某型低頻發(fā)信天線及其特定方向輻射加強(qiáng)技術(shù)研究?

陳英豪 高美珍 李金猛 魏 來 劉 飛 洪家平

1 引言

頻率處于30Hz～300Hz之間的低頻無線電信號(hào)，其在地－電離層波導(dǎo)與海水中傳播衰減?。?～2］、距離遠(yuǎn)、入水深，在水下通信方面得到了廣泛應(yīng)用［3］。美俄等潛艇大國為了實(shí)現(xiàn)岸上指揮機(jī)構(gòu)與遠(yuǎn)距離、大深度戰(zhàn)略彈道導(dǎo)彈核潛艇等水下機(jī)動(dòng)平臺(tái)隱蔽通信，早在冷戰(zhàn)時(shí)期即開始研發(fā)某型低頻對(duì)潛通信技術(shù)［4～6］。目前，世界上也只有少數(shù)幾個(gè)國家掌握了這項(xiàng)技術(shù)。某型低頻對(duì)潛通信的一大技術(shù)難題是發(fā)信天線的設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)天線不能滿足其對(duì)通信可靠性與可實(shí)現(xiàn)性的要求，目前輻射效率最高、技術(shù)最成熟的是接地天線［7］。然而，接地天線的方向特性使得當(dāng)使用一副天線進(jìn)行全方位通信時(shí)，其可靠性無法得到保證。對(duì)這一問題的解決方案是架設(shè)兩副在空間上相互正交的接地天線構(gòu)成一個(gè)天線陣，根據(jù)目標(biāo)所在區(qū)域的不同而選用對(duì)該區(qū)域輻射較強(qiáng)的天線與其通信。該方法對(duì)提高通信可靠性有一定程度的改善作用，但是對(duì)某些方位區(qū)域的通信可靠性改善并不明顯，而且天線陣?yán)眯实汀１疚幕谔岣咄ㄐ趴煽啃院吞炀€利用效率，以接地天線陣為研究對(duì)象，對(duì)其特定方向輻射加強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行研究。

2 接地天線

低頻信號(hào)由于頻率低，波長長，若按照傳統(tǒng)理論，其發(fā)信天線的尺寸應(yīng)在波長四分之一的數(shù)量級(jí)上，即長度要達(dá)到幾百到幾千千米。這樣的天線無論從實(shí)用性、抗毀性，還是地理?xiàng)l件來說都是無法實(shí)現(xiàn)的。早期曾利用甚低頻天線來輻射該低頻信號(hào)，發(fā)現(xiàn)其輻射效率極低，輸入兆瓦級(jí)的功率，輸出得到的只有十幾毫瓦，無法滿足要求，根本原因就在于天線尺寸相對(duì)信號(hào)波長來說太小。為了克服上面這一類天線的缺點(diǎn)，在眾多發(fā)信天線設(shè)計(jì)方案中有一種接地天線，這種接地天線以其尺寸相對(duì)信號(hào)波長而言尺寸小、而輻射效率相對(duì)較高，從而達(dá)到了實(shí)用水平［8］。

2.1 接地天線原理

接地天線是種中間饋電、兩端接地的水平低架天線，載有信息的電流信號(hào)從發(fā)信機(jī)發(fā)出，經(jīng)引饋線和饋線傳輸?shù)教炀€，再經(jīng)地網(wǎng)連接線和地網(wǎng)流入大地。水平天線、饋線、地網(wǎng)連接線和地面以下形成的導(dǎo)電層就構(gòu)成了一個(gè)電流環(huán)，這個(gè)電流環(huán)可以等效為環(huán)形天線。接地天線的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示［9］。

該接地天線可以等效為一個(gè)水平放置的磁偶極子［10～11］，等效磁矩 M=IL(H+W)。 I 為接地天線中的電流，L為接地天線的長度，H為天線架設(shè)高度，W為電流在大地中的有效穿透深度。由理論分析知，電流有效穿透深度W=δ/，δ為相應(yīng)頻率電流的集膚深度，，ω 為電流角頻率，σ為天線所在地址的有效電導(dǎo)率，μ為自由空間的磁導(dǎo)率。

