ELF天線設(shè)計及應(yīng)用

天線（antenna)是一種變換器，它把傳輸線上傳播的導(dǎo)行波，變換成在無界媒介（通常是自由空間）中傳播的電磁波，或者進行相反的變換。在無線電設(shè)備中用來發(fā)射或接收電磁波的部件。無線電通信、廣播、電視、雷達、導(dǎo)航、電子對抗、遙感、射電天文等工程系統(tǒng)，凡是利用電磁波來傳遞信息的，都依靠天線來進行工作。此外，在用電磁波傳送能量方面，非信號的能量輻射也需要天線。一般天線都具有可逆性，即同一副天線既可用作發(fā)射天線，也可用作接收天線。同一天線作為發(fā)射或接收的基本特性參數(shù)是相同的。這就是天線的互易定理。

為了解決超長波通信系統(tǒng)傳輸速率低和弱信號接收困難這些固有的難點，主要從兩個方面入手:(1)精心設(shè)計和架設(shè)天線，通過合理的天線架設(shè)，提高天線的發(fā)射效率;(2)研究設(shè)計新型的適合超長波通信特點的調(diào)制編碼制度，目的是在低信噪比條件下大幅度提高傳輸效率。本文主要研究了設(shè)計和架設(shè)天線的新思路，并且通過試驗驗證得到了可喜的結(jié)果。

1 超長波天線設(shè)計現(xiàn)狀

在無線電通信領(lǐng)域中，要構(gòu)成有效的發(fā)射系統(tǒng)，就應(yīng)該使發(fā)信系統(tǒng)的天線長度接近所發(fā)信號的波長。否則，發(fā)射天線就不能形成有效的電波輻射。通常情況下，極低頻天線系統(tǒng)所需資金，將占據(jù)整個極低頻發(fā)信系統(tǒng)總投資中的絕大部分,并且，維護負(fù)擔(dān)將十分繁重。

另外，極低頻發(fā)射系統(tǒng)天線場的選址條件也十分苛刻。其發(fā)射天線場的基本選址原則是[3]：極低頻發(fā)射天線場區(qū)，應(yīng)該定址在具有很低電導(dǎo)率的區(qū)域。這就是說，極低頻發(fā)信系統(tǒng)應(yīng)該建設(shè)在符合特定地質(zhì)條件的區(qū)域內(nèi)。

2 超長波(ELF)發(fā)射天線設(shè)計

由電磁波傳播理論可知，無線電波在不同介質(zhì)中傳播時，其波長是不同的。其波長與傳播介質(zhì)的電參數(shù)密切相關(guān)。例如，無線電波在空中傳播時的波長，可以近似表示為：

根據(jù)公式(1)、(2)，可以得出如下推斷：對于頻率為100 Hz的無線電波來說,它在空氣中的波長大約為3 000 km。但是，在海水中的波長大約只有158 m左右。由此可見，對于同樣頻率的無線電波來說,當(dāng)它在不同的介質(zhì)中傳播時，其波長會有巨大的差別。可以說，這種極低頻對潛發(fā)信系統(tǒng)的設(shè)計構(gòu)想，必定可以降低極低頻天線的建設(shè)難度及建造費用，這對于開展我國極低頻通信系統(tǒng)的應(yīng)用研究具有十分重要的意義。

現(xiàn)在，就從極低頻的輻射和傳播入手，對這種發(fā)射方式的輻射和傳播情況，進行簡要的分析，以說明其可行性。

由電磁波傳播理論可知，當(dāng)電磁波在海水中傳播時，會受到衰減。其衰減量與電磁波的頻率密切相關(guān)。這種傳播衰減與頻率關(guān)系的統(tǒng)計平均值可由下式表達：

