許 奎，胡安平，王 偉

水下甚低頻導(dǎo)航磁場接收天線設(shè)計

許 奎，胡安平，王 偉

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

通過分析Alpha甚低頻信號空氣—海水跨介質(zhì)及水下傳播規(guī)律，重點研究了影響水下磁場天線接收性能的主要噪聲源，并給出相應(yīng)解決措施，提出了甚低頻磁場接收天線的設(shè)計方案，經(jīng)測試驗證具備水下20 m接收甚低頻導(dǎo)航信號的能力和可行性。

Alpha甚低頻導(dǎo)航；空氣—海水跨介質(zhì)；水下；磁場接收天線

0 引言

近年來隨著潛艇、無人水下航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）等水下平臺對導(dǎo)航和授時的需求越來越迫切，基于慣性導(dǎo)航、水聲導(dǎo)航、無線電導(dǎo)航和重力/磁力/匹配等導(dǎo)航的技術(shù)手段得到飛速發(fā)展。其中水下無線電導(dǎo)航因抗干擾能力強(qiáng)、傳輸延時低及具有較高的性價比等特點，受到國內(nèi)外許多專家學(xué)者的關(guān)注研究，相關(guān)產(chǎn)品在潛艇、UUV、水雷上得到應(yīng)用。Alpha甚低頻導(dǎo)航系統(tǒng)是前蘇聯(lián)建設(shè)的超遠(yuǎn)程導(dǎo)航系統(tǒng)，于1970年投入使用，是目前國際上唯一仍在正常運(yùn)行的甚低頻陸基超遠(yuǎn)程導(dǎo)航系統(tǒng)[1]，可基本覆蓋我國的全部海域。該系統(tǒng)采用大功率甚低頻導(dǎo)航信號發(fā)射，可以實現(xiàn)廣域范圍的水下一定深度的載體隱蔽導(dǎo)航定位和授時，具有廣域高效的特點。

甚低頻無線電信號穿透海水后，磁場分量衰減較小，使用磁場天線接收磁場分量進(jìn)行定位導(dǎo)航具有可行性，同時磁場天線還具有高接收靈敏度及小型化等特點，可與水下各載體共形安裝。研究設(shè)計水下甚低頻導(dǎo)航磁場接收天線對實現(xiàn)淺層水域水下無線電定位導(dǎo)航具有重要意義。

1 甚低頻信號水中傳播分析

1.1 空氣—海水跨介質(zhì)傳播規(guī)律

Alpha甚低頻導(dǎo)航系統(tǒng)輻射的電磁波是垂直極化平面波，信號在遠(yuǎn)場海面上傳播時，存在垂直電場分量1x和水平磁場分量1y，電磁波的場結(jié)構(gòu)如圖1所示。在海面與空氣交界處，海面上的水平磁場分量1y與導(dǎo)電的海面感應(yīng)出二次場分量，即水平電場分量1z[2]。圖1中，垂直電場分量2x、水平磁場分量2y和水平電場分量2z為電磁波在海水中傳播時的場結(jié)構(gòu)。

圖1 空氣—海水跨介質(zhì)電磁波傳播

電磁波在兩種介質(zhì)分界面?zhèn)鞑r，滿足邊值條件，即在空氣和海水中的各分量存在以下關(guān)系，如式（1）～式（5）所示：

由此可得出以下結(jié)論：

1）甚低頻信號空氣—海水跨介質(zhì)傳播時，垂直電場分量衰減嚴(yán)重，能夠使用的信號為水平電場分量和水平磁場分量；

2）因水平場分量較強(qiáng)，可判斷電磁波進(jìn)入海水中，近似垂直界面?zhèn)鞑ィ?/p>

水下應(yīng)使用水平極化電天線接收水平電場分量，或磁場天線接收水平磁場分量，因磁場能量大于電場且磁天線具有小型化、易共形等特點，因此磁天線是水下甚低頻信號接收的最佳選擇。

1.2 Alpha信號水下場強(qiáng)預(yù)計

Alpha甚低頻導(dǎo)航臺站輻射功率為50～80 kW[4]，與我國沿海距離大致為3 000～4 000 km，臺站遠(yuǎn)場海面上的垂直電場強(qiáng)度為：

式中，為輻射功率；為工作頻率；為傳播距離；為地球半徑。

Alpha甚低頻導(dǎo)航臺站遠(yuǎn)場垂直電場強(qiáng)度與距離的變化關(guān)系如圖2所示，取距離為3500 km，輻射功率按60 kW計算，工作頻率=11.905 kHz。此時海面上的垂直電場強(qiáng)度為：

由式（6）～式（7）可知，對應(yīng)海水中的水平電場分量和水平磁場分量為：

結(jié)合上述分析，當(dāng)工作頻率為11.905 kHz時，不同水深下水平磁場分量的強(qiáng)度預(yù)計如圖4所示。

可知距離Alpha甚低頻導(dǎo)航臺站3 500 km的水下20 m處，磁場分量的強(qiáng)度約為-65.7 dBmV/m。

2 磁場接收天線主要噪聲分析

2.1 工作原理

磁場天線的工作原理是：基于法拉第電磁感應(yīng)定律，空間信號通過線圈，線圈中的磁通量發(fā)生變化，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。線圈中穿過高磁導(dǎo)率的磁棒，可增加磁通量密度，增大線圈感應(yīng)電動勢，從而提高磁天線接收靈敏度。