可見，電流越大，接地天線越長，天線架設(shè)越高，電流對(duì)大地有效穿透深度越深，則等效磁矩M越大，天線輻射功率就越大，效率也越高。因而，為了提高輻射功率和效率，就需要增大等效磁矩M。由于增加天線架設(shè)長度和高度不夠經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)實(shí)，增大M的可行辦法就是增加電流的有效穿透深度W，也就是增大電流的集膚深度δ，這也就需要電導(dǎo)率σ非常小。一般要求接地天線選址在電導(dǎo)率σ不大于10-4s/m的地質(zhì)年久的花崗巖地區(qū)，并且兩端接地要良好，這樣可以使得電流的有效穿透深度達(dá)到數(shù)千米。此時(shí)，天線架設(shè)高度可以低于幾十米，減輕了天線架設(shè)技術(shù)難度，并且可以忽略掉它對(duì)等效磁矩的影響。

天線長度受地理?xiàng)l件、架設(shè)難度、抗毀能力、天線帶寬等諸多因素的限制，一般為幾十千米。天線輸入電流大小受低頻發(fā)信機(jī)功率容量、天線容量的限制，一般為幾百安培以下。這樣一來，接地天線大大減小了該低頻發(fā)信天線尺寸，便于架設(shè)且能獲得較高的輻射效率，因而從眾多方案中脫穎而出并進(jìn)入了實(shí)用化。

2.2 接地天線方向特性

接地天線的方向特性與水平磁偶極子相同，其歸一化方向函數(shù)F(φ)=cosφ，φ為場點(diǎn)相對(duì)天線軸向的方位角，它在赤道面內(nèi)的歸一化方向圖是“∞”字形，如圖2所示。

圖2 接地天線的方向圖

3 某型低頻信號(hào)特定方向輻射加強(qiáng)技術(shù)

由接地天線方向特性可知，接地天線輻射的某型低頻信號(hào)能量在空間中的分布是不均勻的。具體來說，目標(biāo)在沿著接地天線軸向方向的區(qū)域里接收到的信號(hào)較強(qiáng)，而在垂直于天線軸向方向的區(qū)域里接收到的信號(hào)很微弱，甚至可能接收不到。這樣，單副接地天線對(duì)目標(biāo)通信時(shí)，其可靠性得不到有效保證。因此，解決方案是架設(shè)兩副相互正交的接地天線陣，根據(jù)目標(biāo)所處的區(qū)域，選用在該方位輻射較強(qiáng)的天線與其通信。該方案對(duì)提高通信可靠性有一定程度的改善作用，但是對(duì)某些方位區(qū)域的通信可靠性改善并不明顯，而且天線陣?yán)眯实?。為了進(jìn)一步提高通信可靠性與天線利用率，本文基于正交接地天線陣，來研究特定方向上的輻射加強(qiáng)技術(shù)。

3.1 某型低頻信號(hào)特定方向輻射加強(qiáng)天線陣技術(shù)

實(shí)現(xiàn)某型低頻信號(hào)特定方向輻射加強(qiáng)的技術(shù)方法，是在同一地址上架設(shè)兩副空間上相互正交的接地天線來組成天線陣，通過控制輸入兩副接地天線電流的相位差ψ，使兩副接地天線的輻射場在水平方向場點(diǎn)（接收點(diǎn)）上合成，得到特定方向輻射加強(qiáng)的輻射場。某型低頻信號(hào)特定方向輻射加強(qiáng)天線陣原理示意圖如圖3所示。

圖3 天線陣輻射加強(qiáng)原理圖

為了便于討論，我們?cè)O(shè)AEW，ANS分別表示東西向和南北向兩副天線，天線陣電等效示意圖如圖4所示。

圖4 特定方向輻射加強(qiáng)天線陣電等效示意圖

圖中，INS表示輸入南北天線的電流，IEW表示輸入東西天線的電流，θ為ANS，AEW的電夾角（一般假定兩副天線架設(shè)區(qū)域各處電導(dǎo)率σ一致，θ即為兩天線空間夾角），φ為場點(diǎn)相對(duì)于南北向天線軸向的空間方位角，天線陣在空間某點(diǎn)的輻射電場E是兩副天線分別在INS，IEW激勵(lì)下輻射的疊加［12］。

