甚長波通信臺站建設勘察選址要求和關鍵技術

曹誠

（海軍參謀部，北京 100841）

0 引言

由于甚長波具備一定的海水穿透能力，主要用于對水下潛艇和遠洋水面艦艇單向通信，是目前世界各國海軍岸基指揮所與水下潛艇通信的主要手段。甚長波發(fā)信系統(tǒng)設備龐大，系統(tǒng)復雜，特別是其發(fā)信天線系統(tǒng)結構復雜，使得甚長波通信臺站具有占地面積大、工程規(guī)模大、技術難度高、建設程序復雜、經(jīng)費投入多和建設周期長等特點，是建設難度極高的大型復雜通信工程之一。本文結合國內(nèi)外甚長波通信臺站建設情況和甚長波通信技術發(fā)展現(xiàn)狀，主要介紹了甚長波通信臺站建設勘察選址的要求和臺站建設中的主要關鍵技術。

1 甚長波通信臺站建設勘察選址要求

甚長波通信臺站建設重點是甚長波發(fā)信系統(tǒng)的建設，主要包括甚長波發(fā)射機、甚長波發(fā)信天線系統(tǒng)、發(fā)信機房、調(diào)諧亭、卷揚機房等專業(yè)用房以及設備機房、人員辦公和生活用房、水電路等附屬配套設施。由于甚長波通信臺站的地質(zhì)條件直接影響臺站的輻射效率和通信距離，特別是臺站的大地電導率對臺站的關鍵技術指標有著重要的作用，所以甚長波通信臺站勘察選址不但程序復雜，而且對擬選臺站地質(zhì)條件要求很高，一般程序是首先根據(jù)臺站的使命任務確定勘察選址的原則，其次是進行實地勘察確定擬選臺址，最后進行預可行性分析評估形成工程立項綜合論證報告。

1.1 勘察選址原則

根據(jù)國內(nèi)外甚長波通信臺站多年來的建設經(jīng)驗和臺站對地質(zhì)條件和周邊環(huán)境的特殊要求，在甚長波通信臺站勘察選址中一般把握以下原則：一是首先要滿足重要保障海域的甚長波通信覆蓋需求；二是為滿足功率容量要求，擬選臺址天線場區(qū)面積必須大于天線系統(tǒng)建設的最小占地要求；三是為提高系統(tǒng)輻射效率，天線場區(qū)地形要基本平坦，不應有大的地形起伏，植被要低矮、稀少。近場傳播區(qū)域地形應開闊；四是近場傳播區(qū)域大地電阻率要低，在沿海區(qū)域應盡量選擇半島或濱海區(qū)域，在內(nèi)陸盡量選擇水庫、河流及濕地等低電阻區(qū)域；五是要具備較好的自然和人文環(huán)境，應避開地震帶、高雷暴區(qū)、臺風走廊等區(qū)域，應有較好的交通運輸、供電供水及生活保障依托。勘察選址的一般方法是圖上作業(yè)、收集資料、實地勘察。主要的勘察內(nèi)容是測量場區(qū)面積，了解周邊電磁和地理環(huán)境，測量大地電阻率等。

1.2 預可行性分析評估

開展詳細的水文、氣象、交通、地質(zhì)、供電、給排水等資料收集，進行地質(zhì)勘探、地震安全性評估、地質(zhì)災害評估、環(huán)境影響評價等工作，排除可能影響工程建設的顛覆性因素，同步開展天線選型論證工作，確定發(fā)射機功率等級和天線輻射效率等主要技術指標，從而確定工程建設的總體規(guī)模、初步建設方案和經(jīng)費需求，對擬選臺址建設甚長波通信臺站的可行性進行深入的分析評估。

臺站主要技術指標確定的方法是：根據(jù)甚長波電波傳播信道特性，假定臺站大致位置，結合保障海域范圍、國際電聯(lián)公布的4個季度、每天6個時間點噪聲數(shù)據(jù)、收信設備的技術水平、常用工作頻率來計算臺站不同輻射功率條件下通信覆蓋范圍內(nèi)（一般將覆蓋范圍等距劃分為若干個點）各點信噪比，若信噪比大于收信設備信噪比，判為可通，否則不可通，以此統(tǒng)計可通點數(shù)的百分比，確定臺站所需達到的最大輻射功率，結合當前科技水平合理確定發(fā)射機功率等級和天線輻射效率等主要技術指標[1]。

由圖1可見，系統(tǒng)輻射功率越大，通信海域可通點數(shù)越多。當輻射功率為1500kW時，可通點數(shù)百分比可達80%，當輻射功率為1800kW時，可通點數(shù)百分比為84%，據(jù)此根據(jù)當前的工程技術實現(xiàn)水平可分析確定該臺站的發(fā)射機功率等級和輻射效率等主要技術指標。

圖1 輻射功率與可通點所占百分比曲線圖

1.3 工程立項綜合論證

對預可行性研究階段的建設方案進行細化和優(yōu)化，從建設和使用需求出發(fā)，詳細推算工程建設規(guī)模和經(jīng)費估算，確定工程建設周期，并對預期達到的通信能力進行評估，為工程立項報批和審查奠定堅實的基礎。

2 甚長波通信臺站建設的關鍵技術

大型甚長波通信臺站建設系統(tǒng)復雜，工程實施難度大，其中涉及的關鍵技術比較多，這里主要對臺站天線設計技術、大功率放大技術和大電流調(diào)諧亭技術進行簡要的介紹。

