摘   要： 為了克服超長波天線建設困難、發射效率低下這一大難點，根據電磁波在不同介質中的波長變換原理，提出了在變介質中構建超長波發射天線的方法，使得超長波在介質中的電長度大大縮短，從而大幅度降低發射天線的設計難度，使天線高效輻射極低頻信號成為可能。通過理論分析，得出了該設計的正確性，并根據功能性仿真試驗，驗證了變介質超長波發射天線的輻射性能。
關鍵詞： 極低頻; 天線; 變介質; 發射

　　超長波通信是各國爭相研究的重要通信手段之一，主要應用于遠距離的可靠通信(這時數據率低不是主要，而可靠性是主要問題)，還應用于遠距離甚至全球的無線電導航、標準頻率和時間信號的廣播、低電離層研究、雷暴定位以及對水下潛艇的通信等。特別是海軍對水下潛艇的通信，由于海水對電波的強大吸收作用，采用超長波通信幾乎成為唯一的手段。
　　ELF波段(30 Hz～300 Hz)無線電波主要有以下幾個優點[1-2]：(1)對地下巖層和海水的穿透能力強；(2)傳播衰減小，作用距離遠，甚至達到全球；(3)傳播相位穩定，且有良好的可預測性；(4)受電離層擾動的影響小，傳播情況穩定。同時，超長波通信具有隱蔽性好、信道穩定可靠、抗截獲抗干擾能力強、抗毀和抗核爆能力強等突出優點，因此可望成為戰爭中最后的通信手段。
　　但超長波通信也存在一些明顯的缺點：帶寬窄、傳輸速率極低，只能達到每秒幾個比特，僅僅能傳輸一些最基本的信息，很難滿足信息化戰爭指揮控制的需要；該波段的天電干擾和工業干擾都十分嚴重，接收端的信噪比極低;需要龐大的發射天線，設備非常昂貴，且天線效率低下，信號衰減大。
　　為了解決超長波通信系統傳輸速率低和弱信號接收困難這些固有的難點，主要從兩個方面入手:(1)精心設計和架設天線，通過合理的天線架設，提高天線的發射效率;(2)研究設計新型的適合超長波通信特點的調制編碼制度，目的是在低信噪比條件下大幅度提高傳輸效率。本文主要研究了設計和架設天線的新思路，并且通過試驗驗證得到了可喜的結果。
1 超長波天線設計現狀
　　在無線電通信領域中，要構成有效的發射系統，就應該使發信系統的天線長度接近所發信號的波長。否則，發射天線就不能形成有效的電波輻射。極低頻(30 Hz~300 Hz)是指波長在1 000 km~10 000 km范圍內的無線電信號。極低頻的波長如此之大，不難看出：要想構成具有較高輻射能力的極低頻發射系統，就需要有一個伸延上千公里的極其龐大的發信天線場。例如，美國原計劃建設的桑格文極低頻發信臺初期天線系統的設計規模，約占地7 766(km)2，其整個天線系統的長度在8 045 km以上，如此巨大規模的天線系統，預計投資在10億美元以上，以致美國不得不一再擱淺該計劃；前蘇聯在科拉半島建造永久性的發射臺，選用30 Hz~200 Hz頻段工作，2根發射天線相互平行，各長60 km，兩端接地，彼此相距10.5 km，各有一部發射機，由一個總控制臺控制，發射機功率為兆瓦級，其所需的巨額投資也可想而知。通常情況下，極低頻天線系統所需資金，將占據整個極低頻發信系統總投資中的絕大部分,并且，維護負擔將十分繁重。
　　另外，極低頻發射系統天線場的選址條件也十分苛刻。其發射天線場的基本選址原則是[3]：極低頻發射天線場區，應該定址在具有很低電導率的區域。理想的極低頻發射天線場址，是具有前寒武紀花崗巖構成的勞倫地盾區域。這就是說，極低頻發信系統應該建設在符合特定地質條件的區域內。
2 超長波(ELF)發射天線設計
　　由電磁波傳播理論可知，無線電波在不同介質中傳播時，其波長是不同的。其波長與傳播介質的電參數密切相關。例如，無線電波在空中傳播時的波長，可以近似表示為：

