宽频带VLF差分式磁棒接收天线的前端信号调理电路的制作方法

本实用新型属于电路领域，具体涉及一种匹配宽频带vlf差分式磁棒接收天线的前端信号调理电路。

背景技术：

磁棒接收天线基于法拉第电磁感应定律的测磁原理，决定其主要用于交变磁场的测量，被广泛应用于地球自然电磁波分析，使用电磁工具进行地球物理的研究，大地电磁测深及资源勘探、空间物理探测以及研究主要的基本等离子体物理过程等。磁棒天线作为磁敏感元件感应出十分微弱的感应电压信号，需经前端信号调理电路进行放大、滤波、驱动输出等得到磁棒天线的最终输出电压，然后供给信号采集系统。

传统的磁棒天线常利用电路的调谐用于单频点的接收，即使用于接收一个完整频段的信号其应用频段通常也很窄，无法接收宽频带的磁场信号；而且天线的电压灵敏度随频率变化大、不平坦，易使天线的输出饱和，降低磁场信号探测的动态范围；相移特性也不连续，无法获取磁场信号真实的相位信息。

磁棒天线的电压灵敏度是天线的关键技术指标，可以衡量天线接收性能好坏。对电压灵敏度的实测标定是一项必不可少的工作，但是一般的磁棒天线需借助辅助设备，比如赫姆霍兹线圈等标准磁场发生器进行标定实验，实施起来不仅工作繁琐，而且这些设备成本很大。

磁棒天线的分辨率水平是其另一个关键关键技术指标，可以用噪声等效磁感应强度来表示，可以衡量天线能够检测出的最小磁场信号。目前磁棒天线一般采用单端输出，然后进行单端信号的低噪放大，但是一方面磁棒天线本身的共模噪声存在较大干扰，另一方面单端形式的前端放大电路仍然存在较大噪声，最终将导致电路的等效输入噪声较大，噪声等效磁感应强度较大，天线的分辨率水平较低，影响天线的性能。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于设计匹配甚低频磁棒天线的前端信号调理电路，不仅能够确保天线在接收频段内具备一个平坦化的灵敏度曲线和连续的相频特性曲线，而且能够对磁棒天线进行低成本、方便快捷的电压灵敏度标定实验；还能够有效提高磁棒天线的分辨率水平，降低噪声等效磁感应强度，提升天线性能。

本实用新型为了实现上述目的，采用了以下方案：

本实用新型提供一种宽频带vlf差分式磁棒接收天线的前端信号调理电路，其特征在于，包括：仪表放大器，与差分式分段绕制的磁棒接收天线的两个差分输出端口相连，采用三运放拓扑结构，实现差分信号的低噪声放大；高通滤波器，与仪表放大器相连，对传送来的信号进行高通滤波；低通滤波器，与高通滤波器相连，对传送来的信号进行低通滤波；驱动输出电路，与低通滤波器相连，对磁棒天线的输出电压进行驱动输出；磁通负反馈电路，输入端与高通滤波器相连，采用该高通滤波器的输出电压，同时输出端与磁棒天线的反馈线圈(也即激励线圈)的两个端口相连，反馈回磁棒天线部分，激发出反馈磁场，从而减弱被测磁场，实现磁通负反馈的功能；标定输入电路，输出端与磁通负反馈电路相连，输入端预留两个端口，供信号源的激励信号输入，用于对磁棒天线电压灵敏度进行标定。

优选地，本实用新型所提供的宽频带vlf差分式磁棒接收天线的前端信号调理电路，还可以具有这样的特征：仪表放大器包含：两个磁棒天线差分式感应线圈的输入端口a和c、第一低噪声放大器u1、第二低噪声放大器u2、第三低噪声放大器u3、第一电容c1、两个第一电阻rf1和rf2、第二电阻rg，两个第二电容c2和c3、两个第三电阻r1和r2、第四电阻r3、第五电阻r4；第一电容c1的两端分别与两个输入端口a和b相连；两个第一电阻rf1和rf2分别连接在第一低噪声放大器u1和第二低噪声放大器u2的反向输入端和输出端之间，并且第二电阻rg连接在第一低噪声放大器u1和第二低噪声放大器u2的反相输入端之间，两个第二电容c2和c3分别连接在第一低噪声放大器u1和第二低噪声放大器u2的输出端和两个第三电阻r1和r2之间，两个第三电阻r1和r2分别连接在两个第二电容c2和c3和第三低噪声放大器u3的同相、反相输入端之间，第四电阻r3一端和其中一个第三电阻r1相连，另一端接地，第五电阻r4一端与第三电阻r2相连，另一端与第三低噪声放大器u3的输出端相连。

