具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例的一种水下航行器的海面拖曳天线的原理及应用如图1所示。海面拖曳天线包括：浮力线缆、前端天线和信号传输单元，前端天线和信号传输单元均布置在浮力线缆内，前端天线包括收信链路和发信链路。

收信链路用于接收水下航行器通信对象发射的两种不同频率的信号，将该两种信号进行混频，并从混频后的输出信号中滤除高频信号保留低频信号输出给信号传输单元，通过信号传输单元传输给水下航行器。

发信链路用于接收水下航行器通信对象发射的基准频率的信号，从信号传输单元接收水下航行器输出的另一频率的信号，将该两种信号进行混频，并从混频后的输出信号中滤除低频信号保留高频信号发射给水下航行器通信对象。

优选的，本发明实施例的海面拖曳天线的浮力线缆为光缆，信号传输单元包括互相电连接的信号放大器和光电转换器，将电信号转换为光信号或将光信号转换为电信号，来实现前端天线和水下航行器间的信号传输。现有技术中，通常采用同轴线缆将天线接收到的信号传回水下航行器内，损耗较大。本发明实施例中采用光缆代替同轴线缆，损耗较少。

优选的，水下航行器包括线缆绞车、信号发射模块和信号接收模块。线缆绞车用于调节浮力线缆的长度。

本发明实施例的海面拖曳天线系统中的前端天线和信号传输单元，直径均较小，以便可以置入中空的浮力线缆内部。

水下航行器采用海面拖曳天线系统与卫星进行通信时，若卫星端仅有发射天线，海面拖曳天线仅启用收信链路进行单向接收。如若水下航行器采用拖曳天线与无人机等近距离平台进行通信，则无人机端同时装备有两组中心频率不同的发射天线，一组接收天线，海面拖曳天线同时启用收信链路和发信链路与无人机进行双向通信。

优选的，前端天线因为处于复杂变化的海面环境中，姿态随海浪变化幅度较大，所以一般采用在不同姿态下均能保持全向性和高增益的天线。因为前端天线位于浮力线缆内部，空间有限，可采用Ku频段的小型全向天线，Ku的频段通常下行从10.7到12.75GHz，上行从12.75到18.1GHz，中心频率为12.75GHz。

现有技术中没有满足可以放置在浮力线缆内部，且在Ku频段进行光电转换的器件。现有的满足体积条件的光电转换器，如HFBR系列光电转换芯片，仅能在200MHz以下的频段对电信号和光信号进行互相转换。为此，本发明实施例的提出前端天线的差分混频排列方式，以小尺寸的前端天线组合，可以通过输入带宽为3.4GHz~15GHz的混频器，将含有信息的Ku频段（11 GHz -13GHz）载波搬移至200MHz，实现在200MHz频段进行通信，便于后续的信号传输和光电转换。

优选的，本发明实施例的收信链路包括接收模块、混频器和低通滤波器，接收模块用于接收两种不同频率的信号并输出给混频器，低通滤波器用于从混频器的输出信号中滤除高频信号后输出给信号传输单元。优选的，接收模块包括两组接收通道，每组接收通道均包括依次电连接的接收天线、信号放大器和带通滤波器。

如图2所示，海面拖曳天线收信链路中，无人机等平台通过两组不同的发射天线（发射天线a和发射天线L0）分别发射频率为f1和f2的电磁波信号；海面拖曳天线的前端天线通过两组不同的接收天线（接收天线a和接收天线b）对其进行接收，分别经由信号放大器（信号放大器a和信号放大器b）和带通滤波器（带通滤波器a和带通滤波器b）后进入混频器a进行叉乘；混频器的输出信号频率有两组，f1±f2，经过低通滤波器后，仅剩频率为f1-f2的信号；经由光纤信号传输单元内的信号放大器c、光电转换器a、光纤和光电转换器b等器件后进入水下航行器内部；在航行器内部再次经过信号放大器c放大之后到达接收机。

优选的，本发明实施例的发信链路包括接收发送模块、混频器和低通滤波器，接收发送模块用于接收水下航行器通信对象发射的基准频率的信号，低通滤波器用于从信号传输单元接收水下航行器输出的另一频率的信号，混频器用于将该两种信号进行混频，接收发送模块还用于从混频后的输出信号中滤除低频信号保留高频信号发射给水下航行器通信对象。

优选的，接收发送模块包括接收通道和发射通道，接收通道包括依次电连接的接收天线、信号放大器和带通滤波器，发射通道包括依次电连接的发射天线、信号放大器和带通滤波器。

如图3所示，无人机等平台通过发射天线L0向前端天线中的接收天线b发射基准频率f2的信号，作为混频器A的一项输入信号；水下航行器中的发射机，发出频率为f1-f2的信号，依次经过信号放大器B、信号传输单元的光电转换器B、光纤、光电转换器A 和信号放大器A后，经过低通滤波器A，到达混频器A，作为混频器A的另一项输入；混频器的两项输入信号在混频器内进行叉乘，输出两路频率分别为f1和2f2-f1的信号，经过带通滤波器A后，仅剩频率为f1的信号，通过功率放大器，由发射天线A将其发射给无人机等平台上的接收天线A。

