超低頻水下發(fā)射天線的可行性研究＊

閆曉偉

（解放軍92060部隊(duì) 大連 116041）

1 引言

由于超低頻電磁波信號(hào)在大氣中傳播衰減小，信號(hào)幅值和相位相對(duì)穩(wěn)定，并能滲透比甚低頻更深的土壤和海水，被地下或水下的接收機(jī)接收，因此廣泛應(yīng)用于軍事通信領(lǐng)域，特別是大深度對(duì)潛通信［1～3］。由于海水對(duì)電磁波的衰減系數(shù)與頻率的平方根成正比，用降低頻率的辦法可以達(dá)到增加對(duì)海水穿透深度的目的，但根據(jù)無(wú)線電通信理論，超低頻電磁波的波長(zhǎng)很長(zhǎng)（1000km～10000km），要想構(gòu)成具有較高輻射能力的超低頻發(fā)射系統(tǒng)，就需要有一個(gè)延伸上千公里的極其龐大的發(fā)信天線場(chǎng)，而且天線場(chǎng)地的電導(dǎo)率要盡可能低，發(fā)射機(jī)要有幾兆瓦甚至幾十兆瓦的功率，規(guī)模巨大，價(jià)格昂貴。而且陸基固定臺(tái)站抗毀能力較差，在戰(zhàn)時(shí)是敵方打擊的重要目標(biāo)。為此有些國(guó)家建造了車(chē)載或機(jī)載通信用機(jī)動(dòng)式超低頻發(fā)射電臺(tái)，其天線分別用氣球升舉或飛機(jī)拖拽。

由電磁波傳播理論可知，無(wú)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)［4］。超低頻電磁波在海水中傳播的波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其在自由空間的波長(zhǎng)。如果能在海水中構(gòu)成超低頻發(fā)射天線，則只需架設(shè)幾百米的天線，即可達(dá)到超低頻信號(hào)有效輻射的電長(zhǎng)度［5］。而在陸地上，達(dá)到同樣的輻射電長(zhǎng)度，就必須架設(shè)幾千公里長(zhǎng)的天線。如果這種方案可行，那么必然大大降低超低頻發(fā)射系統(tǒng)的成本，而且目標(biāo)隱蔽，生存能力強(qiáng)，對(duì)我國(guó)發(fā)展超低頻電磁波對(duì)水下設(shè)備進(jìn)行通信具有很好的應(yīng)用前景。

本文在分析超低頻發(fā)射天線現(xiàn)狀和發(fā)展的基礎(chǔ)上，研究了超低頻電磁波從海水傳入大氣時(shí)，在海面處發(fā)生的反射和透射，穿透海面的能量集中在界面附近，沿兩種介質(zhì)分界面?zhèn)鞑サ膫?cè)面波的近似計(jì)算公式。通過(guò)對(duì)比近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)海水中海面附近單位水平電偶極子在海水中100m水深處產(chǎn)生的電磁場(chǎng)和美國(guó)一個(gè)超長(zhǎng)波臺(tái)的數(shù)據(jù)，對(duì)超低頻水下發(fā)射天線的可行性進(jìn)行研究。

2 超低頻發(fā)射天線設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

2.1 固定式超低頻對(duì)潛通信系統(tǒng)

國(guó)外采用超低頻對(duì)潛通信主要有美國(guó)和前蘇聯(lián)，其中美國(guó)為解決北極星彈道導(dǎo)彈核潛艇的通信問(wèn)題，于1958年開(kāi)始研制超低頻對(duì)潛通信系統(tǒng)，1986年建成并投入使用，耗資巨大，技術(shù)先進(jìn)，系統(tǒng)完整。該電臺(tái)由兩部分組成，一部分位于威斯康星州，另一部分位于密執(zhí)安州，兩地相距258km，兩部分可以聯(lián)合工作，亦可分別單獨(dú)工作。天線總長(zhǎng)135km，總功率5280kW，最佳頻率選定為76Hz，美國(guó)利用它在7000～8000km范圍內(nèi)對(duì)水下100m的潛艇進(jìn)行通信，用于傳送緊急行動(dòng)信息，或告知它浮至合適的深度接收用其它通信系統(tǒng)傳送的信息，起一種傳呼的作用。

前蘇聯(lián)也大力研制和建設(shè)超低頻對(duì)潛通信系統(tǒng)，1983年開(kāi)始使用，在里加和哥麥爾建成過(guò)兩個(gè)發(fā)射臺(tái)，工作頻率82Hz。蘇聯(lián)解體后，原來(lái)的臺(tái)已經(jīng)撤走，目前的發(fā)射臺(tái)設(shè)在與芬蘭交界的科拉半島的科拉鎮(zhèn)附近，兩根發(fā)射天線相互平行，各長(zhǎng)60km，兩端接地，彼此相距10.5km，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)，投入巨額資金。輻射能力比美國(guó)的高十多分貝。

