劉勇，查明，饒斯韜，李縱，李文彬

武漢船舶通信研究所 低頻電磁通信技術(shù)實驗室，湖北 武漢 430205

0 引 言

按照國際電信聯(lián)盟頻率劃分規(guī)則，極低頻（ELF）是指3～30 Hz，即將30 Hz及以下的頻率通常稱為極低頻[1]。在工程應(yīng)用中，跨度超過了0.1～300 Hz[2-3]的頻率實際上包括了極低頻（0.095～30 Hz）和超低頻(SLF，30～311 Hz）這兩個頻段[4-5]。極低頻信號在大地和電離層之間構(gòu)成的波導(dǎo)中傳播，具有傳播衰減小、傳播相位穩(wěn)定、穿透地層和海水深的鮮明特征[6-7]，其傳播距離可達數(shù)千甚至上萬公里，適用于大面積地下資源、大陸架資源探測和地震預(yù)測[4]。

若采用傳統(tǒng)的垂直天線發(fā)射極低頻信號，則要求天線高度達到上千公里，而通常數(shù)百米高的垂直天線與極低頻的波長相比太短，輻射效率極低。上世紀(jì)，美國、俄羅斯開展了電離層加熱、水平低架天線輻射極低頻信號這兩種方法的研究，在高緯度地區(qū)開展了兆瓦級大功率短波向極區(qū)的電離層加熱。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電離層溫度隨著短波調(diào)制的極低頻信號變化而產(chǎn)生極低頻信號輻射，其輻射效率低，相對適合于高緯度地區(qū)。國內(nèi)中電第22研究所開展了在中緯度地區(qū)電離層加熱輻射極低頻信號方法的研究，從而驗證了電離層加熱輻射低頻信號效率低的結(jié)果[8]。

基于上述研究，俄羅斯最終放棄了電離層加熱的技術(shù)路線，轉(zhuǎn)而開展兩端接地的水平低架天線輻射極低頻信號的研究，并通過試驗驗證了此方法的有效性[9]。2017年，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）提出采用機械天線輻射低頻信號的創(chuàng)新計劃。根據(jù)文獻報道，目前美國已實現(xiàn)了百米的極低頻信號輻射試驗，但仍處于探索階段，遠未達到實用要求[10]。在國內(nèi)，國防科技大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、武漢船舶通信研究所也同步開展了機械天線的基金項目和創(chuàng)新預(yù)研，研究水平與美國相近[11]。

在工程應(yīng)用中，通常采用長距離水平低架天線來實現(xiàn)極低頻信號的有效發(fā)射。但極低頻段內(nèi)天線的感抗變化大，發(fā)射系統(tǒng)處于發(fā)射天線的強電磁場環(huán)境中，發(fā)射系統(tǒng)小信號設(shè)備受到干擾；同時，極低頻頻率過低，發(fā)射系統(tǒng)無法使用常規(guī)變壓器升壓和功率合成，難以實現(xiàn)大功率信號的放大。因此，研制極低頻發(fā)射系統(tǒng)極具挑戰(zhàn)性。

本文將基于極低頻信號功率放大原理的研究，提出極低頻/超低頻雙頻段雙橋級聯(lián)功率合成方法和高精度超低頻/極低頻雙頻段激勵信號生成方法，實現(xiàn)在同一主功率電路上極低頻和超低頻無變壓器大功率放大。針對極低頻頻段內(nèi)天線感抗變化大、發(fā)射系統(tǒng)難以獲得最大輻射功率的問題，提出直通天線、電容調(diào)諧和匹配調(diào)諧的組合調(diào)諧策略，來獲得最大輻射功率。針對極低頻發(fā)射系統(tǒng)小信號設(shè)備在強電磁場環(huán)境中工作可靠性差的問題，提出由以太網(wǎng)、控制層網(wǎng)二級網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的集散檢測協(xié)同控制策略，來提高極低頻發(fā)射系統(tǒng)的冗余性和可靠性。

1 極低頻發(fā)射系統(tǒng)工作原理

圖1所示為極低頻發(fā)射系統(tǒng)工作示意圖。其中，信號處理設(shè)備的作用是對設(shè)定工作頻率進行處理，生成高精度且頻率穩(wěn)定的小信號脈沖系列；500 kW發(fā)射設(shè)備是對激勵小信號進行功率放大，輸出功率為500 kW單頻大功率極低頻信號，工作頻率范圍為0.1～300 Hz。

