甚低頻系留氣球纜繩天線設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)與效能分析

賈琦 劉曉東 孟凡濤 李娜

（1.中電長城圣非凡信息系統(tǒng)有限公司，北京 102209；2.中國人民解放軍空軍裝備部，北京 100843；3.中廣電廣播電影電視設(shè)計(jì)研究院，北京 100045）

引 言

對潛通信是世界各國海軍重要的戰(zhàn)略通信，必須確保任務(wù)系統(tǒng)的穩(wěn)定與可靠[1].甚低頻通信具有可靠性高、傳播距離遠(yuǎn)、能夠穿透海水等優(yōu)點(diǎn).現(xiàn)階段固定式對潛通信系統(tǒng)主要存在發(fā)射臺及輻射天線體積龐大，抗毀性差等缺點(diǎn)[2-3].國外發(fā)達(dá)國家除固定甚低頻發(fā)射臺外，還耗費(fèi)巨資大力發(fā)展移動(dòng)式的甚低頻發(fā)信系統(tǒng)，移動(dòng)式平臺相對于固定式平臺，具有抗毀性較高、可機(jī)動(dòng)靈活部署等優(yōu)點(diǎn)，其中包括車載平臺和機(jī)載平臺.我國在1957年曾引進(jìn)前蘇聯(lián)的兩種氣球天線用于15 kW長波電臺，但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)水平限制，氣球采用氫氣填充，易爆炸，且抗風(fēng)性能差，實(shí)用性不滿足作戰(zhàn)使用需求，故未能最終形成裝備.在20世紀(jì)80年代末期，具有代表性的車載平臺是美國特康姆軍工公司研制成功的利用氦氣球升舉天線的車載平臺甚低頻對潛通信系統(tǒng)[4-6].我國已于“十三五”時(shí)期，同時(shí)開展了車載及機(jī)載平臺相關(guān)發(fā)射技術(shù)的研究.

1 機(jī)動(dòng)甚低頻發(fā)信系統(tǒng)

甚低頻無線電波頻率為3～30 kHz，波長為10～100 km，其電磁波在電離層與地球表面之間的球形波導(dǎo)區(qū)域內(nèi)傳播，能穿透海水且衰減較小，在1～20 kHz頻率內(nèi)穿透海水深度可達(dá)15～20 m，入水場強(qiáng)衰減約3 dB/m，是世界各國最主要的對潛通信手段[7].機(jī)動(dòng)甚低頻發(fā)信系統(tǒng)一般由發(fā)信分系統(tǒng)、天線分系統(tǒng)和電源分系統(tǒng)組成[8].需要傳輸?shù)男畔⑼ㄟ^甚低頻調(diào)制器生成射頻波形后經(jīng)過功放車對功率進(jìn)行放大，通過調(diào)諧匹配車將高壓大電流射頻信號饋入天線分系統(tǒng)進(jìn)行輻射[9-10].圖1為機(jī)動(dòng)甚低頻發(fā)信系統(tǒng)組成框圖.

圖1 機(jī)動(dòng)甚低頻發(fā)信系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Block diagram of mobile VLF transmitting system

系留氣球?qū)? 000 m的纜繩天線升至空中呈系留狀態(tài)，地面甚低頻發(fā)信的功放與調(diào)諧車通過系留纜繩天線發(fā)射甚低頻通信信號，該機(jī)動(dòng)式發(fā)信系統(tǒng)可根據(jù)任務(wù)需求轉(zhuǎn)場機(jī)動(dòng)，具有較高的抗毀性和頑存性.

1.1 系留纜繩天線的參數(shù)計(jì)算

甚低頻氣球天線在電氣上是一個(gè)垂直于地面的短振子，在水平面內(nèi)均勻輻射，無方向性.由于甚低頻天線受周圍環(huán)境的影響，各項(xiàng)電氣參數(shù)的計(jì)算較為復(fù)雜，近似計(jì)算方法如下[11-12]：

1)天線功率容量CA

天線處于垂直狀態(tài)時(shí)，

式中：l為天線長度；D為天線線纜直徑.