陸基固定式超低頻對(duì)潛通信系統(tǒng)的缺點(diǎn)是：

1）天線輻射效率非常低，在距離幾千公里之外的水下接收，要發(fā)出一點(diǎn)點(diǎn)強(qiáng)度的信號(hào)，也需要幾兆瓦的電力，并且這個(gè)信號(hào)還必須克服在地球周?chē)a(chǎn)生的磁暴所引起的極高電平的電磁噪聲干擾；

2）帶寬窄，數(shù)據(jù)傳輸率極低，只允許用短碼發(fā)射無(wú)線電信息。發(fā)出簡(jiǎn)單的電報(bào)，也需要較長(zhǎng)的時(shí)間；

3）另外超低頻天線系統(tǒng)抗毀能力較差，在戰(zhàn)時(shí)是敵方打擊的重要目標(biāo)。為此有些國(guó)家建造了車(chē)載或機(jī)載通信用機(jī)動(dòng)式超低頻發(fā)射電臺(tái)，其天線分別用氣球升舉或飛機(jī)拖拽，以取得較好的通信效果。

2.2 機(jī)動(dòng)式超低頻對(duì)潛通信系統(tǒng)

美國(guó)于上世紀(jì)80年代后期研制了一個(gè)由高空氣球發(fā)射天線等組成的車(chē)載式機(jī)動(dòng)ELF／VLF實(shí)驗(yàn)通信系統(tǒng)，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由電氣、機(jī)械（含高空氣球）及系繩天線子系統(tǒng)組成。電氣子系統(tǒng)包括將信號(hào)發(fā)送到天線所需的全部組件。它由一個(gè)25kW的ELF／VLF功率放大器、激勵(lì)器和3180m長(zhǎng)的垂直單極天線組成，可在72Hz～160Hz間發(fā)射8或16波特的 MSK連續(xù)波信號(hào)，并在系留時(shí)承受45m／s的地面風(fēng)速。這種可機(jī)動(dòng)的高空氣球支撐的垂直偶極子天線系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)超低頻機(jī)動(dòng)通信的關(guān)鍵之一。

采用氣球提升的超低頻發(fā)射天線有一定的軍事價(jià)值，但不是很理想，它的主要缺點(diǎn)是：展開(kāi)慢、機(jī)動(dòng)能力差、生存能力弱等。因此只是作為應(yīng)急使用。還有一種機(jī)載式超低頻通信系統(tǒng)，作為一種具有可部署性、機(jī)動(dòng)性、抗摧毀性的獨(dú)立自備式通信系統(tǒng)，用于戰(zhàn)略與戰(zhàn)術(shù)通信。

機(jī)載式超低頻通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：1）小的垂直偶極子天線能輻射大的功率；2）它不受地理?xiàng)l件限制，便于機(jī)動(dòng)；3）天線帶寬，可提高信號(hào)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)率；4）可建立一套混合的ELF／VLF系統(tǒng)；5）體積小、重量輕、高效率的固態(tài)發(fā)射機(jī)。

3 超低頻水下發(fā)射天線的可行性

3.1 超低頻電磁波在海水中的傳播波長(zhǎng)和傳播路徑

由電磁波傳播理論可知，無(wú)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)。由超低頻電磁波在海水中傳播的波長(zhǎng)λs：

式中，f是超低頻電磁波頻率（Hz）；μ0為自由空間的磁導(dǎo)率，（地下介質(zhì)和海水介質(zhì)的磁導(dǎo)率與自由空間磁導(dǎo)率相同）μ0＝4π×10－7（H／m）；σs為海水電導(dǎo)率，σs＝4（S／m）。例如：頻率100Hz的電磁波，在自由空間的波長(zhǎng)為3000km，而在海水中波長(zhǎng)僅158m。

當(dāng)波源和接收點(diǎn)均在海水中時(shí)，傳播路徑可概括為四種［6］：第一種是直射波，由于波源附近隨距離增大而急劇衰減，僅能觀測(cè)到近場(chǎng)區(qū)；第二種是反射波，波到達(dá)海面或海底時(shí)被反射，因?yàn)榉冗^(guò)小，很難被觀測(cè)到；第三種是波到達(dá)海面時(shí)，除一部分反射外，另一部分進(jìn)入大氣，沿海面向周?chē)鷤鞑?，海面?zhèn)鞑ミ^(guò)程中，有一小部分能量又進(jìn)入海中，向下傳播至觀測(cè)點(diǎn)；第四種是當(dāng)海底地質(zhì)的電導(dǎo)率遠(yuǎn)低于海水時(shí)，電磁波向下傳播，一部分穿透海底，沿海底與海水交界面橫向傳播，并不斷有一部分能量向上進(jìn)入海水傳至接收點(diǎn)，類(lèi)似第三種方式，其優(yōu)于第一種而次于第三種，如圖1所示。