圖1 極低頻發(fā)射系統(tǒng)工作示意圖Fig.1 Schematic diagram of ELF transmission system

圖2 水平低架天線輻射原理Fig.2 Radiation principle of horizontal low-profile antennae

水平低架天線可長達幾十公里甚至一百多公里[8,10]，通常選擇電導(dǎo)率σ小于10?4s/m的花崗巖地區(qū)架設(shè)天線，電流有效穿透深度可達數(shù)公里甚至數(shù)十公里。水平低架天線的方向特性與水平磁偶極子一致，天線方向呈“∞”形，采用兩根互相垂直的水平低架天線最大程度地實現(xiàn)輻射信號的全向覆蓋[8]。極低頻發(fā)射系統(tǒng)0.1～300 Hz工作頻率覆蓋范圍高達3 000倍，天線在不同頻率下工作時的阻抗變化非常大，其實部在10～300 Ω、虛部在0.1～1 000 Ω之間變化。受發(fā)射機功率和天線阻抗限制，天線發(fā)射電流一般為幾百安培[8]。

圖3為極低頻發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)主要由信號處理設(shè)備（高精度激勵器、信號處理單元）、高壓整流電源分系統(tǒng)（10 kV配電柜、整流變壓器、可控整流電源）、發(fā)射主機、轉(zhuǎn)換開關(guān)、匹配調(diào)諧分系統(tǒng)（匹配變壓器、調(diào)諧電容、高壓開關(guān)）、假負載、天線接入設(shè)備（接入開關(guān)、接地開關(guān)、防雷裝置）、頻率標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備（頻標(biāo)）、時間標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備、檢測控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、低壓供電系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量超過600余臺套，占地總面積約2 000 m2，分別被安裝布置在數(shù)個房間內(nèi)。

圖3 極低頻發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Block diagram of the ELF transmission system

發(fā)射系統(tǒng)配備的2部500 kW發(fā)射機既可分別實現(xiàn)接?xùn)|西向天線或南北向天線獨立工作，又可實現(xiàn)同時工作并進行大功率信號的空間合成。在局部設(shè)備或部件故障時，兩部發(fā)射機或小信號設(shè)備均可互為備用，從而提高了發(fā)射可靠性[3]。

2 極低頻發(fā)射系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 極低頻信號功率放大技術(shù)

極低頻低端接近于直流，無法采用變壓器進行信號放大與功率合成。因此，本文研究的極低頻發(fā)射系統(tǒng)采用的是雙橋級聯(lián)的拓撲結(jié)構(gòu)，以及極低/超低頻雙頻段調(diào)制策略。其中，極低頻頻段生成帶死區(qū)的正弦脈寬調(diào)制（SPWM）激勵信號，超低頻頻段生成多電平矢量疊加激勵信號，在同一主功率電路上可以實現(xiàn)極低頻和超低頻無變壓器大功率放大。

極低頻發(fā)射系統(tǒng)選用的IGCT功率開關(guān)管的峰值電壓參數(shù)為6 000 V/1 000 A，可穩(wěn)定地輸出3 000 V/300 A有效功率[13]。30 Hz以下的南北向、東西向天線最大電阻分別達到13，20 Ω，單個H橋不足以直接在天線上穩(wěn)定可靠地輸出500 kW的功率，故采用了2個H橋級聯(lián)疊加的電路來實現(xiàn)功率放大。圖4所示為設(shè)計的發(fā)射主機功率放大原理圖（圖中各符號定義可詳見文獻[14]）。其中，每個H橋采用獨立的直流電源供電，通過輸出端的串聯(lián)方式實現(xiàn)級聯(lián)工作，并給設(shè)備的電壓、電流留有一定的余量。功率放大器最大輸出電壓4 000 V、最大輸出電流300 A，最大輸出功率1 200 kVA，在天線上每個頻點可穩(wěn)定輸出500 kW有效功率。

圖4 發(fā)射主機功率放大原理圖[14]Fig.4 Schematic diagram of power amplifier for the primary transmitter[14]

