甚低频发信系统工作性能仿真研究

凌佳俊，董颖辉，徐洪强

(1．海军工程大学 电子工程学院，湖北 武汉 430033; 2．中船重工集团公司第七十二研究所，湖北 武汉 430079)

甚低频发信系统工作性能仿真研究

凌佳俊1，董颖辉1，徐洪强2

(1．海军工程大学 电子工程学院，湖北 武汉 430033; 2．中船重工集团公司第七十二研究所，湖北 武汉 430079)

针对甚低频发信系统工作性能的研究，建立了甚低频发信系统仿真模型，利用模型对甚低频电子管发信系统工作在假负载模式、天线模式、固定调谐方式及动态调谐方式分别进行了仿真计算，分析了不同方式、不同载频及不同码元速率下的系统传输性能。计算结果表明甚低频发射天线动态调谐系统具有比固定调谐方式传输效率高，系统允许的信息传输速率可得到大幅提高。

甚低频通信；动态调谐；输出功率；天线带宽

0 引言

甚低频天线规模巨大，但与波长相比仍为电小天线，电小天线输入容抗大、电阻小，天线Q值高，天线固有带宽窄，通信容量小，通信速率低，是限制对潜通信保障能力提高的一个重要因素。甚低频发信系统包括发信机功放、匹配网络、调谐系统及天线等，文献［1］中仅研究了通过动态调谐的方式来提高甚低频发信天线带宽的方式，没有考虑发信机匹配网络及调谐系统对调谐性能的影响，本文对电子管发信机匹配网络和天线调谐系统进行了整体动态调谐下的研究，并对甚低频发信系统工作在固定载频调谐方式与动态调谐方式的性能进行了仿真计算。

1 甚低频电子管发信系统组成

甚低频电子管发信系统由发射机功放、匹配网络、耦合网络、天线调谐系统和天线等组成，固定调谐下的等效电路如图1所示，电子管功放工作于丙类状态、匹配网络和耦合网络由π—Г网络组成，主要起到阻抗变换和滤波的作用。由高频功率放大器的原理可知，计算放大器的首要任务是求出功放的板流ia和栅流ig，以及帘栅流ig2的波形，这样就可以利用谐波分析、板回路和栅回路的能量关系来计算板流、帘栅流的直流分量和基波分量，计算放大器的输出功率、耗散功率和效率等。

图1 甚低频电子管发信系统等效电路图

如把电子管等效为一个电压源和一个电阻串联，电子管用具有电动势μUg和内阻Ri的电源来代替。用这个等效电路，如果电子管工作在线性区域，则μ和Ri为常量，用此等效电路进行计算是可行的。若工作在非线性区域，则μ和Ri是时变的，用这个等效电路进行计算就很困难。由于主要关心的是电子管工作在非线性区的板流输出和帘栅流，因此就设想把谐振功率放大器的电子管等效为非线性电流源。

非线性的电流源ia，其中包含了电子管工作在线性区的μ和Ri恒定的性质，也包含了当电子管工作在非线性区时的μ和Ri的时变特性，ia是栅极电压ug和板极电压ua的函数。这样就不必通过μ和Ri来对电子管的各种工作状态进行计算。

2 甚低频电子管发信系统仿真

通过对某甚低频发射机电路进行研究后，对其高频放大部分建立了电路的数学模型，利用数学模型设计出一套仿真软件，它不但能够对电路进行稳态分析，而且还可进行瞬态分析，如图2所示。

图2 甚低频发射系统功放、匹配网络及天线仿真界面

不论是调机过程，还是最终调好后的电流表、电压表及功率表中的仿真计算值，与实际发射机的实测结果基本一致，并且可从该仿真软件中得到机器面板上所没有的一些机器特性，例如负载阻抗、天线阻抗及天线电流的准确值等，从这些信息可以知道整个发射机系统工作在谐振和失谐情况下状态，因此可以利用该仿真软件掌握甚低频发信机工作于固定调谐和动态调谐方式下的电路参数，可以从这些参数上来比较固定调谐和动态调谐方式下的性能好坏。

3 甚低频电子管发信系统性能分析

甚低频发信系统工作时，往往都是使系统调谐于载频f0上，由于甚低频发信天线带宽在频率低端很窄，因此都是利用频带利用率较高的MSK调制方式。工作在MSK调制方式时，在一定的码元速率fs下，“传号”频率f1和“空号”频率f2分别与载频f0相差±fs/4，且码元速率越高，偏离载频的程度越严重，利用仿真软件定量分析当系统工作于固定调谐方式下时匹配网络失谐及天线失谐对整个发信机系统性能的影响。