磁場天線的天線模型如圖5所示。單根磁棒天線的方向圖在法向方向最大，并逐漸向徑向減弱，因此一般采用兩根正交的磁棒組成天線陣列，實現(xiàn)天線全向接收。

圖5 正交天線陣列模型

圖6 磁場天線等效原理圖

線圈感應(yīng)出的電壓如式（13）所示：

磁場天線的電壓靈敏度為：

2.2噪聲源分析及解決措施

通常為實現(xiàn)天線信號遠(yuǎn)距離傳輸至接收機(jī)，磁場天線采用有源方式，即在磁棒后端設(shè)計有源放大電路。此時，磁場天線主要噪聲源如圖7所示。

圖7 磁場天線主要噪聲源

磁芯軟磁材料隨溫度、頻率、磁通密度等非線性因素變化，產(chǎn)生多余的磁噪聲。主要表征為溫度升高或磁通密度增大會加速磁材料中的多價Fe離子運(yùn)動，產(chǎn)生熱噪聲。

通?？蛇m當(dāng)添加微量Mn2+、 Ca2+ 等元素，抑制多價Fe離子[5]。磁材料中添加不同元素后磁芯中的電子擴(kuò)散難度如表1所示。添加一定量的CaO和SiO2后，晶界反應(yīng)生成CaSiO3形成高阻層，電子擴(kuò)散難度顯著增加。

表1 磁材料中添加不同元素后磁芯中的電子擴(kuò)散難度對照表

磁場天線除了對入射的磁場分量H敏感，也會受寄生電場E磁化影響，天線輸出為：

磁棒線圈的阻抗呈較大的感抗值，一種初始磁導(dǎo)率為8 000的錳鋅鐵氧體磁棒繞制線圈390匝后的電感及特性阻抗如表2所示。

表2 一種磁棒的電感及特性阻抗

此外，利用Non-Foster元件構(gòu)建負(fù)阻抗變換（Negative Impedance Converter，NIC）網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)負(fù)電感匹配，也可以有效地解決磁棒線圈匹配問題。如圖8所示，電容諧振僅在諧振點電抗趨近于0；Non-Foster匹配在工作頻段內(nèi)匹配電抗均趨近于0，且未引入產(chǎn)生熱噪聲實際阻抗。

圖8 Non-Foster匹配

3 水下磁場接收天線設(shè)計

基于上述章節(jié)關(guān)于天線磁場分量的強(qiáng)度預(yù)計，噪聲源分析及解決措施為設(shè)計輸入和依據(jù)，進(jìn)行水下磁場接收天線設(shè)計。

1）選擇低磁損耗、高電子擴(kuò)散難度的錳鋅鐵氧體材料，初始磁導(dǎo)率為12000，單磁棒長度選取230 mm，截面邊長22 mm，長細(xì)比為1/10；

2）用柔性銅箔制作條狀屏蔽層，包裹在磁棒骨架外面，將銅箔單端跟大地相連；

3）使用FET設(shè)計基于匹配的低噪聲放大電路。如圖9所示，該電路利用雙路共漏—共柵電路的共漏電路具有較高輸入阻抗進(jìn)行阻抗匹配作為輸入端，利用共柵電路具有一定的電壓放大能力作為輸出端。同時通過增加恒流源差分電路，提高電路的整體共模抑制比。圖9中的3、4、5和1組成工作點穩(wěn)定電路，電源取±5 V，當(dāng)5>>4時構(gòu)成恒流源電路。

水下甚低頻導(dǎo)航磁場接收天線的樣機(jī)實物圖如圖10所示。經(jīng)實驗室場強(qiáng)測試，天線處于磁場強(qiáng)度-70.57 dBmV/m下依然可以檢測出甚低頻信號，初步驗證該磁場天線樣機(jī)具備水下20 m處接收甚低頻信號能力。

圖10 磁場接收天線樣機(jī)實物

4 結(jié)論

降低磁場天線噪聲是提高其接收性能的關(guān)鍵，應(yīng)綜合考慮磁棒磁噪聲、線圈電阻熱噪聲、電路匹配放大熱噪聲及外界干擾引入的噪聲等多種因素。本文通過對甚低頻信號空氣—海水跨介質(zhì)、水下傳播規(guī)律及磁場天線主要噪聲源的研究分析，給出了降低天線噪聲的措施，并以此設(shè)計制作了水下甚低頻導(dǎo)航磁場接收天線的樣機(jī)，經(jīng)初步測試驗證，具備水下20 m接收甚低頻信號的能力和可行性。

[1] 吉春生等. ALPHA導(dǎo)航差分修正概念與定位方法研究[J]. 青島大學(xué)學(xué)報，2011（3）：1-2.

[2] 崔國恒等. 磁天線水下接收羅蘭Ｃ信號可行性研究[J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2010（6）：1-2.

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Design of Underwater VLF Navigation Magnetic Receiving Antenna

XU Kui, HU Anping, WANG Wei

According to analyze air-sea water cross medium and underwater propagation law of alpha VLF signal, focuses on the main noise sources affecting the receiving performance of underwater magnetic antenna, gives the corresponding solutions, and puts forward the design scheme of VLF magnetic receiving antenna. The test shows that it has the ability and feasibility of receiving VLF navigation signal 20 meters below water.

Alpha VLF Navigation; Air-Sea Water Cross Medium; Underwater; Magnetic Receiving Antenna

TN965

A

1674-7976-(2022)-01-046-05

2021-12-21。

基礎(chǔ)研究項目：2020-JCJQ-ZD-134-03

許奎（1989.09—），陜西漢中人，工程師，主要研究方向為低頻無線電導(dǎo)航。