优选地，本实用新型所提供的宽频带vlf差分式磁棒接收天线的前端信号调理电路，还可以具有这样的特征：第一电容c1为68pf，第二电容c2为22uf，第一电阻rf1和rf2为3.7kω，第二电阻rg为75ω，第三电阻r1和r2、第四电阻r3、第五电阻r4均为10kω。

优选地，本实用新型所提供的宽频带vlf差分式磁棒接收天线的前端信号调理电路，还可以具有这样的特征：高通滤波器采用5阶巴特沃斯的拓扑结构，包含：两个第四低噪声放大器u4和u5，五个第六电阻r5～r9和五个第三电容c4～c8；三个第三电容c4、c5、c6串联后与第四低噪声放大器u4的同相输入端相连，第六电阻r5一端与第三电容c4相连，另一端接地，第六电阻r6连接在第三电容c5和第四低噪声放大器u4的输出端之间，第六电阻r7一端与第三电容c6相连，另一端接地，第三电容c7与第三电容c8串联后连接在第四低噪声放大器u4的输出端和第四低噪声放大器u5的同相输入端之间，第六电阻r8连接在第三电容c7和第四低噪声放大器u5的输出端之间，第六电阻r9一端与第四低噪声放大器u5的同相输入端相连，另一端接地；高通滤波器的截止频率为3khz，第六电阻r5～r9均为1kω，五个第三电容c4～c8依次为4.3nf、1.4nf、1nf、5.6nf、10nf。

优选地，本实用新型所提供的宽频带vlf差分式磁棒接收天线的前端信号调理电路，还可以具有这样的特征：低通滤波器采用5阶巴特沃斯的拓扑结构，包含：两个第五低噪声放大器u6和u7，五个第七电阻r10～r14、五个第四电容c9～c13；三个第七电阻r10、r11、r12串联后与第五低噪声放大器u6的同相输入端相连，第四电容c10一端与第七电阻r10相连，另一端接地，第四电容c11一端与第七电阻r12相连，另一端接地，第四电容c9连接在第七电阻r11和第五低噪声放大器u6的输出端之间，第七电阻r13与第七电阻r14串联后连接在第五低噪声放大器u6的输出端和第五低噪声放大器u7的同相输入端之间，第四电容c12连接在第七电阻r13和第五低噪声放大器u7输出端之间，第四电容c13一端与放大器u7的同相输入端相连，另一端接地；低通滤波器的截止频率为50khz，五个第四电容c9～c13均为10nf，五个第七电阻r10～r14依次为3.9kω、12.6kω、17kω、3kω、1.7kω。

优选地，本实用新型所提供的宽频带vlf差分式磁棒接收天线的前端信号调理电路，还可以具有这样的特征：驱动输出电路包含：第八电阻r24和第五低噪声放大器u8，第八电阻r24与第五低噪声放大器u8相连，第五低噪声放大器u8的反相输入端和输出端直接相连；第八电阻r24为10kω。

优选地，本实用新型所提供的宽频带vlf差分式磁棒接收天线的前端信号调理电路，还可以具有这样的特征：磁通负反馈电路包含：两个第六低噪声放大器u9和u10、四个第九电阻r15～r18和两个反馈电阻rfb；第九电阻r15连接在第六低噪声放大器u9的反相输入端和输出端之间，第九电阻r16连接在第六低噪声放大器u10的反相输入端和输出端之间，第九电阻r17与第六低噪声放大器u9的反相输入端相连，第六低噪声放大器u9的同相输入端接地，第九电阻r18连接在第六低噪声放大器u9的输出端和第六低噪声放大器u10的反相输入端之间，第六低噪声放大器u10的同相输入端接地，两个反馈电阻rfb分别连接在两个第六低噪声放大器u9和u10的输出端和反馈线圈的两个输入端之间。

