摘   要： 为了克服超长波天线建设困难、发射效率低下这一大难点，根据电磁波在不同介质中的波长变换原理，提出了在变介质中构建超长波发射天线的方法，使得超长波在介质中的电长度大大缩短，从而大幅度降低发射天线的设计难度，使天线高效辐射极低频信号成为可能。通过理论分析，得出了该设计的正确性，并根据功能性仿真试验，验证了变介质超长波发射天线的辐射性能。
关键词： 极低频; 天线; 变介质; 发射

　　超长波通信是各国争相研究的重要通信手段之一，主要应用于远距离的可靠通信(这时数据率低不是主要，而可靠性是主要问题)，还应用于远距离甚至全球的无线电导航、标准频率和时间信号的广播、低电离层研究、雷暴定位以及对水下潜艇的通信等。特别是海军对水下潜艇的通信，由于海水对电波的强大吸收作用，采用超长波通信几乎成为唯一的手段。
　　ELF波段(30 Hz～300 Hz)无线电波主要有以下几个优点[1-2]：(1)对地下岩层和海水的穿透能力强；(2)传播衰减小，作用距离远，甚至达到全球；(3)传播相位稳定，且有良好的可预测性；(4)受电离层扰动的影响小，传播情况稳定。同时，超长波通信具有隐蔽性好、信道稳定可靠、抗截获抗干扰能力强、抗毁和抗核爆能力强等突出优点，因此可望成为战争中最后的通信手段。
　　但超长波通信也存在一些明显的缺点：带宽窄、传输速率极低，只能达到每秒几个比特，仅仅能传输一些最基本的信息，很难满足信息化战争指挥控制的需要；该波段的天电干扰和工业干扰都十分严重，接收端的信噪比极低;需要庞大的发射天线，设备非常昂贵，且天线效率低下，信号衰减大。
　　为了解决超长波通信系统传输速率低和弱信号接收困难这些固有的难点，主要从两个方面入手:(1)精心设计和架设天线，通过合理的天线架设，提高天线的发射效率;(2)研究设计新型的适合超长波通信特点的调制编码制度，目的是在低信噪比条件下大幅度提高传输效率。本文主要研究了设计和架设天线的新思路，并且通过试验验证得到了可喜的结果。
1 超长波天线设计现状
　　在无线电通信领域中，要构成有效的发射系统，就应该使发信系统的天线长度接近所发信号的波长。否则，发射天线就不能形成有效的电波辐射。极低频(30 Hz~300 Hz)是指波长在1 000 km~10 000 km范围内的无线电信号。极低频的波长如此之大，不难看出：要想构成具有较高辐射能力的极低频发射系统，就需要有一个伸延上千公里的极其庞大的发信天线场。例如，美国原计划建设的桑格文极低频发信台初期天线系统的设计规模，约占地7 766(km)2，其整个天线系统的长度在8 045 km以上，如此巨大规模的天线系统，预计投资在10亿美元以上，以致美国不得不一再搁浅该计划；前苏联在科拉半岛建造永久性的发射台，选用30 Hz~200 Hz频段工作，2根发射天线相互平行，各长60 km，两端接地，彼此相距10.5 km，各有一部发射机，由一个总控制台控制，发射机功率为兆瓦级，其所需的巨额投资也可想而知。通常情况下，极低频天线系统所需资金，将占据整个极低频发信系统总投资中的绝大部分,并且，维护负担将十分繁重。
　　另外，极低频发射系统天线场的选址条件也十分苛刻。其发射天线场的基本选址原则是[3]：极低频发射天线场区，应该定址在具有很低电导率的区域。理想的极低频发射天线场址，是具有前寒武纪花岗岩构成的劳伦地盾区域。这就是说，极低频发信系统应该建设在符合特定地质条件的区域内。
2 超长波(ELF)发射天线设计
　　由电磁波传播理论可知，无线电波在不同介质中传播时，其波长是不同的。其波长与传播介质的电参数密切相关。例如，无线电波在空中传播时的波长，可以近似表示为：