圖4中：開關(guān)S1，S1′，S2和S2′共同組成一個H橋（H1）；開關(guān)S3，S3′，S4和S4′共同組成另一個H橋（H2）。開關(guān)S1與S1′組成半橋，不能同時導(dǎo)通；開關(guān)S2和S2′組成半橋，也不能同時導(dǎo)通，否則會出現(xiàn)直通，損壞功率管。因此，在激勵信號加入死區(qū)時間以防止功率管受到損壞。在一個調(diào)制周期內(nèi)，該電路有正向?qū)?、反向?qū)?、正向旁路、反向旁路這4種工作狀態(tài)[14]。

8個功率開關(guān)管的8路激勵信號有兩種產(chǎn)生方式，其工作原理如圖5所示[14]。工作頻率低于30 Hz時，采用SPWM方式（根據(jù)左邊的調(diào)制原理）生成激勵信號。工作頻率高于30 Hz時，發(fā)射機輸出采用三電平疊加方式生成激勵信號，將2個H橋的階梯波功率進行合成，并根據(jù)正弦波基頻信號直接整形為方波，調(diào)整脈寬占空比為5/12，然后再將2個H橋?qū)?yīng)位置的開關(guān)移相角30°（π/12）生成激勵信號8路脈沖序列，即右邊的方波脈沖系列。

圖5 兩個頻段的8路激勵信號對應(yīng)關(guān)系圖Fig.5 The relation diagram of eight-channel excitation signals of two frequency bands

兩個2H橋采用載波三角波移相控制法級聯(lián)疊加，輸出五電平階SPWM梯波電壓，表達式如下：

式中：Jn為n階貝塞爾函數(shù)；調(diào)制比M=US/UC≤1，其中，US為正弦調(diào)制波幅值，UC為三角載波幅值；載波比F=ωC/ωS?1， 其中，ωC為三角載波角頻率，ωS為 正弦調(diào)制波角頻率；Ud為2H橋的直流電源電壓。由式（1）第1項可知，輸出電壓基波幅值為 2MUd，其只與調(diào)制比M有關(guān)。由式（1）第2項可知，輸出電壓的諧波分量對稱的分布在4，8，12······等倍數(shù)的載波頻率周圍[14]。

理論上，SPWM波形不含低階奇次諧波，而實際上由于加入了死區(qū)時間，則不可避免地將出現(xiàn)3次、3次等低次諧波，且頻率越低，低次諧波越大[14-15]。針對上述分析進行的諧波仿真條件如下：正弦波頻率27.9 Hz，三角波頻率210 Hz，調(diào)制比0.95，死區(qū)時間20 μs，負載電阻8.9 Ω，電感35.18 mH[14]。仿真輸出的電壓電流波形如圖6所示，圖中輸出到天線上的總諧波畸變率（THD）約為1.51%。

圖6 正弦脈寬調(diào)制的仿真電壓和電流波形Fig.6 The voltage and current waveforms simulated by SPWM

2.2 組合調(diào)諧策略

因發(fā)射天線呈感性，故天線調(diào)諧回路中必須串聯(lián)電容器來抵消天線的電抗分量，使其表現(xiàn)為純阻特性，以利于獲得最大功率輻射。針對0.1～300 Hz天線阻抗變化大的問題，本文研究中提出了直通天線、電容調(diào)諧和匹配調(diào)諧的組合調(diào)諧策略，通過分組串聯(lián)電容來抵消天線的感抗分量，使發(fā)射機的輸出呈現(xiàn)純阻特性，從而獲得最大的輻射功率。此時，回路串聯(lián)諧振于工作頻率，表現(xiàn)為帶通特性。

圖7所示為天線調(diào)諧原理圖。具體設(shè)計如下：在0.1～0.5 Hz頻率時，發(fā)射主機無電容調(diào)諧直接連接發(fā)射天線；在0.5～30 Hz以下頻率時，無變壓器而直接通過電容調(diào)諧連接發(fā)射天線；在30 Hz以上頻率時，先經(jīng)變壓器進行匹配，然后由調(diào)諧電容調(diào)諧連接發(fā)射天線。