优选的，前端天线包括一根发射天线和两根接收天线，收信链路和发信链路共用接收水下航行器通信对象发射的基准频率的信号的接收通道。如图2和图3所示，收信链路和发信链路共用接收天线b-信号放大器b-带通滤波器b的接收通道。

图4为水下航行器的海面拖曳天线的收信链路数学表达示意图。图中A、B、C、D均代表不同信号的幅度，a、b、γ、d为不同信号的相位，BPF为带通滤波器，LPF为低通滤波器。

图5为水下航行器的海面拖曳天线的发信链路数学表达示意图。图中A、B、C、D均代表不同信号的幅度，a、b、γ、d为不同信号的相位，BPF为带通滤波器。

以水下航行器与无人机在12.75GHz通信为例。优选的，收信链路关键部件中，带通滤波器a为腔体滤波器，其电气特性为：中心频率12.8GHz，带宽200MHz，对12.55GHz的信号有-40dB的衰减，确保过滤掉12.55GHz的信号；带通滤波器b为腔体滤波器，其电气特性为：中心频率12.5GHz，带宽200MHz；收信链路的混频器的工作频段为11 GHz-13GHz；低通滤波器为LC滤波器，截止频率为500MHz。

式（1）为半波长天线长度与频率的关系。

其中为天线长度，为电磁波波长，c为3*10^8，f为电磁波频率。

由式（1）可知，若采用传统的半波长天线接收0.2GHz频率电磁波，仅天线本身即需占用75cm长的拖曳天线内部空间；以Ku频段的前端天线为例，f1取值为12.75GHz，f2取值为12.55GHz，在0.2GHz进行光电转换与传输，则天线部分不会占用超过10cm长的拖曳线缆内部空间。

图6为12.75GHz信号波形图。

图7为12.55GHz信号波形图。

图8为收信链路中混频器输出的25.3GHz和200MHz信号波形图。

图9为收信链路中低通滤波器输出的200MHz信号波形图。

图10为发信链路中混频器的输出信号波形图，包括12.75GHz信号和12.35GHz信号。

下面具体说明本发明实施例的海面拖曳天线的发射天线、接收天线的优选实现方案。

本专利的几款发射、接收天线，以频率为划分标准，可以分为12.55GHz天线和12.75GHz天线。

为降低不同频率的天线间的干扰，在天线排列时，对于上述前端天线包括一根发射天线和两根接收天线，收信链路和发信链路共用接收水下航行器通信对象发射的基准频率的信号的接收通道的情况，前端天线的一根发射天线和两根接收天线采用正交排列方式，即指三根天线按照空间直角坐标系坐标轴的排列方式，两两之间相互正交，无人机端同样如此，如图11所示。

优选的，本发明实施例中，前端天线中天线采用缝隙天线。缝隙天线是在导体面上开缝隙形成的天线，缝隙天线的缝隙由两组长度相同，对称放置的缝隙构成，如图12所示。

若前端天线中的发射天线和接收天线采用缝隙天线，为使天线在拖曳线缆中达到谐振状态，需要对发射天线和接收天线的长度进行优化设计。

对于发射天线和接收天线，其缝隙天线的缝隙长度均根据以下步骤进行优化设计：

（1）根据预设的理论缝隙长度计算公式，计算确定所述缝隙天线的理论缝隙长度。例如，若缝隙天线涉及为半波天线，则理论缝隙长度应当为波长的一半。

（2）计算所述缝隙天线在工作环境中的阻抗特性，若所述缝隙天线此时为感性，则对所述缝隙天线的缝隙长度在所述理论缝隙长度的基础上进行缩短；若所述缝隙天线此时为容性，则对所述缝隙天线的缝隙长度在所述理论缝隙长度的基础上进行延长。

具体地，缩短或延长的长度的计算公式为：在此基础上，将其感抗代入以下公式：

其中为单边缝隙缩短或延长长度，为天线感抗或天线容抗，为天线缝隙的理论长度，为天线中心频率电磁波波长，d为缝隙宽度。

以上面包含一根发射天线和两根接收天线的海面拖曳天线为例，若收信链路的两根接收天线频率分别为12.55GHz接收天线和12.75GHz接收天线，发信链路共用该收信链路的12.75GHz接收天线，还包括一根12.55GHz发射天线，计算可知12.55GHz天线和12.75GHz天线在工作环境中的阻抗特性均为感性，若所有天线的缝隙宽度d取值为1mm，L取值为半波缝隙的理论长度12mm，计算可知代入上面公式，求得12.55GHz接收天线、12.75GHz接收天线和12.55GHz发射天线的单边缝隙缩短长度均为1mm。

图13和图14分别为12.55GHz天线和12.75GHz天线半波长和半波长基础上缩短1mm的反射系数对比。从图中可以看出，缩短1mm的两款天线在各自工作频率上谐振。0表示半波长天线，1表示在半波长基础上缩短1mm的天线。

本发明实施例的一种通信系统，包括上述任一实施例的水下航行器的海面拖曳天线，还包括水下航行器通信对象（无人机发射平台等）端。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。