一種新型高性能甚低頻接收機(jī)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于甚低頻信號(hào)監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型高性能甚低頻接收機(jī)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]甚低頻接收機(jī)是一種監(jiān)測(cè)自然界閃電輻射和遍布全球的地基臺(tái)站發(fā)射的極低頻(ELF: 300Hz-3kHz)和甚低頻(VLF: 3-30kHz)無(wú)線電磁波信號(hào)的低噪、高靈敏度接收機(jī)系統(tǒng)。它們被廣泛的應(yīng)用于太陽(yáng)活動(dòng)監(jiān)測(cè)、地球空間環(huán)境地基遙感、電離層探測(cè)與航海通信等領(lǐng)域。
[0003]甚低頻接收機(jī)信號(hào)來(lái)源包括自然信號(hào)和人工臺(tái)站信號(hào)。自然界時(shí)刻在發(fā)生的雷電現(xiàn)象所輻射的電磁波包含豐富的極低頻和甚低頻分量，稱之為“天電”信號(hào)。這些“天電”信號(hào)部分通過(guò)地波傳播之間到達(dá)接收機(jī);少部分以等離子體哨聲波模的形式向上傳播穿過(guò)電離層進(jìn)入磁層，并沿著磁力線傳播到達(dá)接收機(jī)，形成“哨聲”，這種現(xiàn)象一般發(fā)生在中高瑋度地區(qū)，并且冬季最為豐富；大部分“天電”信號(hào)經(jīng)地球-電離層波導(dǎo)多次反射傳播到達(dá)接收機(jī)。由于無(wú)線電波在波導(dǎo)中傳播時(shí)，在波導(dǎo)截止頻率附近會(huì)產(chǎn)生波導(dǎo)色散效應(yīng)，就會(huì)形成“吱聲”。遍布全球各地的人工臺(tái)站是提供航海通信與導(dǎo)航服務(wù)的通訊平臺(tái)，它們工作頻率均在10-60kHz之間，其傳播特性對(duì)電離層狀態(tài)的變化十分敏感，具體表現(xiàn)為白天與夜晚傳播特性很大的不同。因此，通過(guò)監(jiān)測(cè)臺(tái)站信號(hào)幅度和相位變化進(jìn)行電離層探測(cè)及太陽(yáng)活動(dòng)監(jiān)視研究。
[0004]區(qū)別于傳統(tǒng)的自發(fā)自收式雷達(dá)接收機(jī)系統(tǒng)，甚低頻接收機(jī)是無(wú)源被動(dòng)接收裝置，沒(méi)有明確的目標(biāo)信號(hào)，大多數(shù)也無(wú)法確定接收信號(hào)的頻譜特征，因此也無(wú)法通過(guò)一般雷達(dá)接收機(jī)信號(hào)檢測(cè)的手段來(lái)提取信號(hào)，例如:鎖相放大、自相關(guān)能量累積等。同時(shí)，待接收信號(hào)十分微弱且容易受到背景電磁波干擾。因此，設(shè)計(jì)一款低噪、高靈敏度的高性能模擬前端變得十分重要。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提供一種新型高靈敏度、低噪聲甚低頻接收機(jī)系統(tǒng)。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案:一種新型高性能甚低頻接收機(jī)系統(tǒng)，包括計(jì)算機(jī)，還包括接收天線、超低噪模擬前端和數(shù)字接收機(jī)單元;所述接收天線接收信號(hào)經(jīng)所述超低噪模擬前端放大、濾波后，傳輸至所述數(shù)字接收機(jī)單元輸入端，所述數(shù)字接收機(jī)單元與所述計(jì)算機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與命令控制。
[0007]進(jìn)一步的，所述超低噪模擬前端通過(guò)同軸電纜與所述數(shù)字接收機(jī)單元連接，所述數(shù)字接收機(jī)單元通過(guò)USB總線與所述計(jì)算機(jī)連接。
[0008]進(jìn)一步的，所述接收天線采用阻抗為IΩ -1mH環(huán)形磁天線。
[0009]進(jìn)一步的，所述環(huán)形磁天線采用正三角環(huán)天線，尺寸為:正三角環(huán)斜邊長(zhǎng)L = 2.6m，天線匝數(shù)N= 12，天線平面面積A= 1.695m2。
[0010]進(jìn)一步的，所述超低噪模擬前端包括依次連接的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、基于差分結(jié)構(gòu)的低噪放大器、帶通濾波器模塊和傳輸驅(qū)動(dòng)模塊。