天線處于傾斜狀態(tài)時(shí)，

2)輸入電抗XA

式中：f為天線的工作頻率；f0為天線的固有頻率，

3)輻射電阻Rr

式中，he為天線的有效高度.

大地?fù)p耗電阻由地網(wǎng)區(qū)外的地?fù)p耗電阻和地網(wǎng)區(qū)內(nèi)的地?fù)p耗電阻組成：

式中： σ為大地導(dǎo)電系數(shù)；λ為波長；a為地網(wǎng)導(dǎo)線的長度；γ0為 天線中心接地體的直徑； Φ (x)、f(x)分別為地網(wǎng)內(nèi)和地網(wǎng)外關(guān)于x的函數(shù)關(guān)系式，

4)導(dǎo)線損耗電阻RC

5)根部電流IA

式中：P0為 天線的輸入功率；RA為天線回路的總電阻，RA=Rr+RL+Rg+RC，RL為調(diào)諧電感器的損耗電阻，RL=XA/QL，多股勵(lì)磁線繞制的調(diào)諧匹配電路的品質(zhì)因數(shù)QL約為1 500.

6)根部電壓Vb及 頂端電壓Vg

氣球天線可以看成是與地中影像組成的一個(gè)雙線開路系統(tǒng)，其最高電壓位于天線的頂端，根據(jù)長線理論，可以推導(dǎo)出天線頂端電壓[13]：

根據(jù)理論計(jì)算得出一般干地(電導(dǎo)率0.001 S/m)地質(zhì)情況下，纜繩垂直(風(fēng)速0 m/s)時(shí)，長度為2 000 m、直徑為16.5 mm的系留纜繩天線參數(shù)阻抗，同時(shí)在軟件中建立模型，與仿真計(jì)算結(jié)果對比如表1所示.

表1 系留纜繩天線參數(shù)理論與仿真計(jì)算結(jié)果對比Tab.1 Parameter calculation and simulation comparison of tethered cable antenna

從表1可以看出，在纜繩風(fēng)偏(25 m/s)情況下，受天線等效高度變換影響，輻射電阻實(shí)部變小，電抗變大，相對無風(fēng)環(huán)境，天線輻射效率降低.理論計(jì)算值與仿真值的實(shí)部計(jì)算結(jié)果相近，虛部有一定差距，主要是因?yàn)槔碚撚?jì)算是基于理想情況得出，因此在工程實(shí)現(xiàn)上，采用仿真計(jì)算數(shù)據(jù)更為安全，同時(shí)，在設(shè)計(jì)時(shí)還需留出一定的裕量.

1.2 系留纜繩天線的仿真分析與設(shè)計(jì)

長波通信主要是以地波形式傳播，天線垂直地面架設(shè)以產(chǎn)生垂直極化波.15～30 kHz的電磁波所相對應(yīng)的波長為10 000 m至20 000 m.由于長波天線波長很長，天線架設(shè)高度往往受到限制，電高度小，雖然物理尺寸巨大，電氣上仍屬電小天線.

建立長度2 000 m高度的銅線纜天線模型.由于氣球浮空器在不同風(fēng)速下會偏離中心位置，風(fēng)速越大偏離中心位置越遠(yuǎn)，在無風(fēng)天氣球浮空器在受到浮力的作用下垂直上升，此時(shí)系留纜繩天線垂直于地面.

通過氣球浮空器的氣動(dòng)模型可知，系留纜繩天線在不同風(fēng)速下的姿態(tài)如圖2所示.

圖2 不同風(fēng)速下的天線風(fēng)偏圖Fig.2 Antenna wind deflection pattern under different wind speeds

設(shè)大地為理想情況，垂直狀態(tài)下的天線輻射方向圖如圖3(a)所示；風(fēng)速25 m/s時(shí)的天線輻射方向圖如圖3(b)所示，該天線的輻射方向圖為全向.可以看出，天線風(fēng)偏對天線輻射方向無影響.

圖3 不同狀態(tài)下的天線輻射方向圖Fig.3 Radiation pattern of antenna in different states

在工程上，地網(wǎng)由饋電陣地中心點(diǎn)近似為邊長為10 m的正“田”字形中心匯流環(huán)及均勻分布于匯流環(huán)周圍的24根截面積為4 mm2的150 m放射狀接地線構(gòu)成，接地電阻小于2 Ω，系留氣球錨泊車置于陣地匯流環(huán)中心點(diǎn).