假定電磁波在水下傳至水面的傳播距離為d(m)；其總衰減量為A(dB)，則有：

其中：頻率f的單位為Hz，傳播距離d的單位為m。

若電磁波頻率為25 Hz，則a(f)=0.172 5 dB/m。如果在水下20 m深處架設(shè)極低頻天線,則電磁波在水下傳至水面的衰減量Ａ＝3.45 dB。假設(shè)水下極低頻系統(tǒng)向上輻射出100 kW（即80 dBm）的信號，則經(jīng)過20 m的傳播，當(dāng)它到達水面時，就被衰減為76.55 dBm。當(dāng)然，這76.55 dBm的信號，不可能完全穿透水面。在它穿越水面時，有相當(dāng)一部分信號能量，在海水與空氣這兩種傳播介質(zhì)的交界處被反射。而只需架設(shè)幾百米長的天線，就可到達同樣的發(fā)射效果。

3 天線性能對比分析

從幅射效率來看，美國現(xiàn)役ELF發(fā)信臺的發(fā)射機功率接近2 MW。但是,其實際輻射出的功率大約只有2 W~4 W。如果按照2 W計算，其輻射效率只有2 W/2 MW＝10-6，即輻射損耗為60 dB。其輻射損耗如此之大，是因為其發(fā)射天線的電長度遠未達到ELF的有效輻射長度所致。

當(dāng)發(fā)信天線架設(shè)于水中時，只需幾百米長就可以達到ELF有效輻射的電長度。如果假設(shè)其輻射效率為50 %(輻射損耗為3 dB),加上信號傳至水面的衰減3.45 dB，水面反射損耗40 dB,就得到水下發(fā)射的總衰耗約為46.45 dB。這個衰耗遠小于美國現(xiàn)役ELF發(fā)射臺(60 dB)的輻射損耗。

從輻射4 W信號所需的ELF發(fā)射機功率來分析。假設(shè)水下天線向上輻射100 kW的信號，向上輻射信號僅占總能量的25%。這樣，天線總共要輻射出400 kW的信號。又因為已假定輻射效率為50%，于是發(fā)射機功率應(yīng)為800 kW（如果取80%的輻射效率，則只需500 kW的發(fā)射機）。由此可見，采用水下發(fā)射方式，只需架設(shè)數(shù)百米的天線和800 kW的發(fā)射機，就可以達到美軍使用2 MW的發(fā)射機并且必須架設(shè)上百公里天線才能達到的通信效果。

從對潛通信深度上看，美軍現(xiàn)役ELF系統(tǒng)以2 W～4 W實現(xiàn)了百米深級的對潛通信?，F(xiàn)以4 W(36 dBm)，可通深度100 m為基準(zhǔn)，用類比方法分析水下ELF系統(tǒng)以800 kW和10 kW發(fā)射機所能達成的通信深度。

美軍ELF系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)工作頻率為76 Hz(亦可工作于44 Hz)。由電磁波在海水中的衰減公式(3)可知,頻率越低，信號衰減就越小，若取對美方有利的頻率44 Hz，其衰減α＝0.229 dB/m，則在海水中傳播100 m的衰減A＝22.9 dB。由此可知，可以達成對潛通信的類比參照基準(zhǔn)應(yīng)為：

S＝36 dBm－22.9 dBm＝13.1 dBm

現(xiàn)在，就以此電平(S＝13.1 dBm)為比較基準(zhǔn)，分析水下發(fā)射系統(tǒng)的對潛通信深度。假設(shè)其工作頻率為：f= 25 Hz，其在海水中的衰減α＝0.172 5 dB/m。

對于800 kW（即89 dBm）的發(fā)信系統(tǒng)來說，可以向空中輻射出4 W（即：36 dBm）的信號。它可能達成的通信深度為：

D＝(36－13.1)/0.172 5＝132(m)

若發(fā)信機功率為10 kW(70 dBm)，可能達成的通信深度為：

D＝[36－（89－70）-13.1]/0.172 5＝22.6(m)

在前邊的分析中，假定水下天線的輻射效率為50％（即輻射損耗3 dB）。如果水下天線的輻射效率為75％～85％。現(xiàn)取其為80％（即：輻射損耗為0.969 1 dB，取其為1 dB）。這樣，其有效信號能量就比上述分析時高出約2 dB。于是，其可達成的對潛通信深度就可增至：