　　根據公式(1)、(2)，可以得出如下推斷：對于頻率為100 Hz的無線電波來說,它在空氣中的波長大約為3 000 km。但是，在海水中的波長大約只有158 m左右。由此可見，對于同樣頻率的無線電波來說,當它在不同的介質中傳播時，其波長會有巨大的差別。這給筆者以很大的啟發，如果能夠利用這一現象，在海水中構成極低頻發信天線，則只需架設幾百米的天線，即可達到極低頻信號有效輻射的電長度了。如果在陸地上，達到同樣的輻射電長度，就必須架設上千公里長的天線。可想而知，在海水中架設幾百米長的天線，與在特定地質區域內架設上千公里長的陸基天線相比，所要花費的代價必定會小得多。可以說，這種極低頻對潛發信系統的設計構想，必定可以降低極低頻天線的建設難度及建造費用，這對于開展我國極低頻通信系統的應用研究具有十分重要的意義。
　　現在，就從極低頻的輻射和傳播入手，對這種發射方式的輻射和傳播情況，進行簡要的分析，以說明其可行性。
　　由電磁波傳播理論可知，當電磁波在海水中傳播時，會受到衰減。其衰減量與電磁波的頻率密切相關。這種傳播衰減與頻率關系的統計平均值可由下式表達：

　　假定電磁波在水下傳至水面的傳播距離為d(m)；其總衰減量為A(dB)，則有：

　　
　　其中：頻率f的單位為Hz，傳播距離d的單位為m。
　　若電磁波頻率為25 Hz，則a(f)=0.172 5 dB/m。如果在水下20 m深處架設極低頻天線,則電磁波在水下傳至水面的衰減量Ａ＝3.45 dB。假設水下極低頻系統向上輻射出100 kW（即80 dBm）的信號，則經過20 m的傳播，當它到達水面時，就被衰減為76.55 dBm。當然，這76.55 dBm的信號，不可能完全穿透水面。在它穿越水面時，有相當一部分信號能量，在海水與空氣這兩種傳播介質的交界處被反射。只有一部分信號能量能夠穿越這個界面。從最不利的角度來看，海水與空氣界面的反射衰減大約為40 dB。于是，能夠穿透海水進入大氣的信號能量，大約只有36.55 dBm。也就是說，當在海水深度20 m處向上輻射100 kW的信號時,大約會有4 W左右的信號被射入大氣之中。該信號的強度，與美國海軍現役極低頻發信臺所能輻射出的信號強度(2 W～8 W)的平均值相當。但是，美國現役極低頻發信系統的天線長度大約為135 km(其中：大約有45 km在克萊姆湖；90 km在密執安州北部半島上)。而只需架設幾百米長的天線，就可到達同樣的發射效果。
3 天線性能對比分析
　　從幅射效率來看，美國現役ELF發信臺的發射機功率接近2 MW。但是,其實際輻射出的功率大約只有2 W~4 W。如果按照2 W計算，其輻射效率只有2 W/2 MW＝10-6，即輻射損耗為60 dB。其輻射損耗如此之大，是因為其發射天線的電長度遠未達到ELF的有效輻射長度所致。
　　當發信天線架設于水中時，只需幾百米長就可以達到ELF有效輻射的電長度。如果假設其輻射效率為50 %(輻射損耗為3 dB),加上信號傳至水面的衰減3.45 dB，水面反射損耗40 dB,就得到水下發射的總衰耗約為46.45 dB。這個衰耗遠小于美國現役ELF發射臺(60 dB)的輻射損耗。
　　從輻射4 W信號所需的ELF發射機功率來分析。假設水下天線向上輻射100 kW的信號，向上輻射信號僅占總能量的25%。這樣，天線總共要輻射出400 kW的信號。又因為已假定輻射效率為50%，于是發射機功率應為800 kW（如果取80%的輻射效率，則只需500 kW的發射機）。由此可見，采用水下發射方式，只需架設數百米的天線和800 kW的發射機，就可以達到美軍使用2 MW的發射機并且必須架設上百公里天線才能達到的通信效果。
　　從對潛通信深度上看，美軍現役ELF系統以2 W～4 W實現了百米深級的對潛通信。現以4 W(36 dBm)，可通深度100 m為基準，用類比方法分析水下ELF系統以800 kW和10 kW發射機所能達成的通信深度。
　　美軍ELF系統的標準工作頻率為76 Hz(亦可工作于44 Hz)。由電磁波在海水中的衰減公式(3)可知,頻率越低，信號衰減就越小，若取對美方有利的頻率44 Hz，其衰減α＝0.229 dB/m，則在海水中傳播100 m的衰減A＝22.9 dB。由此可知，可以達成對潛通信的類比參照基準應為：
　　S＝36 dBm－22.9 dBm＝13.1 dBm
　　現在，就以此電平(S＝13.1 dBm)為比較基準，分析水下發射系統的對潛通信深度。假設其工作頻率為：f= 25 Hz，其在海水中的衰減α＝0.172 5 dB/m。
　　對于800 kW（即89 dBm）的發信系統來說，可以向空中輻射出4 W（即：36 dBm）的信號。它可能達成的通信深度為：
　　D＝(36－13.1)/0.172 5＝132(m)
　　若發信機功率為10 kW(70 dBm)，可能達成的通信深度為：
　　D＝[36－（89－70）-13.1]/0.172 5＝22.6(m)
　　在前邊的分析中，假定水下天線的輻射效率為50％（即輻射損耗3 dB）。如果水下天線的輻射效率為75％～85％。現取其為80％（即：輻射損耗為0.969 1 dB，取其為1 dB）。這樣，其有效信號能量就比上述分析時高出約2 dB。于是，其可達成的對潛通信深度就可增至：
　　D＝（2＋36－19－13.1）/0.172 5＝34.2(m)
　　由上分析可知，采用水下發射方式來實現極低頻對潛通信是可能的。而且，無論是從極低頻發射的有效性上，還是從天線系統的規模上來講，水下發射的設計思想不僅有效，而且經濟小巧，采用這種設計方案可以節省上億元的天線建設經費。如果這種系統得以實現，必將提高極低頻對潛通信的通信質量和性能，極大地促進對潛通信指揮技術手段的進步，進一步增強對潛通信的可靠性。
4 仿真試驗
　　經過理論分析后，為了證明這種設想的正確性，在實際環境中進行了功能性仿真試驗。首先構建了極低頻發射系統和接收系統。發射系統包括發射機和天線，其中發射機采用UPS電源實現，由于設備的限制，無法進行精確的性能試驗，只是進行了原理驗證試驗。
4.1 ELF信號發射機
　　本試驗為功能性試驗，主要是為了驗證水下發射ELF信號的可行性，因此只需要選用一個ELF頻率進行發射試驗即可。這里通過改裝UPS電源電路實現了35 Hz的信號發射。發射原理如下：UPS電源電路其中一個重要的部分就是把直流電轉化為220 V的交流電，其默認的交流電頻率為50 Hz。為了避開公用電力系統的干擾，同時也為了不影響電力系統，不能選用50 Hz頻率進行水下發射試驗。因此將UPS電源電路的交流頻率進行了調整，調整了決定交流頻率的可變電阻，使逆變器輸出的電流為35 Hz的準正弦信號。
4.2 ELF發射天線
　　為了得到較好的實驗結果，驗證水下信號穿透水面傳播的可行性，可以在水下布設一定長度的電纜作為簡單的超低頻水下發射天線。
4.3 ELF接收天線[4]
    　接收天線內部由不同寬度的鈸鏌合金條組成，橫截面基本呈圓形，外部由塑封管固定封裝，再由電感線圈纏繞在塑封管上組成接收天線體,電感線圈約為3 000匝，電感量約為20 μH。如圖1所示，電感線圈通過并接電容后，諧振頻率調整在35 Hz左右，天線接收到信號后送入放大器電路。