在工程實(shí)現(xiàn)上，采用光電復(fù)合系留纜繩，主要功能為氣球系留、光纖信號傳輸、泄雷及作為甚低頻發(fā)信天線.采取三段式結(jié)構(gòu)，分別為輻射體段、上絕緣段和下絕緣段.系留纜繩天線剖面結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4 系留纜繩天線剖面圖Fig.4 Sectional view of tethered cable antenna

輻射體采用雙層銅編織網(wǎng)，因?yàn)榫幙椼~網(wǎng)在制造過程中會出現(xiàn)許多連接節(jié)點(diǎn)，因此需在輻射體上覆蓋半導(dǎo)電材料用于均化電場避免放電、打火和尖端放電等現(xiàn)象.同時(shí)考慮到系留纜繩高強(qiáng)度、低重量的要求，采用強(qiáng)度和彈性模量比都較高的芳綸高分子抗拉纖維(凱夫拉材料)作為纜繩線芯的增強(qiáng)材料.為均化纜繩頂部及底部電場，加裝均壓環(huán).

2 天線輻射效能分析

按圖1所示連接方式連接系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備，試驗(yàn)場地位于中國山東省青島市嶗山區(qū).

測試時(shí)，天線工作頻率為25 kHz，天線輸出功率為25 kW.在天線根部同時(shí)補(bǔ)充測試了100 kW的場強(qiáng).對25 kW輻射功率下的場強(qiáng)覆蓋范圍進(jìn)行仿真，場強(qiáng)值大于等于55 dBμV/m時(shí)的平均覆蓋半徑為1 818.2 km.該系留纜繩天線為全向天線，各輻射方向的場強(qiáng)基本相當(dāng)，所以在測試點(diǎn)選取時(shí)，著重考慮天線和收測點(diǎn)間的大型遮擋情況和每個(gè)點(diǎn)的布點(diǎn)間距這兩個(gè)因素，具體點(diǎn)位經(jīng)緯度分布情況及場強(qiáng)見表2.實(shí)測與仿真場強(qiáng)值對比曲線如圖5所示.可以看出：在1 km以內(nèi)，實(shí)測值要遠(yuǎn)小于仿真值，因?yàn)闇y試點(diǎn)距離天線過近，無法滿足以均勻平面波照射待測天線，故而產(chǎn)生測量誤差；在1～9 km內(nèi)，實(shí)測值要小于仿真值，因?yàn)樵诖朔秶鷥?nèi)存在大量樹木和居民區(qū)，會對測試結(jié)果產(chǎn)生一定影響；當(dāng)測試距離大于18 km時(shí)，實(shí)測場強(qiáng)值要大于仿真場強(qiáng)值，因?yàn)楸敬螠y試選用的儀器為綜合場強(qiáng)儀，故而會受到其他天線的場強(qiáng)干擾，當(dāng)天線不工作時(shí)，實(shí)測綜合場強(qiáng)儀讀數(shù)為0.15 V/m左右.

表2 不同點(diǎn)位場強(qiáng)測試和仿真結(jié)果Tab.2 The measurment and simulation results of field strength test

天線處/km 經(jīng)緯度 仿真場強(qiáng)/(V·m?1)實(shí)測場強(qiáng)/(V·m?1)2.04 36°14′34.05″N 120°32′39.24″E 0.90 0.385 3.06 36°14′32.34″N 120°33′20.58″E 0.63 0.400 4.05 36°12′39.91″N 120°31′41.61″E 0.50 0.300 6.15 36°11′32.77″N 120°30′44.49″E 0.34 0.320 7.86 36°16′55.28″N 120°35′54.13″E 0.26 0.260 9.92 36°17′41.49″N 120°36′56.21″E 0.21 0.229 11.96 36°18′47.92″N 12037′38.56″E 0.19 0.213 13.89 36°19′45.08″N 120°38′20.65″E 0.15 0.197 16.25 36°20′50.76″N 120°39′15.07″E 0.13 0.204 17.96 36°21′26.57″N 120°40′07.37″E 0.11 0.195 19.89 36°22′28.32″N 120°40′41.36″E 0.10 0.249

