摘   要： 為了克服超長(zhǎng)波天線建設(shè)困難、發(fā)射效率低下這一大難點(diǎn)，根據(jù)電磁波在不同介質(zhì)中的波長(zhǎng)變換原理，提出了在變介質(zhì)中構(gòu)建超長(zhǎng)波發(fā)射天線的方法，使得超長(zhǎng)波在介質(zhì)中的電長(zhǎng)度大大縮短，從而大幅度降低發(fā)射天線的設(shè)計(jì)難度，使天線高效輻射極低頻信號(hào)成為可能。通過理論分析，得出了該設(shè)計(jì)的正確性，并根據(jù)功能性仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證了變介質(zhì)超長(zhǎng)波發(fā)射天線的輻射性能。
關(guān)鍵詞： 極低頻; 天線; 變介質(zhì); 發(fā)射

　　超長(zhǎng)波通信是各國爭(zhēng)相研究的重要通信手段之一，主要應(yīng)用于遠(yuǎn)距離的可靠通信(這時(shí)數(shù)據(jù)率低不是主要，而可靠性是主要問題)，還應(yīng)用于遠(yuǎn)距離甚至全球的無線電導(dǎo)航、標(biāo)準(zhǔn)頻率和時(shí)間信號(hào)的廣播、低電離層研究、雷暴定位以及對(duì)水下潛艇的通信等。特別是海軍對(duì)水下潛艇的通信，由于海水對(duì)電波的強(qiáng)大吸收作用，采用超長(zhǎng)波通信幾乎成為唯一的手段。
　　ELF波段(30 Hz～300 Hz)無線電波主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)[1-2]：(1)對(duì)地下巖層和海水的穿透能力強(qiáng)；(2)傳播衰減小，作用距離遠(yuǎn)，甚至達(dá)到全球；(3)傳播相位穩(wěn)定，且有良好的可預(yù)測(cè)性；(4)受電離層擾動(dòng)的影響小，傳播情況穩(wěn)定。同時(shí)，超長(zhǎng)波通信具有隱蔽性好、信道穩(wěn)定可靠、抗截獲抗干擾能力強(qiáng)、抗毀和抗核爆能力強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)，因此可望成為戰(zhàn)爭(zhēng)中最后的通信手段。
　　但超長(zhǎng)波通信也存在一些明顯的缺點(diǎn)：帶寬窄、傳輸速率極低，只能達(dá)到每秒幾個(gè)比特，僅僅能傳輸一些最基本的信息，很難滿足信息化戰(zhàn)爭(zhēng)指揮控制的需要；該波段的天電干擾和工業(yè)干擾都十分嚴(yán)重，接收端的信噪比極低;需要龐大的發(fā)射天線，設(shè)備非常昂貴，且天線效率低下，信號(hào)衰減大。
　　為了解決超長(zhǎng)波通信系統(tǒng)傳輸速率低和弱信號(hào)接收困難這些固有的難點(diǎn)，主要從兩個(gè)方面入手:(1)精心設(shè)計(jì)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(jì)新型的適合超長(zhǎng)波通信特點(diǎn)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(jì)和架設(shè)天線的新思路，并且通過試驗(yàn)驗(yàn)證得到了可喜的結(jié)果。
1 超長(zhǎng)波天線設(shè)計(jì)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(zhǎng)度接近所發(fā)信號(hào)的波長(zhǎng)。否則，發(fā)射天線就不能形成有效的電波輻射。極低頻(30 Hz~300 Hz)是指波長(zhǎng)在1 000 km~10 000 km范圍內(nèi)的無線電信號(hào)。極低頻的波長(zhǎng)如此之大，不難看出：要想構(gòu)成具有較高輻射能力的極低頻發(fā)射系統(tǒng)，就需要有一個(gè)伸延上千公里的極其龐大的發(fā)信天線場(chǎng)。例如，美國原計(jì)劃建設(shè)的桑格文極低頻發(fā)信臺(tái)初期天線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)模，約占地7 766(km)2，其整個(gè)天線系統(tǒng)的長(zhǎng)度在8 045 km以上，如此巨大規(guī)模的天線系統(tǒng)，預(yù)計(jì)投資在10億美元以上，以致美國不得不一再擱淺該計(jì)劃；前蘇聯(lián)在科拉半島建造永久性的發(fā)射臺(tái)，選用30 Hz~200 Hz頻段工作，2根發(fā)射天線相互平行，各長(zhǎng)60 km，兩端接地，彼此相距10.5 km，各有一部發(fā)射機(jī)，由一個(gè)總控制臺(tái)控制，發(fā)射機(jī)功率為兆瓦級(jí)，其所需的巨額投資也可想而知。通常情況下，極低頻天線系統(tǒng)所需資金，將占據(jù)整個(gè)極低頻發(fā)信系統(tǒng)總投資中的絕大部分,并且，維護(hù)負(fù)擔(dān)將十分繁重。
　　另外，極低頻發(fā)射系統(tǒng)天線場(chǎng)的選址條件也十分苛刻。其發(fā)射天線場(chǎng)的基本選址原則是[3]：極低頻發(fā)射天線場(chǎng)區(qū)，應(yīng)該定址在具有很低電導(dǎo)率的區(qū)域。理想的極低頻發(fā)射天線場(chǎng)址，是具有前寒武紀(jì)花崗巖構(gòu)成的勞倫地盾區(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(zhǎng)波(ELF)發(fā)射天線設(shè)計(jì)
