上。

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Performance Simulation of VLF Transmitting System

LING Jia-jun1，DONG Ying-hui1，XU Hong-qiang2
(1．College of Electronic Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan Hubei 430033，China; 2．China Shipbuilding Industry Corporation，Seven Hundred Twenty－two，Wuhan Hubei 430079，China)

For the performance research of VLF transmitting system，the simulation model of VLF transmitting system is established and used for the simulation and analysis of the performance of VLF transmitting system operating in dummy load mode，antenna mode，fixed tuning mode and dynamic tuning mode．The transmission performance of the system in different modes and at different frequencies and symbol rates is analyzed．The results show that the transmission efficiency of synchronous turning system is higher than that of traditional turning system．The information transmission rate allowed by the system can be improved greatly．

VLF communication;dynamic turning;output power;antenna bandwidth

TN92

A

1003－3114(2015)05－74－3

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.05.20

凌佳俊，董穎輝，徐洪強(qiáng)．甚低頻發(fā)信系統(tǒng)工作性能仿真研究［J］．無線電通信技術(shù)，2015，41(5):74－76，96．

2015－05－05

凌佳俊(1991—)，男，碩士研究生，主要研究方向:通信與信息系統(tǒng)。董穎輝(1963—)，女，副教授，主要研究方向:信號(hào)處理及天線技術(shù)。