超低頻水下發射天線的可行性研究＊

閆曉偉

（解放軍92060部隊 大連 116041）

1 引言

由于超低頻電磁波信號在大氣中傳播衰減小，信號幅值和相位相對穩定，并能滲透比甚低頻更深的土壤和海水，被地下或水下的接收機接收，因此廣泛應用于軍事通信領域，特別是大深度對潛通信［1～3］。由于海水對電磁波的衰減系數與頻率的平方根成正比，用降低頻率的辦法可以達到增加對海水穿透深度的目的，但根據無線電通信理論，超低頻電磁波的波長很長（1000km～10000km），要想構成具有較高輻射能力的超低頻發射系統，就需要有一個延伸上千公里的極其龐大的發信天線場，而且天線場地的電導率要盡可能低，發射機要有幾兆瓦甚至幾十兆瓦的功率，規模巨大，價格昂貴。而且陸基固定臺站抗毀能力較差，在戰時是敵方打擊的重要目標。為此有些國家建造了車載或機載通信用機動式超低頻發射電臺，其天線分別用氣球升舉或飛機拖拽。

由電磁波傳播理論可知，無線電波在不同介質中傳播時，其波長是不同的。其波長與傳播介質的電參數密切相關［4］。超低頻電磁波在海水中傳播的波長遠遠小于其在自由空間的波長。如果能在海水中構成超低頻發射天線，則只需架設幾百米的天線，即可達到超低頻信號有效輻射的電長度［5］。而在陸地上，達到同樣的輻射電長度，就必須架設幾千公里長的天線。如果這種方案可行，那么必然大大降低超低頻發射系統的成本，而且目標隱蔽，生存能力強，對我國發展超低頻電磁波對水下設備進行通信具有很好的應用前景。

本文在分析超低頻發射天線現狀和發展的基礎上，研究了超低頻電磁波從海水傳入大氣時，在海面處發生的反射和透射，穿透海面的能量集中在界面附近，沿兩種介質分界面傳播的側面波的近似計算公式。通過對比近場和遠場時海水中海面附近單位水平電偶極子在海水中100m水深處產生的電磁場和美國一個超長波臺的數據，對超低頻水下發射天線的可行性進行研究。

2 超低頻發射天線設計現狀

2.1 固定式超低頻對潛通信系統

國外采用超低頻對潛通信主要有美國和前蘇聯，其中美國為解決北極星彈道導彈核潛艇的通信問題，于1958年開始研制超低頻對潛通信系統，1986年建成并投入使用，耗資巨大，技術先進，系統完整。該電臺由兩部分組成，一部分位于威斯康星州，另一部分位于密執安州，兩地相距258km，兩部分可以聯合工作，亦可分別單獨工作。天線總長135km，總功率5280kW，最佳頻率選定為76Hz，美國利用它在7000～8000km范圍內對水下100m的潛艇進行通信，用于傳送緊急行動信息，或告知它浮至合適的深度接收用其它通信系統傳送的信息，起一種傳呼的作用。

前蘇聯也大力研制和建設超低頻對潛通信系統，1983年開始使用，在里加和哥麥爾建成過兩個發射臺，工作頻率82Hz。蘇聯解體后，原來的臺已經撤走，目前的發射臺設在與芬蘭交界的科拉半島的科拉鎮附近，兩根發射天線相互平行，各長60km，兩端接地，彼此相距10.5km，各有一部發射機，由一個總控制臺控制，發射機功率為兆瓦級，投入巨額資金。輻射能力比美國的高十多分貝。

陸基固定式超低頻對潛通信系統的缺點是：

1）天線輻射效率非常低，在距離幾千公里之外的水下接收，要發出一點點強度的信號，也需要幾兆瓦的電力，并且這個信號還必須克服在地球周圍產生的磁暴所引起的極高電平的電磁噪聲干擾；