圖1 海面下超低頻場(chǎng)源到接收點(diǎn)傳播路徑

3.2 海水中單位水平電偶極子在海水中產(chǎn)生的電磁場(chǎng)

超低頻電磁波在海水向大氣中傳播時(shí)，穿透海面的能量集中在界面附近，并不向大氣層內(nèi)部傳播，這種波沿兩種介質(zhì)分界面?zhèn)鞑サ?，也稱之為側(cè)面波［7～8］。下面以水平電偶極子作為場(chǎng)源，分析海面下場(chǎng)源發(fā)射超低頻電磁波的特性。海面附近電偶極子產(chǎn)生的電磁場(chǎng)一般可分為直接波、理想的反射波（理想鏡像產(chǎn)生的波）和表面波（側(cè)面波加修正項(xiàng)）三項(xiàng)。在較遠(yuǎn)的距離上，直接波和反射波可以忽略，所以側(cè)面波加修正項(xiàng)等于海水中偶極子的遠(yuǎn)距離電磁場(chǎng)［9］。

當(dāng)滿足條件ρ?d＋z；ksρ?1時(shí)，

Ronold W.P.King［10］定義了三個(gè)臨界距離：

圖2 海面下側(cè)單位水平電偶極子在水下100m處的電場(chǎng)強(qiáng)度隨傳播距離和頻率的關(guān)系（近場(chǎng)）

同時(shí)須滿足以下條件：

1）當(dāng)5ρA＜ρ＜ρB／5時(shí)，近場(chǎng)：

圖3 海面下側(cè)單位水平電偶極子在水下100m處的電場(chǎng)強(qiáng)度隨傳播距離和頻率的關(guān)系（中場(chǎng)）

2）當(dāng)20ρB＜ρ＜ρC／5時(shí)，中場(chǎng)：

從圖2～圖3可以看出，海面下側(cè)單位水平電偶極子在中場(chǎng)水平距離（5000km）和水深100m處的電場(chǎng)比近距離（100km）同樣深度衰減2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，和近場(chǎng)傳播不同的是，超低頻段（30Hz～300Hz）在固定的中場(chǎng)距離（5000km）上，電磁場(chǎng)的幅度隨頻率的升高不是單調(diào)減小的，而是在某一個(gè)頻率（100Hz左右）有極大值。這主要是因?yàn)椋阂环矫骐娏骶氐妮椛涫请S頻率升高而增大的；另一方面，電磁波的衰減也隨頻率的升高而增大。這個(gè)結(jié)論和文獻(xiàn)［9］中的一致。下面計(jì)算近場(chǎng)水下發(fā)射天線達(dá)到美國(guó)的一個(gè)超長(zhǎng)波發(fā)射臺(tái)在水平距離5000km水下100m處的場(chǎng)強(qiáng)（Eh（100）≈1.0606×10－11V／m）所需要的電流矩。已知該臺(tái)工作頻率為76Hz，發(fā)射天線長(zhǎng)22.5km，載電流300A。

表1 近中場(chǎng)時(shí)水下發(fā)射天線所需的電流矩（Am）

如表1所示，若采用水下發(fā)射天線，在30km距離上，達(dá)到同樣的場(chǎng)強(qiáng)需要300A的電流，僅需825m長(zhǎng)的天線。雖然傳播水平距離只有幾十km，但可作為一種應(yīng)急通信的方式，具有靈活機(jī)動(dòng)和隱蔽性的優(yōu)點(diǎn)。若采用中場(chǎng)水下發(fā)射天線，在5000km距離上，至少要3000根長(zhǎng)度為22.5km，載電流300A的天線組成的天線陣，才能達(dá)到美國(guó)的一個(gè)76Hz超長(zhǎng)波發(fā)射臺(tái)在同樣距離水下100m處的場(chǎng)強(qiáng)，無(wú)疑是耗費(fèi)巨大的。所以采用中場(chǎng)（＞1000km）水下發(fā)射天線對(duì)100m深度的水下設(shè)備進(jìn)行通信幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)的。但在近場(chǎng)距離上（30km），同樣采用的發(fā)射電流（300A），僅需很短的天線（825m），具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，采用水下超低頻發(fā)射天線，在水下海面附近架設(shè)天線，僅需要幾百米即可達(dá)到陸上幾百公里的天線的輻射功率，具有發(fā)射效率高的優(yōu)點(diǎn)；但是由于電磁波從水下穿透海面經(jīng)過(guò)一段水平距離又透入海水深處，經(jīng)歷兩次界面衰減，且側(cè)面波沿海面?zhèn)鞑ミ^(guò)程中也有一部分透入海水消耗。所以傳播水平距離一般只有幾十公里，但可作為一種應(yīng)急通信的方式，具有靈活機(jī)動(dòng)和隱蔽性的優(yōu)點(diǎn)。但如果進(jìn)一步提高水下發(fā)射的功率，則能有效提高傳播的水平距離。

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