4.4 仿真結果分析
　　極低頻發射、接收系統構建完成后，對其進行了原理性試驗。發射方式為改造1 000 W 的UPS充電電路，將輸出直接饋入做為天線的水下電纜，信號頻率為35 Hz，每隔2 s發送一次，每次持續2 s。接收方式為海上移動接收。接收到的信號通過場強儀采樣數據。記錄結果如圖2所示。可見，由場強儀的記錄結果可以很明顯地看到超低頻信號能夠成功穿透水面，并且隨著距離天線越遠，信號的強度呈下降趨勢。

　　本文在分析了國外極低頻技術發展及極低頻發射臺建設經驗的基礎上，開拓思路，利用無線電波長在海水中的縮短規律,大膽提出極低頻水下發射的構想，從理論上進行了可行性分析，并構筑試驗平臺，驗證了理論結果，最后給出了建設方案和一些繼續研究的方向，為我國極低頻通信技術開辟了新的研究途徑。
參考文獻
[1]     王一平，郭宏福． 電磁波—傳輸·輻射·傳播[M]． 西安：西安電子科技大學出版社，2006：230-235.
[2]     張瑜.電磁波空間傳播[M]． 西安：西安電子科技大學出版社，2007：14-15.
[3]    柳超，王永斌，高俊．甚低頻通信[M]． 武漢：海軍工程大學出版社，2003：20-21.
[4]     林昌祿．天線工程手冊[M]．北京：電子工業出版社，2002：823-825.