3.2 某型低頻信號(hào)特定方向輻射加強(qiáng)天線陣方向性分析

設(shè)ψ為東西向天線AEW相對(duì)于南北向天線ANS的輸入電流相位差，θ=90°，結(jié)合上文分析，可知本天線陣水平方向上的歸一化方向函數(shù)為

展開為

依據(jù)和差化積公式，進(jìn)一步化為下式

要使得方位φ?qǐng)鳇c(diǎn)輻射盡量加強(qiáng)，也就是|F(φ)|2最大。根據(jù)上述推導(dǎo)結(jié)果，后兩項(xiàng)均為非負(fù) ，可 知 必 有 (cosψ-sin2φ)2=0 ，因 而ψ=arccos(sin 2φ) 。 也 就 是 說 按 照ψ=arccos(sin 2φ)來控制兩副天線輸入電流相位差，即可獲得該方位輻射加強(qiáng)。此時(shí)，天線陣在水平方向上的歸一化方向函數(shù)，其方向圖如圖5所示。

圖5 特定方向輻射加強(qiáng)天線陣方向圖

為了提高特定方向輻射場強(qiáng)，在架設(shè)天線陣時(shí)要使兩副天線正交或者近似正交，這樣我們通過控制兩天線上電流相移ψ=arccos(sin2φ)，就能在 φ方向得到最大輻射強(qiáng)度，即實(shí)現(xiàn)了天線陣在特定方向輻射加強(qiáng)。

4 結(jié)語

某型低頻信號(hào)特定方向輻射加強(qiáng)方法，是將兩副正交的接地天線構(gòu)成天線陣，通過控制輸入兩副天線的電流相位差來使水平方向特定場點(diǎn)處合成的天線陣輻射場達(dá)到最強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了某型低頻信號(hào)特定方向輻射加強(qiáng)。該方法簡單易實(shí)現(xiàn)，但需要在架設(shè)之初即對(duì)兩副接地天線的電夾角進(jìn)行測量控制，在應(yīng)用時(shí)根據(jù)目標(biāo)所處方位實(shí)時(shí)精確控制輸入天線電流的移相角。采用該方法輻射某型低頻信號(hào)，能提高發(fā)信可靠性與天線陣?yán)眯?，從而使岸基指揮機(jī)構(gòu)能夠更加有效地指揮與控制遠(yuǎn)程深水潛艇。

［1］潘威炎.長波超長波傳播［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2010.

［2］羅卓穎.超低頻傳播特性分析［J］.艦船電子工程，2009，29（2）：148-150.

［3］靳致文.VLF／SLF波傳播及其對(duì)潛通信與導(dǎo)航中的應(yīng)用［J］.裝備環(huán)境工程，2008，5（2）：57-61.

［4］ FIELD E C，HOPKINs w D，ROBERTS M A． An aero-stat-suppored ELE／VLF transmitter［J］.Radio Sci?ence，1989，24（2）：235-246.

［5］張建華.潛艇水下隱蔽通信技術(shù)研究［J］.艦船電子工程，2010，30（2）：24-26.

［6］何非常.軍事通信［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2000.

［7］史偉，野學(xué)范，胡冬梅.超低頻無線電通信技術(shù)及其在國外潛艇通信中的應(yīng)用［J］.通信技術(shù)，2011（7）：12-15.

［8］馮允平.接地技術(shù)與接地系統(tǒng)［M］.北京：科學(xué)出版社，2002.

［9］儲(chǔ)鐘圻.遠(yuǎn)程通信［M］.北京：中國電力出版社，2008.

［10］李莉.天線與電波傳播［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.

［11］章文勛.天線［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

［12］史偉，滕敦朋.基于接地天線的超低頻信號(hào)全向輻射方法［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（22）：91-93.