某型低頻發信天線及其特定方向輻射加強技術研究?

陳英豪 高美珍 李金猛 魏 來 劉 飛 洪家平

1 引言

頻率處于30Hz～300Hz之間的低頻無線電信號，其在地－電離層波導與海水中傳播衰減小［1～2］、距離遠、入水深，在水下通信方面得到了廣泛應用［3］。美俄等潛艇大國為了實現岸上指揮機構與遠距離、大深度戰略彈道導彈核潛艇等水下機動平臺隱蔽通信，早在冷戰時期即開始研發某型低頻對潛通信技術［4～6］。目前，世界上也只有少數幾個國家掌握了這項技術。某型低頻對潛通信的一大技術難題是發信天線的設計，傳統天線不能滿足其對通信可靠性與可實現性的要求，目前輻射效率最高、技術最成熟的是接地天線［7］。然而，接地天線的方向特性使得當使用一副天線進行全方位通信時，其可靠性無法得到保證。對這一問題的解決方案是架設兩副在空間上相互正交的接地天線構成一個天線陣，根據目標所在區域的不同而選用對該區域輻射較強的天線與其通信。該方法對提高通信可靠性有一定程度的改善作用，但是對某些方位區域的通信可靠性改善并不明顯，而且天線陣利用效率低。本文基于提高通信可靠性和天線利用效率，以接地天線陣為研究對象，對其特定方向輻射加強技術進行研究。

2 接地天線

低頻信號由于頻率低，波長長，若按照傳統理論，其發信天線的尺寸應在波長四分之一的數量級上，即長度要達到幾百到幾千千米。這樣的天線無論從實用性、抗毀性，還是地理條件來說都是無法實現的。早期曾利用甚低頻天線來輻射該低頻信號，發現其輻射效率極低，輸入兆瓦級的功率，輸出得到的只有十幾毫瓦，無法滿足要求，根本原因就在于天線尺寸相對信號波長來說太小。為了克服上面這一類天線的缺點，在眾多發信天線設計方案中有一種接地天線，這種接地天線以其尺寸相對信號波長而言尺寸小、而輻射效率相對較高，從而達到了實用水平［8］。

2.1 接地天線原理

接地天線是種中間饋電、兩端接地的水平低架天線，載有信息的電流信號從發信機發出，經引饋線和饋線傳輸到天線，再經地網連接線和地網流入大地。水平天線、饋線、地網連接線和地面以下形成的導電層就構成了一個電流環，這個電流環可以等效為環形天線。接地天線的結構示意圖如圖1所示［9］。

該接地天線可以等效為一個水平放置的磁偶極子［10～11］，等效磁矩 M=IL(H+W)。 I 為接地天線中的電流，L為接地天線的長度，H為天線架設高度，W為電流在大地中的有效穿透深度。由理論分析知，電流有效穿透深度W=δ/，δ為相應頻率電流的集膚深度，，ω 為電流角頻率，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，電流越大，接地天線越長，天線架設越高，電流對大地有效穿透深度越深，則等效磁矩M越大，天線輻射功率就越大，效率也越高。因而，為了提高輻射功率和效率，就需要增大等效磁矩M。由于增加天線架設長度和高度不夠經濟和現實，增大M的可行辦法就是增加電流的有效穿透深度W，也就是增大電流的集膚深度δ，這也就需要電導率σ非常小。一般要求接地天線選址在電導率σ不大于10-4s/m的地質年久的花崗巖地區，并且兩端接地要良好，這樣可以使得電流的有效穿透深度達到數千米。此時，天線架設高度可以低于幾十米，減輕了天線架設技術難度，并且可以忽略掉它對等效磁矩的影響。

天線長度受地理條件、架設難度、抗毀能力、天線帶寬等諸多因素的限制，一般為幾十千米。天線輸入電流大小受低頻發信機功率容量、天線容量的限制，一般為幾百安培以下。這樣一來，接地天線大大減小了該低頻發信天線尺寸，便于架設且能獲得較高的輻射效率，因而從眾多方案中脫穎而出并進入了實用化。