[0011]進(jìn)一步的，所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)采用罐型磁芯繞制的低頻變壓器，與所述接收天線連接;所述基于差分結(jié)構(gòu)的低噪放大器采用以低噪NPN晶體管搭建共基極差分放大器;所述帶通濾波器模塊包括基于模擬濾波器集成芯片的低通濾波器和基于巴特沃斯高通濾波器；所述傳輸驅(qū)動(dòng)模塊是將單端模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為差分結(jié)構(gòu)并驅(qū)動(dòng)同軸電纜，進(jìn)行信號(hào)傳輸。
[0012]進(jìn)一步的，所述數(shù)字接收機(jī)單元包括高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、基于USB2.0+FPGA數(shù)據(jù)傳輸模塊和高精度頻率源與同步模塊。
[0013]進(jìn)一步的，所述所述高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊包含幅度調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器;所述基于USB2.0+FPGA的數(shù)據(jù)傳輸模塊包括USB接口芯片、FPGA主控芯片;所述幅度調(diào)理電路與所述A/D轉(zhuǎn)換器相連接，再與所述FPGA主控芯片相連，所述USB接口芯片與所述FPGA主控芯片相連;所述高精度頻率源與同步模塊包括GPS接收模塊、計(jì)數(shù)器、壓控振蕩器、D/A轉(zhuǎn)換器依次連接形成閉合環(huán)路。
[0014]進(jìn)一步的，所述壓控振蕩器采用恒溫壓控晶體振蕩器；所述GPS接收模塊選用Motorola M12M。
[0015]更進(jìn)一步的，所述超低噪模擬前端通過(guò)屏蔽盒封裝與所述接收天線相連，且置于所述接收天線底端，并共同放置于室外。
[0016]本實(shí)用新型提供了一種新型高性能甚低頻接收機(jī)系統(tǒng)，包括統(tǒng)一阻抗、不同靈敏度的I Ω -1mH環(huán)形磁天線、超低噪模擬前端和數(shù)字接收機(jī)系統(tǒng)。
[0017]采用IΩ-1mH環(huán)形磁天線作為接收天線，相對(duì)電場(chǎng)天線，磁感應(yīng)天線對(duì)甚低頻具有更高的靈敏度與增益，大大提高對(duì)甚低頻信號(hào)的有效接收。
[0018]本實(shí)用新型的超低噪模擬前端，包括阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、基于差分結(jié)構(gòu)的低噪放大器、帶通濾波器模塊、傳輸驅(qū)動(dòng)模塊。磁環(huán)天線接收微弱的電磁波信號(hào)經(jīng)超低噪模擬前端放大、濾波后，再通過(guò)同軸電纜傳輸至室內(nèi)數(shù)字接收機(jī)單元的輸入端。保證系統(tǒng)靈敏度與頻率響應(yīng)需求。
[0019]本實(shí)用新型針的數(shù)字接收機(jī)系統(tǒng)，包括高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、基于USB2.0+FPGA數(shù)據(jù)傳輸模塊、高精度頻率源與同步模塊;所述高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊包含幅度調(diào)理電路，A/D轉(zhuǎn)換器;所述基于USB2.0+FPGA的數(shù)據(jù)傳輸模塊包括USB接口芯片，F(xiàn)PGA主控芯片。所述高精度頻率源與同步模塊包括GPS接收模塊、壓控振蕩器、計(jì)數(shù)器、D/A轉(zhuǎn)換器;數(shù)字接收機(jī)單元保證對(duì)模擬信號(hào)高精度的采集與快速傳輸至計(jì)算機(jī)，同時(shí)提供同步模塊便于多站組網(wǎng)監(jiān)測(cè)。
[0020]將超低噪模擬前端通過(guò)屏蔽盒封裝與磁環(huán)天線相連，置于磁環(huán)天線底端，共同置于室外電磁環(huán)境安靜的地方。
[0021]本實(shí)用新型提供技術(shù)操作員在上位機(jī)軟件自行設(shè)置接收機(jī)參數(shù)，提供USB總線與數(shù)字接收機(jī)單元相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與控制命令傳輸。