优选地，本实用新型所提供的宽频带vlf差分式磁棒接收天线的前端信号调理电路，还可以具有这样的特征：四个第九电阻r15～r18均为10kω，两个反馈电阻rfb均为6.8kω。

优选地，本实用新型所提供的宽频带vlf差分式磁棒接收天线的前端信号调理电路，还可以具有这样的特征：标定输入电路包含：两个用于外界信号源激励信号输入的端口+cal和-cal、第七低噪声放大器u11、五个第十电阻r19～r23；第十电阻r19与第七低噪声放大器u11的输出端相连，第十电阻r20连接在第七低噪声放大器u11的反相输入端和输出端之间，第十电阻r21一端接地、另一端与第七低噪声放大器u11的同相输入端相连，第十电阻r22与端口+cal和第七低噪声放大器u11的同相输入端相连，第十电阻r23一端与第七低噪声放大器u11的反相输入端相连，另一端接地并与-cal相连。

优选地，本实用新型所提供的宽频带vlf差分式磁棒接收天线的前端信号调理电路，还可以具有这样的特征：五个第十电阻r19～r23均为10kω。

实用新型的作用与效果

由于具有以上结构，因此本实用新型所提供的宽频带vlf差分式磁棒接收天线的前端信号调理电路具有如下优点：

(1)通过前端电路的磁通负反馈功能实现磁棒天线宽频带信号的接收，同时保证天线在接收频段内具备一个平坦化的灵敏度曲线和连续的相频特性曲线；

(2)通过前端电路的便捷式标定输入电路可对磁棒天线进行低成本、方便快捷的电压灵敏度标定实验；

(3)通过前端电路的低噪声设计，提高磁棒天线的分辨率水平，降低噪声等效磁感应强度，提升天线性能。

(4)通过前端电路对磁棒天线的微弱感应电压信号进行低噪声放大，保证天线输出电压信号达到接收机所需幅度水平，具有较高信噪比。

附图说明

图1是本实用新型涉及的宽频带vlf差分式磁棒接收天线的前端信号调理电路的总体结构示意图；

图2是本实用新型涉及的前端信号调理电路的具体电路原理图；

图3是本实用新型涉及的前端信号调理电路与磁棒天线的电路连接及磁棒天线的实验室标定示意图。

具体实施方式

以下参照附图对本实用新型所涉及的前端信号调理电路作详细阐述。

<实施例>

如图1所示，前端信号调理电路10包括：仪表放大器11、高通滤波器12、低通滤波器13、驱动输出电路14、磁通负反馈电路15、标定输入电路16。

如图2所示，仪表放大器11包括放大器输入端的补偿电容c1，增益设置电阻rg，反馈电阻rf1和rf2，耦合电容c2和c3，电阻r1、r2、r3、r4，和放大器u1、u2、u3。补偿电容c1的作用：由于天线的输入电容和运放输入电容，再加上实际电路中的寄生参数的影响，会影响环路增益的相移，导致电路容易自激振荡，加入该补偿电容以抵消该影响；增益设置电阻rg可调节电路的放大倍数，其中，仪表放大器11的增益为：

g＝(2rf1)/rg

两级放大器间的耦合电容c2＝c3，隔直通交，隔离直流分量，并提供交流信号通路；电阻r1＝r2＝r3＝r4，与放大器u3共同构成仪表放大器输出极的减法器。

电容c1的两端分别与感应线圈的两个输入端口相连，这两个端口分别与放大器u1、u2的同相输入端相连，两个电阻rf1和rf2分别连接在两个低噪声放大器u1、u2的反向输入端和输出端之间，电阻rg连接在两个低噪声放大器u1、u2的反相输入端之间，两个电容c2＝c3分别连接在两个低噪声放大器u1、u2的输出端和两个电阻r1、r2之间，两个电阻r1、r2分别连接在电容c2和低噪声放大器u3的同相、电容c3和低噪声放大器u3的反相输入端之间，电阻r3一端和电阻r1相连，另一端接地，电阻r4一端与电阻r2相连，另一端与低噪声放大器u3的输出端相连。