2.2 接地天線方向特性

接地天線的方向特性與水平磁偶極子相同，其歸一化方向函數F(φ)=cosφ，φ為場點相對天線軸向的方位角，它在赤道面內的歸一化方向圖是“∞”字形，如圖2所示。

圖2 接地天線的方向圖

3 某型低頻信號特定方向輻射加強技術

由接地天線方向特性可知，接地天線輻射的某型低頻信號能量在空間中的分布是不均勻的。具體來說，目標在沿著接地天線軸向方向的區域里接收到的信號較強，而在垂直于天線軸向方向的區域里接收到的信號很微弱，甚至可能接收不到。這樣，單副接地天線對目標通信時，其可靠性得不到有效保證。因此，解決方案是架設兩副相互正交的接地天線陣，根據目標所處的區域，選用在該方位輻射較強的天線與其通信。該方案對提高通信可靠性有一定程度的改善作用，但是對某些方位區域的通信可靠性改善并不明顯，而且天線陣利用效率低。為了進一步提高通信可靠性與天線利用率，本文基于正交接地天線陣，來研究特定方向上的輻射加強技術。

3.1 某型低頻信號特定方向輻射加強天線陣技術

實現某型低頻信號特定方向輻射加強的技術方法，是在同一地址上架設兩副空間上相互正交的接地天線來組成天線陣，通過控制輸入兩副接地天線電流的相位差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，得到特定方向輻射加強的輻射場。某型低頻信號特定方向輻射加強天線陣原理示意圖如圖3所示。

圖3 天線陣輻射加強原理圖

為了便于討論，我們設AEW，ANS分別表示東西向和南北向兩副天線，天線陣電等效示意圖如圖4所示。

圖4 特定方向輻射加強天線陣電等效示意圖

圖中，INS表示輸入南北天線的電流，IEW表示輸入東西天線的電流，θ為ANS，AEW的電夾角（一般假定兩副天線架設區域各處電導率σ一致，θ即為兩天線空間夾角），φ為場點相對于南北向天線軸向的空間方位角，天線陣在空間某點的輻射電場E是兩副天線分別在INS，IEW激勵下輻射的疊加［12］。

3.2 某型低頻信號特定方向輻射加強天線陣方向性分析

設ψ為東西向天線AEW相對于南北向天線ANS的輸入電流相位差，θ=90°，結合上文分析，可知本天線陣水平方向上的歸一化方向函數為

展開為

依據和差化積公式，進一步化為下式

要使得方位φ場點輻射盡量加強，也就是|F(φ)|2最大。根據上述推導結果，后兩項均為非負 ，可 知 必 有 (cosψ-sin2φ)2=0 ，因 而ψ=arccos(sin 2φ) 。 也 就 是 說 按 照ψ=arccos(sin 2φ)來控制兩副天線輸入電流相位差，即可獲得該方位輻射加強。此時，天線陣在水平方向上的歸一化方向函數，其方向圖如圖5所示。

圖5 特定方向輻射加強天線陣方向圖

為了提高特定方向輻射場強，在架設天線陣時要使兩副天線正交或者近似正交，這樣我們通過控制兩天線上電流相移ψ=arccos(sin2φ)，就能在 φ方向得到最大輻射強度，即實現了天線陣在特定方向輻射加強。

4 結語

某型低頻信號特定方向輻射加強方法，是將兩副正交的接地天線構成天線陣，通過控制輸入兩副天線的電流相位差來使水平方向特定場點處合成的天線陣輻射場達到最強，實現了某型低頻信號特定方向輻射加強。該方法簡單易實現，但需要在架設之初即對兩副接地天線的電夾角進行測量控制，在應用時根據目標所處方位實時精確控制輸入天線電流的移相角。采用該方法輻射某型低頻信號，能提高發信可靠性與天線陣利用效率，從而使岸基指揮機構能夠更加有效地指揮與控制遠程深水潛艇。

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