圖5 仿真與實(shí)測場強(qiáng)值對比Fig.5 Comparison of simulated and measured field strength values

天線場強(qiáng)和天線效率的關(guān)系如下：

根據(jù)上面推導(dǎo)可得到遠(yuǎn)場場強(qiáng)E和天線效率ηA的 關(guān)系.通常認(rèn)為，當(dāng)kr?1時(shí)為天線遠(yuǎn)場區(qū)，考慮環(huán)境因素和綜合場強(qiáng)儀的測試誤差，選取理論與實(shí)測值較符合的數(shù)據(jù)計(jì)算出天線的輻射效率，如表3所示.

表3 不同點(diǎn)位天線輻射效率Tab.3 Radiation efficiency of antenna at different points

綜上所述，該系留氣球纜繩天線的綜合平均輻射效率約為56%.

3 系統(tǒng)通信試驗(yàn)

甚低頻通信系統(tǒng)主要由甚低頻發(fā)信分系統(tǒng)、系留氣球分系統(tǒng)及收信分系統(tǒng)所組成，實(shí)物圖如圖6所示.其中發(fā)信點(diǎn)為青島，系統(tǒng)處于系泊狀態(tài).

圖6 機(jī)動(dòng)甚低頻發(fā)信系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.6 Mobile VLF transmitting system

甚低頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)有不同速率的工作方式，在不同頻點(diǎn)和各個(gè)功率等級進(jìn)行發(fā)信試驗(yàn)，發(fā)射功率最低2.5 kW，最高104 kW，在距發(fā)信點(diǎn)約1 000 km的北京和距發(fā)信點(diǎn)2 000 km的湛江分別設(shè)置了收信點(diǎn)，收信點(diǎn)接收報(bào)文全部正確，收信誤報(bào)率和誤碼率均為0.

在系統(tǒng)通信試驗(yàn)中測試了天線的場強(qiáng)，計(jì)算得到天線的輻射效率約為50%，理論分析與設(shè)計(jì)相符.同時(shí)，在系統(tǒng)試驗(yàn)中測試了天線底部電流電壓，當(dāng)功率加到100 kW時(shí)，整個(gè)通信系統(tǒng)及系留氣球纜繩天線可正常工作，驗(yàn)證了系統(tǒng)可承受的安全功率.由測試底部電壓和電流計(jì)算得到天線的底部阻抗，實(shí)部與計(jì)算結(jié)果基本吻合，虛部存在一定誤差，這主要是由于虛部受纜繩天線風(fēng)偏狀態(tài)和當(dāng)?shù)赝寥离妼?dǎo)率影響較大導(dǎo)致的.

4 結(jié) 論

機(jī)動(dòng)式甚低頻通信系統(tǒng)以系留氣球?yàn)檩d荷浮空平臺，搭載纜繩天線升空到2 000 m空中執(zhí)行通信發(fā)信任務(wù).本文針對系留纜繩天線的特點(diǎn)，對該天線進(jìn)行了理論計(jì)算及仿真分析，通過工程化實(shí)現(xiàn)及系統(tǒng)通信試驗(yàn)，驗(yàn)證了該天線設(shè)計(jì)的正確性.機(jī)動(dòng)式甚低頻通信系統(tǒng)具有技術(shù)先進(jìn)、可靠性高、生存能力強(qiáng)、部署靈活方便和實(shí)用性好等特點(diǎn)，與固定臺站相比較，又具有占地面積小、機(jī)動(dòng)靈活、系統(tǒng)建設(shè)成本低和通信效能高等優(yōu)點(diǎn).因此，系留氣球纜繩天線及機(jī)動(dòng)式甚低頻通信系統(tǒng)可作為固定對潛通信臺站的有效補(bǔ)充.該系統(tǒng)的成功研制，標(biāo)志著車載式甚低頻對潛通信系統(tǒng)中所涉及的天線設(shè)計(jì)、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)得到了驗(yàn)證，為我國甚低頻通信技術(shù)的發(fā)展做出了一定的貢獻(xiàn).