甚低頻水下發(fā)射參數(shù)計算

狄井方　楊鵬飛　張東俊

摘要：考慮采用將甚低頻發(fā)射信號源置于水下的方式進(jìn)行甚低頻通信，以甚低頻對稱振子天線為例計算了水下甚低頻信號源的輻射問題，給出了對稱振子天線水下發(fā)射的相關(guān)參數(shù)，計算了發(fā)射天線上的電流分布，并根據(jù)電流矩計算了海面上不同距離的電磁場強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：甚低頻;通信;場強(qiáng);海面

中圖分類號：TN219

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.017

1 引言

潛艇在水下時，甚低頻是主要的通信手段。甚低頻電磁波從空氣進(jìn)入海水中時，由于受到海水的作用，會產(chǎn)生強(qiáng)烈的衰減，因此處于水面以上的發(fā)射源所發(fā)出的電磁波很難進(jìn)入水下。

為了解決該難題，一般通過增大發(fā)射功率和提高天線發(fā)射效率來加大甚低頻對潛艇通信距離和通信深度。建在陸上的甚低頻發(fā)信臺站發(fā)信天線體積龐大，戰(zhàn)時易受破壞，且通常臺站到海洋距離遠(yuǎn)衰減大。

本論文考慮采用另一種途徑，即將甚低頻發(fā)射信號源置于水下的方式進(jìn)行甚低頻通信，給出了對稱振子天線水下發(fā)射的相關(guān)參數(shù)，計算了發(fā)射天線上的電流分布，并根據(jù)電流矩計算海面上不同距離的電場強(qiáng)，再根據(jù)海面上大氣噪聲電平估計通信的距離和深度。

2 甚低頻水下發(fā)射天線參數(shù)計算

以甚長波對稱振子天線為例，將甚低頻發(fā)射天線置于海面下，計算天線的輸入阻抗、天線上的電流分布、天線的電流矩。

2.1 電磁波沿天線的傳播常數(shù)

假定發(fā)射天線是對稱振子，位于海面下深度為h處，臂長為，，導(dǎo)線半徑為a，在海水中發(fā)射天線需外面包裹一層絕緣層，絕緣層外半徑為b，相對介電系數(shù)為ε2，可以導(dǎo)出電磁波沿天線的傳播常數(shù)[1]：

舉例進(jìn)行數(shù)值計算，假定l=50 m，ε2-10 111，a=2.5 mm，b=7.5 mm，h=10 m，海水電導(dǎo)率σ=-4 S/m，頻率f=15 kHz。由于甚低頻在海水中的衰減較大，所以天線深度不能過深。

根據(jù)式（2），海水對15 kHz電磁波的趨膚深度δ=2.055 m。根據(jù)式（l），忽略界面的影響，得y-0.000 128 81+j0.002 493。根據(jù)式（6），算得特性阻抗Zc=52.26 -j2.7 Q。根據(jù)式（7），得輸入阻抗2m-0.225 -j417.09 Q。假定發(fā)信機(jī)功率等于5 kW，調(diào)諧線圈Q-IOO，則根據(jù)式（8）算出天線輸入電流lin=33.73 A。根據(jù)式（9），畫出振子臂上實部電流分布曲線，如圖1所示，虛部電流分布曲線如圖2所示。

圖1和圖2都是相對于實部電流最大值歸一化的?？梢钥闯?，虛部電流比實部電流小得多，可以忽略。天線的電流矩原則上應(yīng)該按式（ 10） -（ 12）計算，但由于已計算出電流分布，可以更容易地計算出電流矩[4-5]。電流的虛部可以忽略不計，而電流的實部分布基本是直線，因此電流矩等于輸入電流乘以臂長，為1 686.5 A-m。

3 甚低頻水下發(fā)射電磁場強(qiáng)度的計算

根據(jù)文獻(xiàn)[2-3]海面下的水平電流矩在海面上空產(chǎn)生的電磁場分量的公式，在這些公式中令z=0，得到海面上的公式;一般情況下，距離p遠(yuǎn)大于發(fā)射源深度h，因此ro≈p;這些公式簡化后為：

4 總結(jié)

將甚低頻發(fā)射信號源置于水下的方式進(jìn)行甚低頻通信，可以提高發(fā)射陣地的隱蔽性，水下發(fā)射的甚低頻通信方式，可作為陸地甚低頻臺站的備份和應(yīng)急通信方式。但在水下架設(shè)發(fā)射天線，受海洋環(huán)境等因素影響，天線不宜過長，本論文探討了對稱振子天線水下發(fā)射的天線傳播常數(shù)、天線阻抗以及天線電流分布的計算方法，以及根據(jù)電流矩計算海面上不同距離的電磁場強(qiáng)度的過程，并以50m對稱振子天線為例進(jìn)行了數(shù)值計算。

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