2.1 天線設計技術

甚長波通信臺站的天線輻射效率直接決定了臺站的最大通信距離，所以臺站的天線系統(tǒng)的選型和設計極為重要。目前甚長波天線系統(tǒng)主要分山谷型天線和鐵塔型天線兩大類。山谷型天線是指天線建設在山谷之間，由山峰支撐，受山體及高電阻率巖石影響，天線系統(tǒng)地損耗較大，輻射效率較低。鐵塔型天線是指天線建設在平地，天線輻射體由高200～400m鐵塔支撐，主要形式有T形天線、倒錐天線、單塔傘形天線、單傘六菱形天線、雙傘六菱形天線和三傘六邊形天線等。在同樣（或相接近）物理高度條件下，雙傘六菱形和三傘六邊形天線輻射效率高，綜合性能較優(yōu)，工程適用性較好。特別是每個傘天線組可與獨立調(diào)諧亭分別饋電配諧，一個傘天線組損毀時，另一個傘天線組仍然可以加電發(fā)信，具有一定的抗毀能力，并且對調(diào)諧亭電流承受能力的要求大幅減小，調(diào)諧亭設計、建造難度降低，有利于規(guī)避技術和工程風險。六菱形天線的六個菱形頂容線加載面可以單獨升降，便于架設和維護，安全性和穩(wěn)定性最好，不足之處是其所需支撐塔較多，造價稍高。但是，運用甚長波天線體積結構變換可調(diào)整其電氣性能的原理，通過降低天線支撐塔高度、增大頂容線加載面的方式，進行優(yōu)化設計，可使其造價控制在允許范圍之內(nèi)。

圖2 臺站建設方案和規(guī)模及經(jīng)費概算確定流程

單傘六菱形天線具有效率較高、造價適中的優(yōu)點。該型超高天線的塔桅結構、塔基與地錨等所必需的抗風、抗災等加固設計和工程措施的代價巨大，具有較大的技術和工程風險，并且其單亭饋電要求調(diào)諧亭承受約3000A的射頻電流，設計、制造難度非常大，技術和工程風險很高。

5組（6組）T型天線的效率和帶寬相對較低，天線末端電壓較高，其特殊的A字型復合塔結構復雜，造價較高，性價比不好，其所需地網(wǎng)必須為縱橫交叉點焊接牢固的網(wǎng)格結構，大量的地網(wǎng)線交叉焊接點工程量很大，天線輻射效率最低。

倒錐天線的優(yōu)點是頂容線加載面大，具有較高效率、較小電抗斜率和較寬頻帶，與六邊形傘狀天線相比，在頂容線面積相同情況下，倒錐天線的帶寬較寬，但是輻射效率相對稍低，抗風能力較差。

目前，世界上輻射性能最好的大功率甚長波發(fā)射天線為美國卡特勒發(fā)信臺天線和澳大利亞西北角發(fā)信臺天線（效率≥80%，20kHz）[2]。這兩個甚長波通信臺站均由美國海軍建設，其發(fā)射天線均采用十三塔傘形天線型式。

圖3 國外甚長波通信臺站天線形式示意圖

2.2 大功率放大技術

甚長波發(fā)信系統(tǒng)大功率放大技術是設計甚長波發(fā)信機的關鍵技術，發(fā)信機的功率放大技術直接決定發(fā)信機的輸出功率等級和臺站的通信能力。甚長波發(fā)信機研制經(jīng)歷了三個階段，第一個階段是二戰(zhàn)期間歐美國家研制生產(chǎn)的大功率（1000kW）電子管長波發(fā)信機，后期前蘇聯(lián)還研制生產(chǎn)了 1000千瓦充氫閘流管長波發(fā)信機，第二個階段是 20世紀中葉研制生產(chǎn)的小功率（100kW）固態(tài)甚長波發(fā)信機，第三個階段是進入 21世紀研制生產(chǎn)的大功率固態(tài)甚長波發(fā)信機。目前隨著固態(tài)功放技術的不斷發(fā)展，甚長波發(fā)信機的輸出功率已有較大幅度的提升，并且技術已趨成熟。

2.3 大電流調(diào)諧亭技術

調(diào)諧亭用于對天線系統(tǒng)進行調(diào)諧，核心部件為承受高電壓、大電流的調(diào)諧線圈和電容。美國在20世紀60年代已具備承載3500A電流調(diào)諧亭的設計和制造能力，實現(xiàn)單亭2000kW天線調(diào)諧，并裝備于澳大利亞西北角臺[3]。我國經(jīng)過多年的研究，在20世紀70年代已具備承載大電流調(diào)諧亭的設計和制造能力，隨著制造工藝的不斷升級和相關技術儲備，目前國內(nèi)在大電流調(diào)諧亭設計和制造方面已有較大突破。

3 總結

由于甚長波通信臺站系統(tǒng)復雜、工程規(guī)模大、技術難度高、建設程序復雜，臺站建設的程序和要求很高，特別是甚長波通信臺站建設中涉及很多通信專業(yè)的難點和關鍵技術，對建設過程中的關鍵技術要求極高，歷來是通信工程中建設難度極大的工程之一。作者從事甚長波通信臺站建設工作多年，從中積累了一些甚長波通信臺站建設的經(jīng)驗，本文主要總結了甚長波通信臺建設勘察選址的基本程序和步驟，介紹了甚長波通信臺站建設中的部分關鍵技術，以便為讀者了解甚長波通信臺站建設程序和掌握其關鍵建設技術提供借鑒。