賈琦 劉曉東 孟凡濤 李娜

（1.中電長(zhǎng)城圣非凡信息系統(tǒng)有限公司，北京 102209；2.中國(guó)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(duì)潛通信是世界各國(guó)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(duì)潛通信系統(tǒng)主要存在發(fā)射臺(tái)及輻射天線體積龐大，抗毀性差等缺點(diǎn)[2-3].國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家除固定甚低頻發(fā)射臺(tái)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(tái)相對(duì)于固定式平臺(tái)，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(tái)和機(jī)載平臺(tái).我國(guó)在1957年曾引進(jìn)前蘇聯(lián)的兩種氣球天線用于15 kW長(zhǎng)波電臺(tái)，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(tái)是美國(guó)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(tái)甚低頻對(duì)潛通信系統(tǒng)[4-6].我國(guó)已于“十三五”時(shí)期，同時(shí)開展了車載及機(jī)載平臺(tái)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(wú)線電波頻率為3～30 kHz，波長(zhǎng)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(chǎng)強(qiáng)衰減約3 dB/m，是世界各國(guó)最主要的對(duì)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(duì)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(hào)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(hào)，該機(jī)動(dòng)式發(fā)信系統(tǒng)可根據(jù)任務(wù)需求轉(zhuǎn)場(chǎng)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(wú)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(zhǎng)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(zhǎng)；a為地網(wǎng)導(dǎo)線的長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(duì)無(wú)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(zhǎng)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(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為10 000 m至20 000 m.由于長(zhǎng)波天線波長(zhǎng)很長(zhǎng)，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(zhǎng)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(huì)偏離中心位置，風(fēng)速越大偏離中心位置越遠(yuǎn)，在無(wú)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(duì)天線輻射方向無(wú)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(zhǎng)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(hào)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(huì)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(chǎng)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(chǎng)，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(chǎng)地位于中國(guó)山東省青島市嶗山區(qū).

測(cè)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(cè)試了100 kW的場(chǎng)強(qiáng).對(duì)25 kW輻射功率下的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋范圍進(jìn)行仿真，場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)基本相當(dāng)，所以在測(cè)試點(diǎn)選取時(shí)，著重考慮天線和收測(cè)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(chǎng)強(qiáng)見表2.實(shí)測(cè)與仿真場(chǎng)強(qiáng)值對(duì)比曲線如圖5所示.可以看出：在1 km以內(nèi)，實(shí)測(cè)值要遠(yuǎn)小于仿真值，因?yàn)闇y(cè)試點(diǎn)距離天線過近，無(wú)法滿足以均勻平面波照射待測(cè)天線，故而產(chǎn)生測(cè)量誤差；在1～9 km內(nèi)，實(shí)測(cè)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(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生一定影響；當(dāng)測(cè)試距離大于18 km時(shí)，實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)值要大于仿真場(chǎng)強(qiáng)值，因?yàn)楸敬螠y(cè)試選用的儀器為綜合場(chǎng)強(qiáng)儀，故而會(huì)受到其他天線的場(chǎng)強(qiáng)干擾，當(dāng)天線不工作時(shí)，實(shí)測(cè)綜合場(chǎng)強(qiáng)儀讀數(shù)為0.15 V/m左右.

表2 不同點(diǎn)位場(chǎng)強(qiáng)測(cè)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(chǎng)強(qiáng)/(V·m?1)實(shí)測(cè)場(chǎng)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(cè)場(chǎng)強(qiáng)值對(duì)比Fig.5 Comparison of simulated and measured field strength values

天線場(chǎng)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(chǎng)場(chǎng)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(chǎng)區(qū)，考慮環(huán)境因素和綜合場(chǎng)強(qiáng)儀的測(cè)試誤差，選取理論與實(shí)測(cè)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(jí)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?qǐng)?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(cè)試了天線的場(chǎng)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(cè)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(cè)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(tái)，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(duì)系留纜繩天線的特點(diǎn)，對(duì)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(tái)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(duì)潛通信臺(tái)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(duì)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(guó)甚低頻通信技術(shù)的發(fā)展做出了一定的貢獻(xiàn).