　　根据公式(1)、(2)，可以得出如下推断：对于频率为100 Hz的无线电波来说,它在空气中的波长大约为3 000 km。但是，在海水中的波长大约只有158 m左右。由此可见，对于同样频率的无线电波来说,当它在不同的介质中传播时，其波长会有巨大的差别。这给笔者以很大的启发，如果能够利用这一现象，在海水中构成极低频发信天线，则只需架设几百米的天线，即可达到极低频信号有效辐射的电长度了。如果在陆地上，达到同样的辐射电长度，就必须架设上千公里长的天线。可想而知，在海水中架设几百米长的天线，与在特定地质区域内架设上千公里长的陆基天线相比，所要花费的代价必定会小得多。可以说，这种极低频对潜发信系统的设计构想，必定可以降低极低频天线的建设难度及建造费用，这对于开展我国极低频通信系统的应用研究具有十分重要的意义。
　　现在，就从极低频的辐射和传播入手，对这种发射方式的辐射和传播情况，进行简要的分析，以说明其可行性。
　　由电磁波传播理论可知，当电磁波在海水中传播时，会受到衰减。其衰减量与电磁波的频率密切相关。这种传播衰减与频率关系的统计平均值可由下式表达：

　　假定电磁波在水下传至水面的传播距离为d(m)；其总衰减量为A(dB)，则有：

　　
　　其中：频率f的单位为Hz，传播距离d的单位为m。
　　若电磁波频率为25 Hz，则a(f)=0.172 5 dB/m。如果在水下20 m深处架设极低频天线,则电磁波在水下传至水面的衰减量Ａ＝3.45 dB。假设水下极低频系统向上辐射出100 kW（即80 dBm）的信号，则经过20 m的传播，当它到达水面时，就被衰减为76.55 dBm。当然，这76.55 dBm的信号，不可能完全穿透水面。在它穿越水面时，有相当一部分信号能量，在海水与空气这两种传播介质的交界处被反射。只有一部分信号能量能够穿越这个界面。从最不利的角度来看，海水与空气界面的反射衰减大约为40 dB。于是，能够穿透海水进入大气的信号能量，大约只有36.55 dBm。也就是说，当在海水深度20 m处向上辐射100 kW的信号时,大约会有4 W左右的信号被射入大气之中。该信号的强度，与美国海军现役极低频发信台所能辐射出的信号强度(2 W～8 W)的平均值相当。但是，美国现役极低频发信系统的天线长度大约为135 km(其中：大约有45 km在克莱姆湖；90 km在密执安州北部半岛上)。而只需架设几百米长的天线，就可到达同样的发射效果。
3 天线性能对比分析
　　从幅射效率来看，美国现役ELF发信台的发射机功率接近2 MW。但是,其实际辐射出的功率大约只有2 W~4 W。如果按照2 W计算，其辐射效率只有2 W/2 MW＝10-6，即辐射损耗为60 dB。其辐射损耗如此之大，是因为其发射天线的电长度远未达到ELF的有效辐射长度所致。
　　当发信天线架设于水中时，只需几百米长就可以达到ELF有效辐射的电长度。如果假设其辐射效率为50 %(辐射损耗为3 dB),加上信号传至水面的衰减3.45 dB，水面反射损耗40 dB,就得到水下发射的总衰耗约为46.45 dB。这个衰耗远小于美国现役ELF发射台(60 dB)的辐射损耗。
　　从辐射4 W信号所需的ELF发射机功率来分析。假设水下天线向上辐射100 kW的信号，向上辐射信号仅占总能量的25%。这样，天线总共要辐射出400 kW的信号。又因为已假定辐射效率为50%，于是发射机功率应为800 kW（如果取80%的辐射效率，则只需500 kW的发射机）。由此可见，采用水下发射方式，只需架设数百米的天线和800 kW的发射机，就可以达到美军使用2 MW的发射机并且必须架设上百公里天线才能达到的通信效果。
　　从对潜通信深度上看，美军现役ELF系统以2 W～4 W实现了百米深级的对潜通信。现以4 W(36 dBm)，可通深度100 m为基准，用类比方法分析水下ELF系统以800 kW和10 kW发射机所能达成的通信深度。
　　美军ELF系统的标准工作频率为76 Hz(亦可工作于44 Hz)。由电磁波在海水中的衰减公式(3)可知,频率越低，信号衰减就越小，若取对美方有利的频率44 Hz，其衰减α＝0.229 dB/m，则在海水中传播100 m的衰减A＝22.9 dB。由此可知，可以达成对潜通信的类比参照基准应为：
　　S＝36 dBm－22.9 dBm＝13.1 dBm
　　现在，就以此电平(S＝13.1 dBm)为比较基准，分析水下发射系统的对潜通信深度。假设其工作频率为：f= 25 Hz，其在海水中的衰减α＝0.172 5 dB/m。
　　对于800 kW（即89 dBm）的发信系统来说，可以向空中辐射出4 W（即：36 dBm）的信号。它可能达成的通信深度为：
　　D＝(36－13.1)/0.172 5＝132(m)
　　若发信机功率为10 kW(70 dBm)，可能达成的通信深度为：
　　D＝[36－（89－70）-13.1]/0.172 5＝22.6(m)
　　在前边的分析中，假定水下天线的辐射效率为50％（即辐射损耗3 dB）。如果水下天线的辐射效率为75％～85％。现取其为80％（即：辐射损耗为0.969 1 dB，取其为1 dB）。这样，其有效信号能量就比上述分析时高出约2 dB。于是，其可达成的对潜通信深度就可增至：
　　D＝（2＋36－19－13.1）/0.172 5＝34.2(m)
　　由上分析可知，采用水下发射方式来实现极低频对潜通信是可能的。而且，无论是从极低频发射的有效性上，还是从天线系统的规模上来讲，水下发射的设计思想不仅有效，而且经济小巧，采用这种设计方案可以节省上亿元的天线建设经费。如果这种系统得以实现，必将提高极低频对潜通信的通信质量和性能，极大地促进对潜通信指挥技术手段的进步，进一步增强对潜通信的可靠性。
4 仿真试验
　　经过理论分析后，为了证明这种设想的正确性，在实际环境中进行了功能性仿真试验。首先构建了极低频发射系统和接收系统。发射系统包括发射机和天线，其中发射机采用UPS电源实现，由于设备的限制，无法进行精确的性能试验，只是进行了原理验证试验。
4.1 ELF信号发射机
　　本试验为功能性试验，主要是为了验证水下发射ELF信号的可行性，因此只需要选用一个ELF频率进行发射试验即可。这里通过改装UPS电源电路实现了35 Hz的信号发射。发射原理如下：UPS电源电路其中一个重要的部分就是把直流电转化为220 V的交流电，其默认的交流电频率为50 Hz。为了避开公用电力系统的干扰，同时也为了不影响电力系统，不能选用50 Hz频率进行水下发射试验。因此将UPS电源电路的交流频率进行了调整，调整了决定交流频率的可变电阻，使逆变器输出的电流为35 Hz的准正弦信号。
4.2 ELF发射天线
　　为了得到较好的实验结果，验证水下信号穿透水面传播的可行性，可以在水下布设一定长度的电缆作为简单的超低频水下发射天线。
4.3 ELF接收天线[4]
    　接收天线内部由不同宽度的钹镆合金条组成，横截面基本呈圆形，外部由塑封管固定封装，再由电感线圈缠绕在塑封管上组成接收天线体,电感线圈约为3 000匝，电感量约为20 μH。如图1所示，电感线圈通过并接电容后，谐振频率调整在35 Hz左右，天线接收到信号后送入放大器电路。