在工作頻率高于30 Hz時，天線阻抗較大，實部最高達300 Ω，與發(fā)射主機最佳輸出阻抗相差甚遠，因此，設(shè)計了多變比的輸出變壓器來實現(xiàn)阻抗匹配?？紤]到匹配變壓器漏感參與調(diào)諧回路且影響了調(diào)諧參數(shù)，故要求變壓器在全頻段都為低漏感。鑒于東西向和南北向天線參數(shù)不同，東西向變壓器變比在1:1～1:3之間變化，南北向變壓器變比在1:1～1:1.5之間變化。

2.3 二級網(wǎng)絡(luò)集散檢測控制策略

系統(tǒng)由2臺操作終端、主控單元、系統(tǒng)控制柜等設(shè)備組成，如圖8所示。該控制系統(tǒng)可對發(fā)射系統(tǒng)進行監(jiān)視、控制、故障檢測和保護，并根據(jù)預(yù)定時間和任務(wù)表自動切換預(yù)存工作頻率以實現(xiàn)自動發(fā)射。

圖8 強電磁場環(huán)境的控制系統(tǒng)組成Fig.8 Composition of control system for strong power electromagnetic fields

集散檢測控制系統(tǒng)由以太網(wǎng)、控制層網(wǎng)二級網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。在以太網(wǎng)配有操作終端、主控單元等設(shè)備，可實時顯示發(fā)射系統(tǒng)設(shè)備運行狀態(tài)信息；通過以太網(wǎng)對主控單元發(fā)出指令，可對發(fā)射設(shè)備進行控制。在控制層網(wǎng)上配有主控單元、系統(tǒng)控制柜等設(shè)備，設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸采用可編程序邏輯控制器（PLC）專用網(wǎng)絡(luò)MELSECNET/H，可實時傳遞與設(shè)備運行相關(guān)的數(shù)據(jù)。此外，控制層網(wǎng)的傳輸介質(zhì)為雙重回路的光纖，從而提高了系統(tǒng)冗余性和可靠性。

3 系統(tǒng)測試與試驗

國家無線電委員會為極低頻發(fā)射系統(tǒng)分配了0.095～311 Hz共98個頻率。極低頻發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)為：在近百個頻點輸出500 kW發(fā)射功率，東西向發(fā)射電流矩為3×107Am，南北向發(fā)射電流矩為2×107Am，覆蓋范圍可在3 000 km內(nèi)，另外，0.5～10 Hz信號的信噪比大于10 dB，10 Hz以上信號的信噪比達到15～20 dB。

3.1 陸地場強測試

陸地場強測試分別測試了南北向天線、東西向天線、兩天線合成3種發(fā)射狀態(tài)下的信號場強。具體包括4部分內(nèi)容：1）南北方向500～2 500 km場強測試；2）西北方向500～3 000 km場強測試；3）90°弧線1 000 km距離場強測試；4）與俄羅斯合作開展的7 000 km距離場強測試。

國內(nèi)陸地場強測試地點分布如圖9所示。沿著輻射天線的兩個方向每間隔500 km為一個測試點。場強測試采用武漢船舶通信研究所研制的5通道CEMT-03接收機，分別接3根CMS-02磁傳感器（Hx，Hy，Hz，即x，y，z方向的磁場）和2根電天線（Ex，Ey，即x，y方向的電場），場強測試設(shè)備連接圖如圖10所示。設(shè)備與磁傳感器之間的保持3～5 m距離以避免電磁干擾，然后，挖坑用泥土掩埋磁傳感器。電傳感器為性能穩(wěn)定的長周期不極化電極，同一方向上2個電極之間的連接線長度根據(jù)現(xiàn)場情況作調(diào)整，一般在50～100 m之間。

圖9 國內(nèi)陸上場強測試地點Fig.9 Sites of strength measurement for domestic onshore field

圖10 極低頻場強測試設(shè)備連接圖Fig.10 Connection diagram of ELF field strength testing devices

CEMT-03接收機將測量的電磁信號存儲，導(dǎo)入計算機并按照如圖11所示流程進行數(shù)據(jù)處理。主要步驟包括：1) 根據(jù)電磁接收機采集到的數(shù)據(jù)計算功率譜；2) 依據(jù)磁傳感器、電磁探測儀的校準(zhǔn)系數(shù)，得到校準(zhǔn)后的信號場強；3) 計算一定帶寬內(nèi)的噪聲功率譜密度；4) 計算各頻點的信噪比。