　　由電磁波傳播理論可知，無線電波在不同介質(zhì)中傳播時(shí)，其波長(zhǎng)是不同的。其波長(zhǎng)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(shí)的波長(zhǎng)，可以近似表示為：

　　根據(jù)公式(1)、(2)，可以得出如下推斷：對(duì)于頻率為100 Hz的無線電波來說,它在空氣中的波長(zhǎng)大約為3 000 km。但是，在海水中的波長(zhǎng)大約只有158 m左右。由此可見，對(duì)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(shí)，其波長(zhǎng)會(huì)有巨大的差別。這給筆者以很大的啟發(fā)，如果能夠利用這一現(xiàn)象，在海水中構(gòu)成極低頻發(fā)信天線，則只需架設(shè)幾百米的天線，即可達(dá)到極低頻信號(hào)有效輻射的電長(zhǎng)度了。如果在陸地上，達(dá)到同樣的輻射電長(zhǎng)度，就必須架設(shè)上千公里長(zhǎng)的天線。可想而知，在海水中架設(shè)幾百米長(zhǎng)的天線，與在特定地質(zhì)區(qū)域內(nèi)架設(shè)上千公里長(zhǎng)的陸基天線相比，所要花費(fèi)的代價(jià)必定會(huì)小得多?？梢哉f，這種極低頻對(duì)潛發(fā)信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)想，必定可以降低極低頻天線的建設(shè)難度及建造費(fèi)用，這對(duì)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(duì)這種發(fā)射方式的輻射和傳播情況，進(jìn)行簡(jiǎn)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(shí)，會(huì)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(jì)平均值可由下式表達(dá)：

　　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(hào)，則經(jīng)過20 m的傳播，當(dāng)它到達(dá)水面時(shí)，就被衰減為76.55 dBm。當(dāng)然，這76.55 dBm的信號(hào)，不可能完全穿透水面。在它穿越水面時(shí)，有相當(dāng)一部分信號(hào)能量，在海水與空氣這兩種傳播介質(zhì)的交界處被反射。只有一部分信號(hào)能量能夠穿越這個(gè)界面。從最不利的角度來看，海水與空氣界面的反射衰減大約為40 dB。于是，能夠穿透海水進(jìn)入大氣的信號(hào)能量，大約只有36.55 dBm。也就是說，當(dāng)在海水深度20 m處向上輻射100 kW的信號(hào)時(shí),大約會(huì)有4 W左右的信號(hào)被射入大氣之中。該信號(hào)的強(qiáng)度，與美國海軍現(xiàn)役極低頻發(fā)信臺(tái)所能輻射出的信號(hào)強(qiáng)度(2 W～8 W)的平均值相當(dāng)。但是，美國現(xiàn)役極低頻發(fā)信系統(tǒng)的天線長(zhǎng)度大約為135 km(其中：大約有45 km在克萊姆湖；90 km在密執(zhí)安州北部半島上)。而只需架設(shè)幾百米長(zhǎng)的天線，就可到達(dá)同樣的發(fā)射效果。
3 天線性能對(duì)比分析
　　從幅射效率來看，美國現(xiàn)役ELF發(fā)信臺(tái)的發(fā)射機(jī)功率接近2 MW。但是,其實(shí)際輻射出的功率大約只有2 W~4 W。如果按照2 W計(jì)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?yàn)槠浒l(fā)射天線的電長(zhǎng)度遠(yuǎn)未達(dá)到ELF的有效輻射長(zhǎng)度所致。
　　當(dāng)發(fā)信天線架設(shè)于水中時(shí)，只需幾百米長(zhǎng)就可以達(dá)到ELF有效輻射的電長(zhǎng)度。如果假設(shè)其輻射效率為50 %(輻射損耗為3 dB),加上信號(hào)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(gè)衰耗遠(yuǎn)小于美國現(xiàn)役ELF發(fā)射臺(tái)(60 dB)的輻射損耗。
　　從輻射4 W信號(hào)所需的ELF發(fā)射機(jī)功率來分析。假設(shè)水下天線向上輻射100 kW的信號(hào)，向上輻射信號(hào)僅占總能量的25%。這樣，天線總共要輻射出400 kW的信號(hào)。又因?yàn)橐鸭俣ㄝ椛湫蕿?0%，于是發(fā)射機(jī)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(jī)）。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(jī)，就可以達(dá)到美軍使用2 MW的發(fā)射機(jī)并且必須架設(shè)上百公里天線才能達(dá)到的通信效果。