D＝（2＋36－19－13.1）/0.172 5＝34.2(m)

由上分析可知，采用水下發(fā)射方式來實現(xiàn)極低頻對潛通信是可能的。而且，無論是從極低頻發(fā)射的有效性上，還是從天線系統(tǒng)的規(guī)模上來講，水下發(fā)射的設(shè)計思想不僅有效，而且經(jīng)濟小巧，采用這種設(shè)計方案可以節(jié)省上億元的天線建設(shè)經(jīng)費。如果這種系統(tǒng)得以實現(xiàn)，必將提高極低頻對潛通信的通信質(zhì)量和性能，極大地促進對潛通信指揮技術(shù)手段的進步，進一步增強對潛通信的可靠性。

4 仿真試驗

經(jīng)過理論分析后，為了證明這種設(shè)想的正確性，在實際環(huán)境中進行了功能性仿真試驗。首先構(gòu)建了極低頻發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)。發(fā)射系統(tǒng)包括發(fā)射機和天線，其中發(fā)射機采用UPS電源實現(xiàn)，由于設(shè)備的限制，無法進行精確的性能試驗，只是進行了原理驗證試驗。

4.1 ELF信號發(fā)射機

本試驗為功能性試驗，主要是為了驗證水下發(fā)射ELF信號的可行性，因此只需要選用一個ELF頻率進行發(fā)射試驗即可。這里通過改裝UPS電源電路實現(xiàn)了35 Hz的信號發(fā)射。發(fā)射原理如下：UPS電源電路其中一個重要的部分就是把直流電轉(zhuǎn)化為220 V的交流電，其默認(rèn)的交流電頻率為50 Hz。為了避開公用電力系統(tǒng)的干擾，同時也為了不影響電力系統(tǒng)，不能選用50 Hz頻率進行水下發(fā)射試驗。因此將UPS電源電路的交流頻率進行了調(diào)整，調(diào)整了決定交流頻率的可變電阻，使逆變器輸出的電流為35 Hz的準(zhǔn)正弦信號。

4.2 ELF發(fā)射天線

為了得到較好的實驗結(jié)果，驗證水下信號穿透水面?zhèn)鞑サ目尚行?，可以在水下布設(shè)一定長度的電纜作為簡單的超低頻水下發(fā)射天線。

4.3 ELF接收天線

接收天線內(nèi)部由不同寬度的鈸鏌合金條組成，橫截面基本呈圓形，外部由塑封管固定封裝，再由電感線圈纏繞在塑封管上組成接收天線體,電感線圈約為3 000匝，電感量約為20 μH。如圖1所示，電感線圈通過并接電容后，諧振頻率調(diào)整在35 Hz左右，天線接收到信號后送入放大器電路。

4.4 仿真結(jié)果分析

極低頻發(fā)射、接收系統(tǒng)構(gòu)建完成后，對其進行了原理性試驗。發(fā)射方式為改造1 000 W 的UPS充電電路，將輸出直接饋入做為天線的水下電纜，信號頻率為35 Hz，每隔2 s發(fā)送一次，每次持續(xù)2 s。接收方式為海上移動接收。接收到的信號通過場強儀采樣數(shù)據(jù)。記錄結(jié)果如圖2所示?？梢?，由場強儀的記錄結(jié)果可以很明顯地看到超低頻信號能夠成功穿透水面，并且隨著距離天線越遠，信號的強度呈下降趨勢。

本文在分析了國外極低頻技術(shù)發(fā)展及極低頻發(fā)射臺建設(shè)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，開拓思路，利用無線電波長在海水中的縮短規(guī)律,大膽提出極低頻水下發(fā)射的構(gòu)想，從理論上進行了可行性分析，并構(gòu)筑試驗平臺，驗證了理論結(jié)果，最后給出了建設(shè)方案和一些繼續(xù)研究的方向，為我國極低頻通信技術(shù)開辟了新的研究途徑。