4.4 仿真结果分析
　　极低频发射、接收系统构建完成后，对其进行了原理性试验。发射方式为改造1 000 W 的UPS充电电路，将输出直接馈入做为天线的水下电缆，信号频率为35 Hz，每隔2 s发送一次，每次持续2 s。接收方式为海上移动接收。接收到的信号通过场强仪采样数据。记录结果如图2所示。可见，由场强仪的记录结果可以很明显地看到超低频信号能够成功穿透水面，并且随着距离天线越远，信号的强度呈下降趋势。

　　本文在分析了国外极低频技术发展及极低频发射台建设经验的基础上，开拓思路，利用无线电波长在海水中的缩短规律,大胆提出极低频水下发射的构想，从理论上进行了可行性分析，并构筑试验平台，验证了理论结果，最后给出了建设方案和一些继续研究的方向，为我国极低频通信技术开辟了新的研究途径。
参考文献
[1]     王一平，郭宏福． 电磁波—传输·辐射·传播[M]． 西安：西安电子科技大学出版社，2006：230-235.
[2]     张瑜.电磁波空间传播[M]． 西安：西安电子科技大学出版社，2007：14-15.
[3]    柳超，王永斌，高俊．甚低频通信[M]． 武汉：海军工程大学出版社，2003：20-21.
[4]     林昌禄．天线工程手册[M]．北京：电子工业出版社，2002：823-825.