2）帶寬窄，數據傳輸率極低，只允許用短碼發射無線電信息。發出簡單的電報，也需要較長的時間；

3）另外超低頻天線系統抗毀能力較差，在戰時是敵方打擊的重要目標。為此有些國家建造了車載或機載通信用機動式超低頻發射電臺，其天線分別用氣球升舉或飛機拖拽，以取得較好的通信效果。

2.2 機動式超低頻對潛通信系統

美國于上世紀80年代后期研制了一個由高空氣球發射天線等組成的車載式機動ELF／VLF實驗通信系統，該實驗系統由電氣、機械（含高空氣球）及系繩天線子系統組成。電氣子系統包括將信號發送到天線所需的全部組件。它由一個25kW的ELF／VLF功率放大器、激勵器和3180m長的垂直單極天線組成，可在72Hz～160Hz間發射8或16波特的 MSK連續波信號，并在系留時承受45m／s的地面風速。這種可機動的高空氣球支撐的垂直偶極子天線系統是實現超低頻機動通信的關鍵之一。

采用氣球提升的超低頻發射天線有一定的軍事價值，但不是很理想，它的主要缺點是：展開慢、機動能力差、生存能力弱等。因此只是作為應急使用。還有一種機載式超低頻通信系統，作為一種具有可部署性、機動性、抗摧毀性的獨立自備式通信系統，用于戰略與戰術通信。

機載式超低頻通信系統的優點是：1）小的垂直偶極子天線能輻射大的功率；2）它不受地理條件限制，便于機動；3）天線帶寬，可提高信號傳輸的數據率；4）可建立一套混合的ELF／VLF系統；5）體積小、重量輕、高效率的固態發射機。

3 超低頻水下發射天線的可行性

3.1 超低頻電磁波在海水中的傳播波長和傳播路徑

由電磁波傳播理論可知，無線電波在不同介質中傳播時，其波長是不同的。其波長與傳播介質的電參數密切相關。由超低頻電磁波在海水中傳播的波長λs：

式中，f是超低頻電磁波頻率（Hz）；μ0為自由空間的磁導率，（地下介質和海水介質的磁導率與自由空間磁導率相同）μ0＝4π×10－7（H／m）；σs為海水電導率，σs＝4（S／m）。例如：頻率100Hz的電磁波，在自由空間的波長為3000km，而在海水中波長僅158m。

當波源和接收點均在海水中時，傳播路徑可概括為四種［6］：第一種是直射波，由于波源附近隨距離增大而急劇衰減，僅能觀測到近場區；第二種是反射波，波到達海面或海底時被反射，因為幅度過小，很難被觀測到；第三種是波到達海面時，除一部分反射外，另一部分進入大氣，沿海面向周圍傳播，海面傳播過程中，有一小部分能量又進入海中，向下傳播至觀測點；第四種是當海底地質的電導率遠低于海水時，電磁波向下傳播，一部分穿透海底，沿海底與海水交界面橫向傳播，并不斷有一部分能量向上進入海水傳至接收點，類似第三種方式，其優于第一種而次于第三種，如圖1所示。

圖1 海面下超低頻場源到接收點傳播路徑

3.2 海水中單位水平電偶極子在海水中產生的電磁場

超低頻電磁波在海水向大氣中傳播時，穿透海面的能量集中在界面附近，并不向大氣層內部傳播，這種波沿兩種介質分界面傳播的，也稱之為側面波［7～8］。下面以水平電偶極子作為場源，分析海面下場源發射超低頻電磁波的特性。海面附近電偶極子產生的電磁場一般可分為直接波、理想的反射波（理想鏡像產生的波）和表面波（側面波加修正項）三項。在較遠的距離上，直接波和反射波可以忽略，所以側面波加修正項等于海水中偶極子的遠距離電磁場［9］。