圖11 數(shù)據(jù)處理流程示意圖Fig.11 Flow chart of data processing

若信號采樣時間為256～2 048 s時且在3 000 km覆蓋范圍內(nèi)，則0.5～10 Hz信號的信噪比大于10 dB，而10 Hz以上信號的信噪比可達20 dB。其中，計算得到的西北方向1 500，3 000 km距離的5.766 Hz極低頻電場場強和磁場場強分別如圖12和圖13所示，其中，1 500 km距離的信噪比約為20 dB，3 000 km距離的信噪比約為12 dB，結(jié)果滿足發(fā)射系統(tǒng)信噪比指標(biāo)要求。

圖12 西北1 500 km距離5.766 Hz極低頻電場和磁場頻譜Fig.12 Electric and magnetic field spectra of 5.766 Hz ELF at a distance of 1 500 km in Northwest China

圖13 西北3 000 km距離新疆奎屯5.766 Hz電場和磁場頻譜Fig.13 Electric and magnetic field spectra of 5.766 Hz ELF at a distance of 3 000 km in Kuitun, Xinjiang, Northwest China

與俄羅斯合作開展7 000 km距離的場強測試，圖14所示為采樣時間為1 000 s時11.32和27.9 Hz頻率時的磁場頻譜圖。由圖可分析得出，接收到的信號信噪比達到15 dB，結(jié)果滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

圖14 7 000 km距離11.2 Hz和27.9 Hz的極低頻磁場頻譜Fig.14 Magnetic field spectra of 11.32 Hz and 27.9 Hz ELF at a distance of 7 000 km onshore

3.2 水下場強測試

水下場強測試主要開展了1 300 km距離的水下100～300 m大陸架探測試驗。圖15所示為距離發(fā)射臺約1 300 km距離水下200～300 m大陸架17 Hz和 2.48 Hz場強（Ey）的測試結(jié)果。其中，接收到的17 Hz信號的信噪比為14.254 7 dB，接收到的2.48 Hz信號的信噪比為14.527 5 dB，結(jié)果滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

圖15 1 300 km距離大陸架水下200～300 m的極低頻信號頻譜Fig.15 Signal spectra of continental shelf in the water depth of 200-300 m at a distance of 1 300 km

上述場強測試與試運行探測試驗結(jié)果表明：極低頻信號覆蓋了我國領(lǐng)土和主要領(lǐng)海，輻射信號強度比天然源信號高出10～20 dB。

3.3 地下資源探測試驗

在地下資源探測方面，開展了內(nèi)蒙古曹四夭鉬礦、重慶明月峽構(gòu)造、河南泌陽油田等地下資源探測，最大探測深度達10 km，以及首都地震圈、南北地震帶地震臺站信號監(jiān)測和南海北部大陸架探測等試驗。中科院地質(zhì)與地球物理研究所底青云團隊提供的泌陽油田資源探測0.1～256 Hz電磁場頻譜如圖16所示。由圖所示結(jié)果可見，極低頻發(fā)射系統(tǒng)提供的極低頻信號可為開展地下資源探測等方面的探索性研究和工程試驗研究提供支持。

圖16 泌陽油田電磁場頻譜數(shù)據(jù)Fig.16 Electromagnetic spectra data obtained by source detection in Biyang oil field

4 結(jié) 語

本文研究了極低頻信號的功率放大與合成機理、水平天線組合調(diào)諧策略和二級網(wǎng)絡(luò)集散檢測控制策略，介紹了極低頻發(fā)射系統(tǒng)的工作原理，并對極低頻發(fā)射系統(tǒng)進行了陸地、水下和地下場強測試。結(jié)果表明，極低頻信號可以覆蓋我國國土和主要領(lǐng)海，輻射信號強度比天然源信號高出10～20 dB，探測深度達10 km。極低頻發(fā)射系統(tǒng)的試驗研究推進了極低頻無線電技術(shù)的發(fā)展，為實現(xiàn)深水通信技術(shù)發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。與此同時，研制的極低頻發(fā)射系統(tǒng)為我國提供了跨學(xué)科的新型公用性、開放性服務(wù)平臺，對相關(guān)行業(yè)和學(xué)科的發(fā)展將具有巨大推動作用。