　　從對(duì)潛通信深度上看，美軍現(xiàn)役ELF系統(tǒng)以2 W～4 W實(shí)現(xiàn)了百米深級(jí)的對(duì)潛通信。現(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(jī)所能達(dá)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(hào)衰減就越小，若取對(duì)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(dá)成對(duì)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(duì)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(duì)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(hào)。它可能達(dá)成的通信深度為：
　　D＝(36－13.1)/0.172 5＝132(m)
　　若發(fā)信機(jī)功率為10 kW(70 dBm)，可能達(dá)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％?，F(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(hào)能量就比上述分析時(shí)高出約2 dB。于是，其可達(dá)成的對(duì)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(shí)現(xiàn)極低頻對(duì)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(jì)思想不僅有效，而且經(jīng)濟(jì)小巧，采用這種設(shè)計(jì)方案可以節(jié)省上億元的天線建設(shè)經(jīng)費(fèi)。如果這種系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)，必將提高極低頻對(duì)潛通信的通信質(zhì)量和性能，極大地促進(jìn)對(duì)潛通信指揮技術(shù)手段的進(jìn)步，進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)潛通信的可靠性。
4 仿真試驗(yàn)
　　經(jīng)過理論分析后，為了證明這種設(shè)想的正確性，在實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行了功能性仿真試驗(yàn)。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(jī)和天線，其中發(fā)射機(jī)采用UPS電源實(shí)現(xiàn)，由于設(shè)備的限制，無法進(jìn)行精確的性能試驗(yàn)，只是進(jìn)行了原理驗(yàn)證試驗(yàn)。
4.1 ELF信號(hào)發(fā)射機(jī)
　　本試驗(yàn)為功能性試驗(yàn)，主要是為了驗(yàn)證水下發(fā)射ELF信號(hào)的可行性，因此只需要選用一個(gè)ELF頻率進(jìn)行發(fā)射試驗(yàn)即可。這里通過改裝UPS電源電路實(shí)現(xiàn)了35 Hz的信號(hào)發(fā)射。發(fā)射原理如下：UPS電源電路其中一個(gè)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(shí)也為了不影響電力系統(tǒng)，不能選用50 Hz頻率進(jìn)行水下發(fā)射試驗(yàn)。因此將UPS電源電路的交流頻率進(jìn)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(hào)。
4.2 ELF發(fā)射天線
　　為了得到較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證水下信號(hào)穿透水面?zhèn)鞑サ目尚行?，可以在水下布設(shè)一定長(zhǎng)度的電纜作為簡(jiǎn)單的超低頻水下發(fā)射天線。
4.3 ELF接收天線[4]
    　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(hào)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(duì)其進(jìn)行了原理性試驗(yàn)。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(hào)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(dòng)接收。接收到的信號(hào)通過場(chǎng)強(qiáng)儀采樣數(shù)據(jù)。記錄結(jié)果如圖2所示?？梢姡蓤?chǎng)強(qiáng)儀的記錄結(jié)果可以很明顯地看到超低頻信號(hào)能夠成功穿透水面，并且隨著距離天線越遠(yuǎn)，信號(hào)的強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。

　　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(tái)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開拓思路，利用無線電波長(zhǎng)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(jìn)行了可行性分析，并構(gòu)筑試驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)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。
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