在本实施例中，仪表放大器11的电路参数为电容c1＝68pf，电阻rg＝75ω，电阻rf1＝rf2＝3.7kω，电容c2＝c3＝22uf，电阻r1＝r2＝r3＝r4＝10kω。

高通滤波器12和低通滤波器13均采用由电阻、电容和放大器构成的有源滤波器，形式都为5阶的巴特沃斯滤波器。

高通滤波器12包含：两个低噪声放大器u4、u5，五个电阻r5、r6、r7、r8、r9、五个电容c4、c5、c6、c7、c8。电容c4的一端与低噪声放大器u3的输出端相连，电容c4另一端与c5和c6串联后与低噪声放大器u4的同相输入端相连，电阻r5一端与c4相连，另一端接地，电阻r7一端与c6相连，另一端接地，电阻r6连接在电容c5和低噪声放大器u4的输出端，电容c7与电容c8串联后连接在低噪声放大器u4的输出端和低噪声放大器u5的同相输入端之间，电阻r8连接在电容c7和低噪声放大器u5输出端之间，电阻r9一端与低噪声放大器u5的同相输入端相连，另一端接地。

在本实施例中，高通滤波器12的截止频率为3khz，电路参数为：电阻r5＝r6＝r7＝r8＝r9＝1kω，电容c4＝4.3nf，电容c5＝1.4nf，电容c6＝1nf，电容c7＝5.6nf，电容c8＝10nf。

低通滤波器13包含：两个低噪声放大器u6、u7，五个电阻r10、r11、r12、r13、r14、五个电容c9、c10、c11、c12、c13。电阻r10的一端与低噪声放大器u5输出端相连，另一端与电阻r11和r12串联后与低噪声放大器u6的同相输入端相连，电容c10一端与电阻r10相连，另一端接地，电容c11一端与电阻r12相连，另一端接地，电容c9连接在电阻r11和低噪声放大器u6的输出端，电阻r13与r14串联后连接在低噪声放大器u6的输出端和低噪声放大器u7的同相输入端之间，电容c12连接在电阻r13和低噪声放大器u7输出端之间，电容c13一端与低噪声放大器u7的同相输入端相连，另一端接地。

在本实施例中，低通滤波器13的截止频率为50khz，电路参数为：电容c9＝c10＝c11＝c12＝c13＝10nf，电阻r10＝3.9kω，电阻r11＝12.6kω，电阻r12＝17kω，电阻r13＝3kω，电阻r14＝1.7kω。

高通滤波器12和低通滤波器13用于实现通频带从3khz～50khz的带通滤波器，对磁棒天线a的输入信号进行滤波，一是为了满足磁棒天线a对于接收信号带宽的设计指标要求；二是滤除低频段较强的工频干扰和高频段较强的其他干扰信号，从而减小磁棒天线a输出电压的动态范围，防止磁棒天线a输出超出正常范围而饱和；三是通过滤波限制噪声的带宽从而减小磁棒天线a的噪声水平，提高分辨率，减小天磁棒天线a的噪声等效磁感应强度。

驱动输出电路14用于提高前端输出信号的驱动能力，包含：电阻r24和低噪声放大器u8。电阻r24一端与低噪声放大器u7输出端相连，另一端与低噪声放大器u8同相输入端相连，低噪声放大器u8的反相输入端和输出端直接相连。本实施例中，驱动输出电路14的电路参数为：r24＝10kω。

