本發(fā)明涉及一種天線，特別涉及一種高靈敏長波全向磁天線。

（二）

背景技術(shù)：

長波信號在空氣和海水中的傳播具有衰減率低、傳播距離遠(yuǎn)、入水深度大等其它通信及導(dǎo)航頻段無可比擬的優(yōu)勢，是目前對水下航行器通信及導(dǎo)航最隱蔽的手段之一，利用長波信號通信和導(dǎo)航對解決水下航行器和水下作業(yè)平臺的隱蔽通信、實現(xiàn)不間斷導(dǎo)航具有重大意義。目前，利用長波信號進(jìn)行通信及導(dǎo)航都是使用電天線，如采用電極對拖曳天線接收甚低頻信號進(jìn)行水下通信，利用鞭狀天線接收羅蘭C信號進(jìn)行導(dǎo)航等，這種傳統(tǒng)的通信及導(dǎo)航方式具有一定的局限性，首先，采用電極對拖曳天線進(jìn)行水下通信時，海水中的電波是水平極化波，在天線拖曳方向具有最強(qiáng)感應(yīng)信號的能力，在垂直天線方向接收信號能力為零，不能保證水下航行器或作業(yè)平臺在任意方向上接收信號，要求收信時水下航行器必須航行在信號的來波方向，這就極大地限制了水下航行器的機(jī)動性；其次，水下接收羅蘭C信號進(jìn)行導(dǎo)航時，由于海水中的電波是水平極化波，信號幅度衰減較大，難以采用鞭狀電天線進(jìn)行導(dǎo)航，拖曳天線雖可以在水下接收羅蘭C信號，但由于天線接收信號的方向性，難以同時接收一個臺鏈的信號，這就限制了水下導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展；第三，鞭狀電天線體積大，不便于安裝，接地要求高，難以同其它天線組合收信；第四，鞭狀天線在空氣中接收羅蘭C信號時，易受靜電沉積效應(yīng)影響，接收信號信噪比會下降，這就降低了羅蘭C系統(tǒng)的定位精度和使用范圍。

（三）

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了彌補現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種高靈敏長波全向磁天線。

本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種高靈敏長波全向磁天線，其特征在于：包括天線體和信號處理系統(tǒng)；所述天線體包括單棒磁天線，該單棒磁天線由磁棒及繞在其上的線圈所組成；所述若干個單棒磁天線彼此之間組合連接。

所述單棒磁天線組合連接方式包括兩根單棒磁天線垂直交叉連接。

所述單棒磁天線組合連接方式包括四根單棒磁天線首尾相連。

所述磁棒選擇相對磁導(dǎo)率大于2000的磁芯材料，磁棒長度為15-20cm，直徑1-2cm。

所述線圈的導(dǎo)線規(guī)格選擇多股銅芯導(dǎo)線，股數(shù)不少于5股，每股線徑小于0.1mm，每股之間相互絕緣；線圈繞制方式采用分段分層密繞方式，線圈繞制在磁芯材料的正中間，長度約為磁芯材料長度的50%，線圈總匝數(shù)為300-450匝。

所述信號處理系統(tǒng)包括模擬電路部分和數(shù)字電路部分；所述模擬電路部分包括模擬電源單元、前端諧振單元、電壓跟隨單元、低噪聲放大單元、帶通濾波單元組成，其中前端諧振單元、電壓跟隨單元、低噪聲放大單元、帶通濾波單元依次連接成順序電路，模擬電源單元的輸出端分別與電壓跟隨單元、低噪聲放大單元、帶通濾波單元電源輸入端相連；所述數(shù)字電路部分包括數(shù)字電源單元、自動增益放大單元、信號采集單元、CPLD處理單元、數(shù)模轉(zhuǎn)換單元組成數(shù)字電源單元的輸出端分別與自動增益放大單元、信號采集單元、CPLD單元處理單元和數(shù)模轉(zhuǎn)換單元的電源輸入端相連。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

1、本發(fā)明設(shè)計的高靈敏長波全向磁天線具有靈敏度高，接收信號信噪比高的特點，可以擴(kuò)大長波系統(tǒng)的工作范圍，提高系統(tǒng)的使用精度。

2、長波全向磁天線體積小，接地要求低，安裝固定方便，易于實現(xiàn)同GPS等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)天線進(jìn)行組合收信。

3、長波全向磁天線抗靜電沉積效應(yīng)強(qiáng)，在雷、雨、霧、雪等惡劣天氣條件下具有穩(wěn)定的接收性能，具有更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。

