基于接地天線的超低頻信號全向輻射方法

摘 要：為了解決超低頻無線電信號輻射效率極低的難題，采用接地天線輻射超低頻信號。由于接地天線輻射具有方向特性，使用一副接地天線對在不同海域里的水下機動平臺進行水下通信時，通信可靠性不能得到保證。因此，提出了接地天線全向輻射超低頻信號的方法。該方法首先構建兩副相互垂直的接地天線以組成天線陣，然后通過精確地控制組成天線陣的兩副接地天線輸入電流的相位差，使天線陣在水平各方向上輻射的合成電場均勻一致，從而實現了超低頻信號全向輻射。該方法能顯著提高超低頻通信的可靠性，最適合超低頻對水下通信和對水下機動平臺通信。在目前眾多的超低頻發射天線設計方案中，采用該方法構建的天線陣尺寸最小，效率最高，且簡單、易于實現全向輻射，這對于推廣超低頻無線電信號在其他領域的應用是具有重要意義。

關鍵詞：超低頻信號； 接地天線； 水下通信； 機動平臺

中圖分類號：TN82134 文獻標識碼：A 文章編號：1004373X（2012）22009103

超低頻（30～300Hz）無線電信號大氣傳播損耗小、海水傳播衰減小［12］，特別適合水下兵器的遙控、水下通信等方面，尤其是在水下通信應用方面最為突出［3］。冷戰時期，美蘇等潛艇超級大國基于解決岸上軍事指揮當局與遠距離、大深度水下戰略彈道導彈核核潛艇等水下機動平臺實現隱蔽通信能力的需求，開始研發超低頻水下通信技術［46］。到目前為止，只有少數幾個國家掌握了超低頻水下通信技術。超低頻對水下機動平臺通信的關鍵技術是超低頻天線設計技術，接地天線是目前輻射效率最高、最成熟的超低頻信號輻射天線。但是，接地天線具有方向特性，使用一副接地天線全方位地進行水下通信時，其通信可靠性無法保證。目前解決這一問題的方法是架設兩副空間上相互垂直（正交）的接地天線，根據水下機動平臺處于不同的海域而選擇對該海域輻射較強的一副天線進行發信。因水下機動平臺隱蔽性要求，在很多情況下，超低頻發信臺站并不知道己方水下機動平臺究竟處在哪個海域，因而，就無法確定選擇哪一副天線進行對水下機動平臺發信更好。因而，這一方法雖然對提高對水下機動平臺通信可靠性有一定的改善作用，但是沒有從根本上解決對水下機動平臺通信可靠性問題。本文其基于提高對水下機動平臺通信的可靠性，以接地天線為研究對象，對其全向輻射方法進行研究。

1 接地天線及其方向特性

在超低頻對水下機動平臺通信研究的初期，曾利用依照傳統天線技術架設天線來輻射超低頻信號，盡管天線尺寸巨大，但其輻射效率極低，天線輸入為兆瓦級的功率，其輻射功率只有十幾毫瓦，無法滿足超低頻通信要求，其根本原因就是所使用的天線尺寸與信號波長相比太短。與眾多的超低頻發信天線設計方案相比，接地天線尺寸相對小、效率高、易于實現，達到實用水平［7］。

1.1 接地天線

接地天線是中間饋電、兩端接地的水平低架（或埋地）天線，即鋼心鋁絞線電纜從饋電點向兩側水平延伸數十千米或更遠，兩端良好接地，電纜上的信號電流從一接地端入地，經大地從另一接地端回到電纜，形成一電流環。接地天線的結構示意圖如圖1所示［8］。

圖1 接地天線結構示意圖接地天線可以等效為水平磁偶極子［910］，其等效磁矩M=IL（H+W）。I為接地天線上的電流，L為接地天線的長度，W為接地天線電流的等效穿透深度，H為天線架設高度。根據理論分析，電流的有效穿透深度W=δ2，δ為電流相應頻率的集膚深度，δ=2ωσμ，ω為電流的角頻率，σ為天線所在地址的有效電導率，μ為自由空間的磁導率。

可見，接地天線越長，電流有效穿透深度越深，電流越大，架設高度越高，則等效磁矩M越大，天線輻射功率越大，效率越高。為了提高輻射效率和輻射功率，需要增大等效磁矩M。通過增加天線架設長度和高度來增大等效磁矩M的方法是不經濟和不現實的。增大等效磁矩M的可行辦法就是加大電流的有效穿透深度，也就是增大電流的集膚深度。這就要求接地天線所在地址的電導率σ要非常小，一般要求選在電導率σ在1×10-4s/m或更低的地質年久的花崗巖地區建造接地天線，天線兩個端點接地要良好，此條件下，電流的有效穿透深度可達數km。天線架設高度不再是增大磁矩M要考慮的因素，所以天線架設高度可以低于幾十米或掩埋地下，減輕了天線架設技術難度。此時，等效磁矩M≈ILW。

天線的長度受地理環境、架設難易程度、抗毀能力、天線帶寬等因素的限制，一般為幾十km至一百多km。天線輸入電流的大小受發信機功率容量、天線容量的限制，一般為幾百安培以下。