當滿足條件ρ?d＋z；ksρ?1時，

Ronold W.P.King［10］定義了三個臨界距離：

圖2 海面下側單位水平電偶極子在水下100m處的電場強度隨傳播距離和頻率的關系（近場）

同時須滿足以下條件：

1）當5ρA＜ρ＜ρB／5時，近場：

圖3 海面下側單位水平電偶極子在水下100m處的電場強度隨傳播距離和頻率的關系（中場）

2）當20ρB＜ρ＜ρC／5時，中場：

從圖2～圖3可以看出，海面下側單位水平電偶極子在中場水平距離（5000km）和水深100m處的電場比近距離（100km）同樣深度衰減2～3個數量級，和近場傳播不同的是，超低頻段（30Hz～300Hz）在固定的中場距離（5000km）上，電磁場的幅度隨頻率的升高不是單調減小的，而是在某一個頻率（100Hz左右）有極大值。這主要是因為：一方面電流矩的輻射是隨頻率升高而增大的；另一方面，電磁波的衰減也隨頻率的升高而增大。這個結論和文獻［9］中的一致。下面計算近場水下發射天線達到美國的一個超長波發射臺在水平距離5000km水下100m處的場強（Eh（100）≈1.0606×10－11V／m）所需要的電流矩。已知該臺工作頻率為76Hz，發射天線長22.5km，載電流300A。

表1 近中場時水下發射天線所需的電流矩（Am）

如表1所示，若采用水下發射天線，在30km距離上，達到同樣的場強需要300A的電流，僅需825m長的天線。雖然傳播水平距離只有幾十km，但可作為一種應急通信的方式，具有靈活機動和隱蔽性的優點。若采用中場水下發射天線，在5000km距離上，至少要3000根長度為22.5km，載電流300A的天線組成的天線陣，才能達到美國的一個76Hz超長波發射臺在同樣距離水下100m處的場強，無疑是耗費巨大的。所以采用中場（＞1000km）水下發射天線對100m深度的水下設備進行通信幾乎是不可能實現的。但在近場距離上（30km），同樣采用的發射電流（300A），僅需很短的天線（825m），具有明顯的優勢。

4 結語

綜上所述，采用水下超低頻發射天線，在水下海面附近架設天線，僅需要幾百米即可達到陸上幾百公里的天線的輻射功率，具有發射效率高的優點；但是由于電磁波從水下穿透海面經過一段水平距離又透入海水深處，經歷兩次界面衰減，且側面波沿海面傳播過程中也有一部分透入海水消耗。所以傳播水平距離一般只有幾十公里，但可作為一種應急通信的方式，具有靈活機動和隱蔽性的優點。但如果進一步提高水下發射的功率，則能有效提高傳播的水平距離。

［1］吳維元，李榮輝，陳久元.導電媒質中的超長波天線研究［J］.微計算機信息，2010（26）：141－142.

［2］Robert A.Sainati.Application of Magnetotelluric Techniques at Extremely Low Frequency（ELF）for Sanguine Transmitting Antenna Site Characterization［J］.IEEE Transactions on Communications，1974，22（4）：394－398.

［3］Rabindra N.Ghose.Measured.Extremely Low.Frequency Propagation Characteristics in a Simulated Earth－Ionosphere Model［J］.IEEE Transactions on Communications，1974，22（4）：492－496.

［4］周克定，張肅文，董天臨，等譯.電磁場與電磁波［M］.北京：機械工業出版社，2004：242－273.

［5］鄧小濤，江帆.利用波長變化理論的ELF天線設計及仿真［J］.電子技術應用，2009（10）：119－121.

［6］梁高權.甚低頻波和超低頻波的輻射與傳播［M］.南京：海軍電子工程學院，2002：262－264.

［7］李凱.分層介質中的電磁場和電磁波［M］.杭州：浙江大學出版社，2010：17－18.

［8］潘威炎.長波超長波極長波傳播［M］.成都：電子科技人學出版社，2004：418－420.

［9］袁翊.超低頻和極低頻電磁波的傳播及噪聲［M］.北京：國防工業出版社，2011：380.

［10］Ronold W.P.King，Michael Franklin Brown.Lateral electromagnetic waves along plane boundaries：a summarizing approach［J］.Proceedings of the IEEE，1984，72（5）.