磁通负反馈电路15用于将高通滤波器12输出电压转换为反馈电流接入反馈线圈两端，同时隔离反馈线圈的感应电压对于vo的影响。磁通负反馈电路15包含：两个低噪声放大器u9、u10、四个电阻r15、r16、r17、r18、两个反馈电阻rfb。电阻r17的一端与电阻r10和低噪声放大器u5相连，另一端与低噪声放大器u9的反相输入端相连，低噪声放大器u9的同相输入端接地，电阻r15连接在低噪声放大器u9的反相输入端和输出端之间，电阻r18连接在低噪声放大器u9的输出端和低噪声放大器u10的反相输入端之间，电阻r16连接在低噪声放大器u10的反相输入端和输出端之间，低噪声放大器u10的同相输入端接地，两个反馈电阻rfb分别连接在两个低噪声放大器u9和u10的输出端和反馈线圈的两个输入端之间。电阻r17、r15和低噪声放大器u9，电阻r8、r16和低噪声放大器u10分别构成增益为1的反相低噪声放大器，起到隔离的作用；电阻rfb为反馈电阻，起到限流的作用。

在本实施例中，磁通负反馈电路15的电路参数为：电阻r15＝r16＝r17＝r18＝10kω，反馈电阻rfb＝6.8kω。

标定输入电路16用于实现磁棒天线a进行简单方便的自我标定的功能，本实用新型将反馈线圈的功能复用，亦用做标定的激励线圈，设计相应的标定输入电路16，和磁通反馈电路7结合，将信号源的标准激励信号输送给激励线圈，从而产生标准的激励磁场，用于磁棒天线a的实验室简单标定所用。标定输入电路16包含：两个用于外界信号源激励信号输入的端口+cal、-cal，一个低噪声放大器u11，五个电阻r19、r20、r21、r22、r23。电阻r19的一端与电阻r17和低噪声放大器u9反相输入端相连，另一端与低噪声放大器u11的输出端相连，电阻r20连接在低噪声放大器u11的反相输入端和输出端之间，电阻r21一端接地，一端与低噪声放大器u11的同相输入端相连，电阻r22与端口+cal和低噪声放大器u11的同相输入端相连，r23一端与低噪声放大器u11的反相输入端相连，另一端接地并与端口-cal相连。其中，端口+cal和-cal是用于信号源激励信号输入的端口，电阻r20、r21、r22、r23和低噪声放大器u11构成一个减法器，激励线圈中的激励电流为：

i＝v/rfb

其中，v为信号源激励信号的电压幅度，一般用几伏的信号可以产生几百微安的激励电流，激励出几十nt的激励磁场，磁场的强度可由激励信号的幅度控制，频率与激励信号的频率一致。

在本实施例中，标定输入电路16的电路参数为：电阻r19＝r20＝r21＝r22＝r23＝10kω。

另外，本实施例中，所有低噪声放大器u1～u11的型号均为adi公司的ada4898，其电流噪声为2.4pa/√hz，电压噪声为0.9nv/√hz。

磁棒天线a与前端信号调理电路10的电路连接和磁棒天线a的实验室标定过程如下：

如图3所示，将磁棒天线a接入前端信号调理电路10，其中感应线圈的一对差分输出端口101、103分别接入前端信号调理电路10中的端口3和端口5，它们是仪表放大器11的两个输入端口，感应线圈的中间抽头端102接入前端信号调理电路10的端口4(电路的地)，激励线圈的两个端口104、105分别和前端信号调理电路10的端口1和2连接，它们是标定输入电路的两个激励信号输出端口。信号源b和端口7、8相连，它们是标定输入电路16的激励信号输入端口(+cal和-cal)，端口6是磁棒天线a的接收信号经过前端信号调理电路10后的最终输出端口，将输出端信号和信号源的激励信号同时接入示波器c的两个通道进行观测。

用信号源b给定激励信号的峰峰值恒定为2v，频率从1khz到200khz间隔取值的标准正弦波激励信号，此时产生的激励磁场的磁感应强度为26.60nt。用示波器c测得磁棒天线a的信号输出端(端口6)的电压并用此值除以此时激励线圈产生的激励磁场26.60nt，即得到各个频率点处磁棒天线a的电压灵敏度。

以上实施例仅仅是对本实用新型技术方案所做的举例说明。本实用新型所涉及的宽频带vlf差分式磁棒接收天线的前端信号调理电路并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的结构，而是以权利要求所限定的范围为准。本实用新型所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本实用新型所要求保护的范围内。