4、長波全向磁天線接收到的信號電平及信噪高于電天線，尤其在信號較弱時，具有較好的接收效果。

5、長波全向磁天線電路采用模塊化設(shè)計，成本較低，維修保養(yǎng)方便。

（四）附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

圖1為本發(fā)明的天線體一種情況結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的天線體另一種情況結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的信號處理系統(tǒng)示意圖；

圖4是羅蘭C標(biāo)準(zhǔn)脈沖波形圖；

圖5是羅蘭C信號格式示意圖；

圖6是自動增益放大電路結(jié)構(gòu)圖；

圖7是兩路信號采集波形圖；

圖8是合成信號波形圖；

圖中，1磁棒，2線圈，3模擬電源單元，4前端諧振單元，5電壓跟隨單元，6低噪聲放大單元，7帶通濾波單元，8數(shù)字電源單元，9自動增益放大單元，10信號采集單元，11 CPLD處理單元，12數(shù)模轉(zhuǎn)換單元。

（五）具體實施方式

實施例1

附圖為本發(fā)明的一種具體實施例。該實施例包括天線體和信號處理系統(tǒng)；所述天線體包括單棒磁天線，該單棒磁天線由磁棒1及繞在其上的線圈2所組成；所述若干個單棒磁天線彼此之間組合連接；

所述單棒磁天線組合連接方式包括2種方式，一種方式為兩根單棒磁天線垂直交叉連接，另一種方式為四根單棒磁天線首尾相連；

所述磁棒1選擇相對磁導(dǎo)率大于2000的磁芯材料，磁棒1長度為15-20cm，直徑1-2cm；

所述線圈2的導(dǎo)線規(guī)格選擇多股銅芯導(dǎo)線，股數(shù)不少于5股，每股線徑小于0.1mm，每股之間相互絕緣；線圈2繞制方式采用分段分層密繞方式，線圈2繞制在磁芯材料的正中間，長度約為磁芯材料長度的50%，線圈2總匝數(shù)為300-450匝；

所述信號處理系統(tǒng)包括模擬電路部分和數(shù)字電路部分；所述模擬電路部分包括模擬電源單元3、前端諧振單元4、電壓跟隨單元5、低噪聲放大單元6、帶通濾波單元7組成，其中前端諧振單元4、電壓跟隨單元5、低噪聲放大單元6、帶通濾波單元7依次連接成順序電路，模擬電源單元3的輸出端分別與電壓跟隨單元5、低噪聲放大單元6、帶通濾波單元7電源輸入端相連；所述數(shù)字電路部分包括數(shù)字電源單元8、自動增益放大單元9、信號采集單元10、CPLD處理單元11、數(shù)模轉(zhuǎn)換單元12組成數(shù)字電源單元8的輸出端分別與自動增益放大單元9、信號采集單元10、CPLD單元處理單元和數(shù)模轉(zhuǎn)換單元12的電源輸入端相連。

實施例2

磁天線的本質(zhì)是一種含鐵氧體的多圈小環(huán)天線，主要用來接收電磁波信號中的磁場分量信號。磁天線主要由鐵氧體磁棒和繞在磁棒上的線圈組成，磁棒由軟磁鐵氧體磁性材料制成，其特點是既易被磁化，又易退磁，有較高的導(dǎo)磁率。對于均勻磁場來說，磁棒內(nèi)部所產(chǎn)生的磁阻遠(yuǎn)較空氣小，所以將有大部分磁力線集中到磁棒內(nèi)，因此，磁天線對電磁波的吸收能力很強(qiáng)，磁力線通過它就像很多棉紗線被一個鐵箍束得很緊，在線圈繞組內(nèi)能夠感應(yīng)出比較高的電壓，所以磁天線兼有放大信號的作用；

環(huán)形天線按尺寸大小可分為小環(huán)天線與大環(huán)天線。若圓環(huán)的半徑r很小，其周長，則稱為小環(huán)天線。小環(huán)天線上沿線電流的振幅和相位變化不大，近似均勻分布。對于長波信號來說，波長遠(yuǎn)大于磁天線單個線圈的周長，因此，長波磁天線是一種典型的小環(huán)天線；

眾所周知，小環(huán)天線上感應(yīng)的電壓，亦即非諧振條件下兩端之間出現(xiàn)的電壓，可以由下列關(guān)系式給出：

(1)