[0022]本實(shí)用新型的工作原理:接收天線接收微弱的電磁波信號(hào)經(jīng)超低噪模擬前端放大、濾波后，再通過(guò)同軸電纜傳輸至數(shù)字接收機(jī)單元的輸入端，數(shù)字接收機(jī)單元保證對(duì)模擬信號(hào)高精度的采集與快速傳輸至計(jì)算機(jī)，同時(shí)提供同步模塊便于多站組網(wǎng)監(jiān)測(cè)。
[0023]本實(shí)用新型有益效果:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、低功耗、成本低，可以廣泛應(yīng)用于閃電定位與監(jiān)測(cè)、航海通信、電離層較低高度探測(cè)、太陽(yáng)活動(dòng)監(jiān)測(cè)等研究。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例的整體系統(tǒng)框圖。
[0025]圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例的磁環(huán)天線實(shí)物模型和等效電路模型。
[0026]圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例的低噪模擬前端實(shí)現(xiàn)框圖。
[0027]圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例數(shù)字接收機(jī)系統(tǒng)框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]通過(guò)以下詳細(xì)說(shuō)明結(jié)合附圖可以進(jìn)一步理解本實(shí)用新型的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。所提供的實(shí)施例僅是對(duì)本實(shí)用新型方法的說(shuō)明，而不以任何方式限制本實(shí)用新型揭示的其余內(nèi)容。
[0029]本實(shí)施例采用技術(shù)方案如下:一種新型高性能甚低頻接收機(jī)系統(tǒng)，包括計(jì)算機(jī)，還包括接收天線、超低噪模擬前端和數(shù)字接收機(jī)單元;所述接收天線接收信號(hào)經(jīng)所述超低噪模擬前端放大、濾波后，傳輸至所述數(shù)字接收機(jī)單元輸入端，所述數(shù)字接收機(jī)單元與所述計(jì)算機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與命令控制。
[0030]所述超低噪模擬前端通過(guò)同軸電纜與所述數(shù)字接收機(jī)單元連接，所述數(shù)字接收機(jī)單元通過(guò)USB總線與所述計(jì)算機(jī)連接。
[0031 ] 所述接收天線采用阻抗為I Ω -1mH環(huán)形磁天線。
[0032]所述環(huán)形磁天線采用正三角環(huán)天線，尺寸為:正三角環(huán)斜邊長(zhǎng)L = 2.6m，天線匝數(shù)N= 12，天線平面面積A= 1.695m2ο
[0033]所述超低噪模擬前端包括依次連接的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、基于差分結(jié)構(gòu)的低噪放大器、帶通濾波器模塊和傳輸驅(qū)動(dòng)模塊。
[0034]所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)采用罐型磁芯繞制的低頻變壓器，與所述接收天線連接;所述基于差分結(jié)構(gòu)的低噪放大器采用以低噪NPN晶體管搭建共基極差分放大器;所述帶通濾波器模塊包括基于模擬濾波器集成芯片的低通濾波器和基于巴特沃斯高通濾波器;所述傳輸驅(qū)動(dòng)模塊是將單端模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為差分結(jié)構(gòu)并驅(qū)動(dòng)同軸電纜，進(jìn)行信號(hào)傳輸。
[0035]所述數(shù)字接收機(jī)單元包括高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、基于USB2.0+FPGA數(shù)據(jù)傳輸模塊和高精度頻率源與同步模塊。
[0036]所述所述高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊包含幅度調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器;所述基于USB2.0+FPGA的數(shù)據(jù)傳輸模塊包括USB接口芯片、FPGA主控芯片;所述幅度調(diào)理