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(jī)動平臺進(jìn)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(gòu)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(shí)現(xiàn)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(jī)動平臺通信。在目前眾多的超低頻發(fā)射天線設(shè)計(jì)方案中，采用該方法構(gòu)建的天線陣尺寸最小，效率最高，且簡單、易于實(shí)現(xiàn)全向輻射，這對于推廣超低頻無線電信號在其他領(lǐng)域的應(yīng)用是具有重要意義。

關(guān)鍵詞：超低頻信號； 接地天線； 水下通信； 機(jī)動平臺

中圖分類號：TN82134 文獻(xiàn)標(biāo)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?。?2］，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(yīng)用方面最為突出［3］。冷戰(zhàn)時期，美蘇等潛艇超級大國基于解決岸上軍事指揮當(dāng)局與遠(yuǎn)距離、大深度水下戰(zhàn)略彈道導(dǎo)彈核核潛艇等水下機(jī)動平臺實(shí)現(xiàn)隱蔽通信能力的需求，開始研發(fā)超低頻水下通信技術(shù)［46］。到目前為止，只有少數(shù)幾個國家掌握了超低頻水下通信技術(shù)。超低頻對水下機(jī)動平臺通信的關(guān)鍵技術(shù)是超低頻天線設(shè)計(jì)技術(shù)，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(jìn)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(shè)兩副空間上相互垂直（正交）的接地天線，根據(jù)水下機(jī)動平臺處于不同的海域而選擇對該海域輻射較強(qiáng)的一副天線進(jìn)行發(fā)信。因水下機(jī)動平臺隱蔽性要求，在很多情況下，超低頻發(fā)信臺站并不知道己方水下機(jī)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(jìn)行對水下機(jī)動平臺發(fā)信更好。因而，這一方法雖然對提高對水下機(jī)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(jī)動平臺通信可靠性問題。本文其基于提高對水下機(jī)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(jìn)行研究。

1 接地天線及其方向特性

在超低頻對水下機(jī)動平臺通信研究的初期，曾利用依照傳統(tǒng)天線技術(shù)架設(shè)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(fā)信天線設(shè)計(jì)方案相比，接地天線尺寸相對小、效率高、易于實(shí)現(xiàn)，達(dá)到實(shí)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(diǎn)向兩側(cè)水平延伸數(shù)十千米或更遠(yuǎn)，兩端良好接地，電纜上的信號電流從一接地端入地，經(jīng)大地從另一接地端回到電纜，形成一電流環(huán)。接地天線的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示［8］。

圖1 接地天線結(jié)構(gòu)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(shè)高度。根據(jù)理論分析，電流的有效穿透深度W=δ2，δ為電流相應(yīng)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(dǎo)率，μ為自由空間的磁導(dǎo)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(shè)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(shè)長度和高度來增大等效磁矩M的方法是不經(jīng)濟(jì)和不現(xiàn)實(shí)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(dǎo)率σ要非常小，一般要求選在電導(dǎo)率σ在1×10-4s/m或更低的地質(zhì)年久的花崗巖地區(qū)建造接地天線，天線兩個端點(diǎn)接地要良好，此條件下，電流的有效穿透深度可達(dá)數(shù)km。天線架設(shè)高度不再是增大磁矩M要考慮的因素，所以天線架設(shè)高度可以低于幾十米或掩埋地下，減輕了天線架設(shè)技術(shù)難度。此時，等效磁矩M≈ILW。

天線的長度受地理環(huán)境、架設(shè)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(fā)信機(jī)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(shù)為：F（φ）=cos φ

（1）式中φ是場點(diǎn)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(biāo)海域中的水下機(jī)動平臺接收到的超低頻信號強(qiáng)度不同。在接地天線軸向方向的海域里可以接收到較強(qiáng)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?qū)崿F(xiàn)超低頻信號全向等功率輻射，能夠提高對水下機(jī)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(gòu)建

在同一天線地址上架設(shè)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(diǎn)（接收點(diǎn)）上合成，得到水平各個方向場強(qiáng)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(shè)ANS，AEW分別是南北、東西走向架設(shè)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(dú)工作時的實(shí)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(diǎn)的疊加合成。

結(jié)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(shù)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(diǎn)輻射場強(qiáng)的對應(yīng)值，對于歸一化于EEW，并設(shè)ENS=EEW=1，則天線陣的歸一化方向函數(shù)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(shè)地點(diǎn)各點(diǎn)的電導(dǎo)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(shí)際上，兩副天線架設(shè)地點(diǎn)各點(diǎn)的電導(dǎo)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(qiáng)只與兩副天線的電夾角θ有關(guān)，而與方位φ無關(guān)。當(dāng)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?qū)崿F(xiàn)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(qiáng)，在架設(shè)天線陣時要根據(jù)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(shù)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(shè)完畢，還需要通過實(shí)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(shí)現(xiàn)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(tǒng)通信天線技術(shù)架設(shè)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(fā)信接地天線，輻射效率高、輻射功率大、尺寸小、易于架設(shè)，能滿足超低頻對水下機(jī)動平臺通信輻射功率要求。選擇在電導(dǎo)率極低地區(qū)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(gòu)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(diǎn)合成，合成的天線陣輻射場在水平各方向均勻相等，實(shí)現(xiàn)了超低頻信號全向輻射。該方法簡單，易于實(shí)現(xiàn)，但需要對兩副接地天線的電夾角進(jìn)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(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程，乃至全球深海域里的水下機(jī)動平臺進(jìn)行有效的超低頻通信指揮與控制。