式中，n為線圈的匝數(shù)；為穿過環(huán)形天線的磁通量(韋伯)；e為感應(yīng)電動勢(伏)；

穿過環(huán)形天線的總磁通量為：

(2)

式中，B為磁通量密度(韋伯/米²)；A為環(huán)形天線有效面積(米²)；為磁通線與環(huán)形天線軸之間的夾角；

當(dāng)環(huán)形天線置于有電磁波經(jīng)過的地方、且磁通量密度為正弦形變化時，載波所感應(yīng)的電壓可由下式給出：

(3)

式中，V為感應(yīng)電壓(伏)；f為載波頻率(赫茲)；n為匝數(shù)；B為磁通量密度(韋伯/米²)，這里，磁通量密度可表示為：

(4)

式中，為介質(zhì)的導(dǎo)磁率(在自由空間中亨利/米)；H為磁場強(qiáng)度(安培/米)。對于自由空間或任何的介質(zhì)，則可以寫為：

(5)

對于一個空心環(huán)形天線來說，天線的有效面積A實際上是線圈本身包圍的實際面積；對于含有磁芯的環(huán)形天線，式(5)中利用的有效面積可以由下式給出：

(6)

式中，為線圈所包圍的面積(米²)，為相對磁導(dǎo)率，即。

綜上所述，磁天線線圈感應(yīng)的電壓可由下式給出：

(7)

由此可見，磁天線接收信號的能力與磁芯材料的相對磁導(dǎo)率、線圈的匝數(shù)和線圈的截面積相關(guān)。采用高相對磁導(dǎo)率的磁性材料，可以增加磁天線的磁場強(qiáng)度，使得磁天線聚集磁力線的能力更強(qiáng)；線圈的匝數(shù)越多，其接收能力越強(qiáng)，線圈感應(yīng)的總電壓就越高；發(fā)射臺發(fā)射的電磁波的磁力線在天空中的分布是很密集的，線圈的截面越大，它所容納的數(shù)目就越多，線圈上感應(yīng)的電壓就越大，靈敏度就高。然而，受磁性材料的性能、磁棒強(qiáng)度和天線體積限制，磁芯材料相對磁導(dǎo)率目前不可能太高，線圈的匝數(shù)不可能太多，線圈截面積也不可能太大，磁天線的接收性能同電天線相比，只能達(dá)到一個較好的水平。

實施例3

信號處理電路設(shè)計包括模擬電路部分和數(shù)字電路部分；模擬電路部分主要由模擬電源單元3、前端諧振單元4、電壓跟隨單元5、低噪聲放大單元6、帶通濾波單元7組成，其中前端諧振單元4、電壓跟隨單元5、低噪聲放大單元6、帶通濾波單元7依次連接成順序電路，模擬電源單元3的輸出端分別與電壓跟隨單元5、低噪聲放大單元6、帶通濾波單元7電源輸入端相連；模擬電路部分的數(shù)量應(yīng)根據(jù)組合環(huán)路設(shè)計中磁棒數(shù)量確定，每根磁棒感應(yīng)的信號都經(jīng)過模擬電路部分進(jìn)行調(diào)理和整形，提高信號質(zhì)量。數(shù)字電路部分主要由數(shù)字電源單元8、自動增益放大單元9、信號采集單元10、CPLD處理單元11、數(shù)模轉(zhuǎn)換單元12組成，其中自動增益放大單元9和信號采集單元10的數(shù)量應(yīng)根據(jù)組合環(huán)路設(shè)計中磁棒數(shù)量確定；自動增益放大單元9主要功能是根據(jù)輸入信號的電平幅度，控制放大器的放大倍數(shù)，確保信號電平處于合適的采樣電平范圍內(nèi)；信號采集單元10在CPLD處理單元11的控制下，對每路信號分別進(jìn)行同時采集，并將采集后的數(shù)字信號輸出給CPLD處理單元11；數(shù)字電源單元8的輸出端分別與自動增益放大單元9、信號采集單元10、CPLD單元處理單元和數(shù)模轉(zhuǎn)換單元12的電源輸入端相連；CPLD處理單元11主要完成每路輸入信號同時采集的控制、對多路輸入信號進(jìn)行數(shù)字濾波和信號合成等功能；合成后的數(shù)字信號經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換單元12變成模擬信號輸出給接收機(jī)使用。

上面以舉例方式對本發(fā)明進(jìn)行了說明，但本發(fā)明不限于上述具體實施例，凡基于本發(fā)明所做的任何改動或變型均屬于本發(fā)明要求保護(hù)的范圍。