3.1 固定调谐方式下匹配网络性能分析

为了衡量П－Г型匹配网络工作在不同速率下对系统性能的影响，使发射机系统接假负载进行工作，假负载是一个宽带化的电阻器件，频率变化时假负载不做变化，即如图1中开关接在1的位置，此时系统接假负载工作。当激励大小相同的条件下，载频不同时，仿真计算出不同码元速率下的系统性能，计算结果如表1所示。发射机接假负载时不同载频、不同码元速率时的输出功率曲线如图3所示。

表1 发射机接假负载时不同载频、不同码元速率时输出功率

图3 发射机接假负载时不同载频、不同码元速率时的输出功率曲线

从表1和图3可以看出，在载频相同情况下，随着码元速率的提高，由于系统失谐越严重，输出功率越来越小，但输出功率变化并不大，且载频越高，随码元速率的提高输出功率变化越小，说明该П－Г型匹配网络在整个甚低频工作频段对400 bit/s以下的码元速率都是宽带的，匹配网络的传输效率可以做到97%以上，因此对系统传输性能的影响可以忽略不计。

3.2 固定调谐方式下发射系统性能分析

当图1中开关接在2的位置时，此时假负载断开，接天线工作。当激励相同的条件下，计算出载频不同，码元速率不同下的系统输出功率，计算结果如表2所示。固定调谐下不同载频、不同码元速率时的输出功率曲线如图4所示。

表2 发射机接天线时不同载频、不同码元速率时输出功率

图4 固定调谐下不同载频、不同码元速率时的输出功率曲线

从表2和图4可以看出，在同一载频下，码元速率越大，发射系统对“传号”及“空号”频率失谐越严重，则输出功率越小，系统传输效率越低，尤其是在频率低端，天线Q值高，带宽窄，码元速率不能很高，否则反射回发射机功放的能量会很大，对功放造成损害，由于甚低频发信机功率大，因此对传输效率的要求较高，若传输效率不能低于95%，则载频为15 kHz时通信速率最高只能为50 bit/s，因此对于固定调谐方式的甚低频发信系统在频率低端速率很低。

3.3 动态调谐方式下发射系统性能分析

动态调谐方式即在天线回路的调谐电感Lt合适的位置上并联一个小电感Lt1，通过开关K1来控制Lt1的接入或断开，K1断开时天线回路谐振于频率f1，K1闭合时天线回路谐振于频率f2，K1由激励器的键控信号来实时控制，使天线实时谐振于“空号”与“传号”频率上。当激励相同，计算出载频不同、码元速率不同下的系统输出功率，计算结果如表3所示。动态调谐下不同载频、不同码元速率时的输出功率曲线如图5所示。

表3 动态调谐下发射机接天线时不同载频、不同码元速率时输出功率

图5 动态调谐下不同载频、不同码元速率时的输出功率曲线

从表3和图5可以看出，采用动态调谐方式时，在频率低端系统的传输效率比固定调谐方式得到了大幅提高，载频为15 kHz时，通信速率为50 bit/s、100 bit/s时系统的传输效率接近100%，通信速率为200 bit/s时系统的传输效率达到了98%以上，因此采用动态调谐后频率低端的通信速率比固定调谐方式可以得到大幅提高，对于传输效率95%的要求，在甚低频通信中可以做到低频端的通信速率达到200 bit/s以上。

甚低频动态调谐发射系统等效电路图如图6所示。

图6 甚低频动态调谐发射系统等效电路图

4 结束语

通过建立甚低频发信系统数学模型，对甚低频电子管发信系统工作在固定调谐方式和动态调谐方式下的系统输入输出性能进行了仿真计算，计算结果表明，在400 bit/s以下码元速率甚低频发信系统中的匹配网络可以认为是宽带的，影响系统传输性能的主要因素是天线系统的带宽，当天线工作在固定调谐方式时，由于在频率低端天线较窄，因此在频率低端甚低频发信系统的传输效率较低，系统的传输速率得不到提高，而当天线工作在动态调谐方式时，天线的固有带宽并没有改变，但是天线的有效带宽得到了提高，因此系统的传输效率得到了有效提高，使得甚低频发信系统的信息传输速率得到大幅提高，在频率低端信息速率可以达到200 bit/s，从而使得甚低频发信系统在频率低端的通信保障能力可提高到固定调谐方式下的4倍以上。

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［12］Paul R J，Peter V P．Antenna Tuning System and Method[P]．USA，4689803，1987－08－25．

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，董颖辉，徐洪强．甚低频发信系统工作性能仿真研究［J］．无线电通信技术，2015，41(5):74－76，96．

2015－05－05

凌佳俊(1991—)，男，硕士研究生，主要研究方向:通信与信息系统。董颖辉(1963—)，女，副教授，主要研究方向:信号处理及天线技术。