1.2 接地天線方向特性

接地天線方向特性與水平磁偶極子完全一致，其歸一化方向函數為：F（φ）=cos φ

（1）式中φ是場點相對于天線軸向的方位角，其歸一化方向圖如圖2所示。

由于接地天線輻射具有方向性，在空間上其輻射超低頻信號的能量是不均勻的，使用一副接地天線輻射超低頻信號時，即使與接地天線相同的距離，也會使不同地理坐標海域中的水下機動平臺接收到的超低頻信號強度不同。在接地天線軸向方向的海域里可以接收到較強的超低頻信號，而在垂直軸向方向的海域里接收到的超低頻信號很微弱，甚至接收不到超低頻信號。本文提出的接地天線陣能夠實現超低頻信號全向等功率輻射，能夠提高對水下機動平臺通信的可靠性。

2.1 超低頻信號全向等功率輻射天線陣構建

在同一天線地址上架設兩副相互垂直（正交）的接地天線而組成天線陣，通過控制組成天線陣的兩副接地天線輸入電流的相位差ψ，使兩副接地天線的輻射場在水平方向場點（接收點）上合成，得到水平各個方向場強一致的全向等功率輻射場。超低頻信號全向輻射天線陣原理示意圖如圖3所示。

圖3 接地天線陣原理圖為了討論方便，設ANS，AEW分別是南北、東西走向架設的兩副天線，兩副天線輻射方向圖如圖4所示。

圖4 兩副接地天線方向圖θ為ANS，AEW的電夾角，也就是兩副天線單獨工作時的實際方向圖之間的夾角。INS表示南北天線的輸入電流，IEW表示東西天線的輸入電流，φ相對南北天線軸向的空間方位角，ψ為東西天線AEW相對于南北天線ANS輸入電流的移相角，也就是要控制的兩天線電流的相位差。

2.2 超低頻信號全向等功率輻射天線陣方向性分析

天線陣在空間輻射的電場E是在INS，IEW激勵下的兩副天線輻射場在場點的疊加合成。

結合圖3、圖4，IEW相對于INS移相ψ角后，本天線陣在水平方向上的方向函數為：F（φ）=ENScos φ+EEWcos（φ－θ）ejψ

（2）式中：ENS，EEW分別為INS，IEW激勵下兩天線在場點輻射場強的對應值，對于歸一化于EEW，并設ENS=EEW=1，則天線陣的歸一化方向函數為：F（φ）=cos φ+cos（φ－θ）（cos ψ+jsin ψ）

|F（φ）|={［cos φ+cos ψcos（φ－θ）］2+

［cos（φ－θ）sin ψ］2}12

（3） 如果兩副天線架設地點各點的電導率σ一致，電夾角θ就等于兩副天線的空間夾角（90°），那么ψ取值為90°。實際上，兩副天線架設地點各點的電導率σ存在差異，電夾角θ一般不等于兩副天線的空間夾角，此時，取ψ=180°－θ，則：F（φ）=cos φ+cos（φ－θ）（－cos ψ+jsin θ）

=12［cos φ－cos（φ－2θ）］+

j2［sin θ－sin（φ－2θ）］

（4）

|F（φ）|=12［cos2φ－2cos φcos（φ－2θ）+

cos2（φ－2θ）+sin2φ－

2sin φsin（φ－2θ）+sin2（φ－2θ）］12

=12（2－2cos 2θ）12=sin θ

（5）式（5）表明，在指定的距離上的場強只與兩副天線的電夾角θ有關，而與方位φ無關。當天線陣位置一旦確定，兩副天線的電夾角θ就確定了，因此，天線陣在水平方向上的方向圖為一個圓，即本天線陣能夠實現全向等功率輻射。天線陣在水平方向上的歸一化方向圖如圖5所示。

為了提高空間輻射場強，在架設天線陣時要根據地址特性確定天線走向，兩天線正交或接近正交，使θ= 90°，或θ≈ 90°，此時，東西天線電流IEW移相角ψ= 90°，或ψ≈ 90°，水平上的方向函數為：|F（φ）|=sin θ=1

（6）此時，在水平方向上能得到最大功率的全向等功率輻射。

天線陣架設完畢，還需要通過實際測量組成天線陣的兩副天線的電夾角θ，以用于精確控制兩副接地天線電流的相位差，即電流移相角ψ，以實現天線陣對超低頻信號功率的全向等功率輻射。

超低頻無線電信號頻率極低，使用傳統通信天線技術架設的天線已不能滿足其輻射功率和效率的要求。中間饋電、兩端接地的超低頻發信接地天線，輻射效率高、輻射功率大、尺寸小、易于架設，能滿足超低頻對水下機動平臺通信輻射功率要求。選擇在電導率極低地區建造接地天線，天線兩端接地要良好，能減小天線尺寸、提高輻射效率。超低頻信號全向等功率輻射方法，是通過構建由兩副接地天線正交的天線陣，采用控制組成天線陣的兩副接地天線輸入電流相位差的方法，使兩副接地天線的輻射場在水平方向場點合成，合成的天線陣輻射場在水平各方向均勻相等，實現了超低頻信號全向輻射。該方法簡單，易于實現，但需要對兩副接地天線的電夾角進行測量，以精確控制天線電流移相角。采用該方法輻射超低頻信號，能實現對遠程，乃至全球深海域里的水下機動平臺進行有效的超低頻通信指揮與控制。