电小天线在甚低频接收系统中的应用研究

摘要

遍布全球的甚低频信号包含人工源信号和自然信号，其中人工源信号主要由地基的低频发射台站产生，用于通信与导航;自然信号主要由雷电等自然物理过程产生，可以用来监测自然现象。在甚低频信号观测研究中主要用到的设备为甚低频接收系统，设备主要由接收机和天线系统组成，具有低噪、高灵敏度的特性。传统的地基天线系统尺寸大，比较笨重，在很多应用场合跟不上时代发展。用于机载和卫星搭载的观测设备对天线小型化和易架设性提出了更高的要求。本文对低频波接收系统的天线进行了小型化研究，依次列出了小环天线，磁棒天线和电场天线三种电小天线，并分析了其理论特性，给出了相应的匹配方式，最后基于实测数据分析比较了其不同类型电小天线的优势和特点。 首先我们采用采用罗德施瓦茨公司生产的HZ-10型天线，并从灵敏度和频率响应两个方面对模拟前端设计进行讨论。带宽设置为5-50kHz。通过理论分析验证，采用变压器匹配与后级差分放大相耦合。接着对磁棒天线进行了研究，介绍了磁棒天线的构成，比较了镍锌氧铁体、锰锌氧铁体和坡莫合金的特点，选用坡莫合金作为磁芯。结合经验公式分析了磁芯长径比的影响，通过探讨空心线圈的信噪比理论，得出了磁棒天线的尺寸参数对感应电压和信噪比的影响。基于磁棒天线等效电路模型分析了其谐振频率，并给出了使频率响应平坦化的解决方案。结合具体绕制实践，完善了磁棒天线手工绕制过程。最后对电场天线进行了研究，介绍了鞭状天线作为一种垂直极化天线的各方面特性，对其等效电路模型进行分析，在探讨其后接放大器的基础上，确定了“天线增益”这一决定电场天线性能的参数。通过设计无源滤波及放大器模块，完成了其前端匹配设计，并分析了其噪声特性。 基于使用不用类型天线观测的甚低频信号数据，对甚低频波的幅度信息进行了提取，进一步进行了比较分析，考察天线的性能。研究结果表明，小环天线作为AWESOME系统天线的缩小版，其在三种电小天线中灵敏度最低;磁棒天线在小环天线的基础上引入了磁芯，它在甚低频频段具有更高的灵敏度;而电场天线对台站信号接收效果最好，但抗抖动干扰能力较弱。综合比较，作为小型便携式设备，应选用电场天线;如果作为机载探测器，则最好选择磁棒天线。

目录

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摘要

1 绪论

1.1 甚低频及甚低频接收机

1.2 天线前端小型化的意义

1.3 论文工作和论文安排

2 甚低摄天线及匹配技术

2.1 甚低频项目研究现状

2.2 天线理论基础

2.2.1 电磁波产生的基本原理

2.2.2 天线

2.3 电小天线

2.4前端匹配

2.5本章小结

3 小环天线研究

3.1 环天线理论

3.2HZ天线应用及前端设计

3.3 放大及滤波电路设计

3.4校准测试

3.5 本章小结

4 磁棒天线研究

4.1 磁棒天线简介

4.2 磁棒天线理论分析

4.2.1 磁芯长径比分析

4.2.2 信噪比分析

4.3磁棒天线匹配方法及设计

4.4磁棒天线绕制方法

4.5 磁棒天线设计

4.6 本章小结

5 电场天线研究

5.1 鞭状天线概论

5.2 鞭状天线模型分析

5.3电场天线灵敏度分析

5.4前端电路设计

5.5本章小结

6 观测结果分析与应用研究

6.1.1 硬件架构

6.1.2 软件自动化观测平台

6.2 三种电小天线比较

6.2.1 天线尺寸

6.2.2 天线等效电路

6.2.3 性能比较

6.2.4接收数据比较

6.3 台站信号研究

6.3.1 甚低频人工台站的基本介绍

6.3.2 甚低频台站信号解调原理分析

6.3.3幅值日变化

6.4本章小结

7 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

附录

致谢