超低频水下发射天线的可行性研究＊

闫晓伟

（解放军92060部队 大连 116041）

1 引言

由于超低频电磁波信号在大气中传播衰减小，信号幅值和相位相对稳定，并能渗透比甚低频更深的土壤和海水，被地下或水下的接收机接收，因此广泛应用于军事通信领域，特别是大深度对潜通信［1～3］。由于海水对电磁波的衰减系数与频率的平方根成正比，用降低频率的办法可以达到增加对海水穿透深度的目的，但根据无线电通信理论，超低频电磁波的波长很长（1000km～10000km），要想构成具有较高辐射能力的超低频发射系统，就需要有一个延伸上千公里的极其庞大的发信天线场，而且天线场地的电导率要尽可能低，发射机要有几兆瓦甚至几十兆瓦的功率，规模巨大，价格昂贵。而且陆基固定台站抗毁能力较差，在战时是敌方打击的重要目标。为此有些国家建造了车载或机载通信用机动式超低频发射电台，其天线分别用气球升举或飞机拖拽。

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［4］。超低频电磁波在海水中传播的波长远远小于其在自由空间的波长。如果能在海水中构成超低频发射天线，则只需架设几百米的天线，即可达到超低频信号有效辐射的电长度［5］。而在陆地上，达到同样的辐射电长度，就必须架设几千公里长的天线。如果这种方案可行，那么必然大大降低超低频发射系统的成本，而且目标隐蔽，生存能力强，对我国发展超低频电磁波对水下设备进行通信具有很好的应用前景。

本文在分析超低频发射天线现状和发展的基础上，研究了超低频电磁波从海水传入大气时，在海面处发生的反射和透射，穿透海面的能量集中在界面附近，沿两种介质分界面传播的侧面波的近似计算公式。通过对比近场和远场时海水中海面附近单位水平电偶极子在海水中100m水深处产生的电磁场和美国一个超长波台的数据，对超低频水下发射天线的可行性进行研究。

2 超低频发射天线设计现状

2.1 固定式超低频对潜通信系统

国外采用超低频对潜通信主要有美国和前苏联，其中美国为解决北极星弹道导弹核潜艇的通信问题，于1958年开始研制超低频对潜通信系统，1986年建成并投入使用，耗资巨大，技术先进，系统完整。该电台由两部分组成，一部分位于威斯康星州，另一部分位于密执安州，两地相距258km，两部分可以联合工作，亦可分别单独工作。天线总长135km，总功率5280kW，最佳频率选定为76Hz，美国利用它在7000～8000km范围内对水下100m的潜艇进行通信，用于传送紧急行动信息，或告知它浮至合适的深度接收用其它通信系统传送的信息，起一种传呼的作用。

前苏联也大力研制和建设超低频对潜通信系统，1983年开始使用，在里加和哥麦尔建成过两个发射台，工作频率82Hz。苏联解体后，原来的台已经撤走，目前的发射台设在与芬兰交界的科拉半岛的科拉镇附近，两根发射天线相互平行，各长60km，两端接地，彼此相距10.5km，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，投入巨额资金。辐射能力比美国的高十多分贝。

陆基固定式超低频对潜通信系统的缺点是：

1）天线辐射效率非常低，在距离几千公里之外的水下接收，要发出一点点强度的信号，也需要几兆瓦的电力，并且这个信号还必须克服在地球周围产生的磁暴所引起的极高电平的电磁噪声干扰；

2）带宽窄，数据传输率极低，只允许用短码发射无线电信息。发出简单的电报，也需要较长的时间；

3）另外超低频天线系统抗毁能力较差，在战时是敌方打击的重要目标。为此有些国家建造了车载或机载通信用机动式超低频发射电台，其天线分别用气球升举或飞机拖拽，以取得较好的通信效果。

2.2 机动式超低频对潜通信系统

美国于上世纪80年代后期研制了一个由高空气球发射天线等组成的车载式机动ELF／VLF实验通信系统，该实验系统由电气、机械（含高空气球）及系绳天线子系统组成。电气子系统包括将信号发送到天线所需的全部组件。它由一个25kW的ELF／VLF功率放大器、激励器和3180m长的垂直单极天线组成，可在72Hz～160Hz间发射8或16波特的 MSK连续波信号，并在系留时承受45m／s的地面风速。这种可机动的高空气球支撑的垂直偶极子天线系统是实现超低频机动通信的关键之一。

采用气球提升的超低频发射天线有一定的军事价值，但不是很理想，它的主要缺点是：展开慢、机动能力差、生存能力弱等。因此只是作为应急使用。还有一种机载式超低频通信系统，作为一种具有可部署性、机动性、抗摧毁性的独立自备式通信系统，用于战略与战术通信。

机载式超低频通信系统的优点是：1）小的垂直偶极子天线能辐射大的功率；2）它不受地理条件限制，便于机动；3）天线带宽，可提高信号传输的数据率；4）可建立一套混合的ELF／VLF系统；5）体积小、重量轻、高效率的固态发射机。

3 超低频水下发射天线的可行性

3.1 超低频电磁波在海水中的传播波长和传播路径

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。由超低频电磁波在海水中传播的波长λs：

式中，f是超低频电磁波频率（Hz）；μ0为自由空间的磁导率，（地下介质和海水介质的磁导率与自由空间磁导率相同）μ0＝4π×10－7（H／m）；σs为海水电导率，σs＝4（S／m）。例如：频率100Hz的电磁波，在自由空间的波长为3000km，而在海水中波长仅158m。

当波源和接收点均在海水中时，传播路径可概括为四种［6］：第一种是直射波，由于波源附近随距离增大而急剧衰减，仅能观测到近场区；第二种是反射波，波到达海面或海底时被反射，因为幅度过小，很难被观测到；第三种是波到达海面时，除一部分反射外，另一部分进入大气，沿海面向周围传播，海面传播过程中，有一小部分能量又进入海中，向下传播至观测点；第四种是当海底地质的电导率远低于海水时，电磁波向下传播，一部分穿透海底，沿海底与海水交界面横向传播，并不断有一部分能量向上进入海水传至接收点，类似第三种方式，其优于第一种而次于第三种，如图1所示。

图1 海面下超低频场源到接收点传播路径

3.2 海水中单位水平电偶极子在海水中产生的电磁场

超低频电磁波在海水向大气中传播时，穿透海面的能量集中在界面附近，并不向大气层内部传播，这种波沿两种介质分界面传播的，也称之为侧面波［7～8］。下面以水平电偶极子作为场源，分析海面下场源发射超低频电磁波的特性。海面附近电偶极子产生的电磁场一般可分为直接波、理想的反射波（理想镜像产生的波）和表面波（侧面波加修正项）三项。在较远的距离上，直接波和反射波可以忽略，所以侧面波加修正项等于海水中偶极子的远距离电磁场［9］。

当满足条件ρ≫d＋z；ksρ≫1时，

Ronold W.P.King［10］定义了三个临界距离：

图2 海面下侧单位水平电偶极子在水下100m处的电场强度随传播距离和频率的关系（近场）

同时须满足以下条件：

1）当5ρA＜ρ＜ρB／5时，近场：

图3 海面下侧单位水平电偶极子在水下100m处的电场强度随传播距离和频率的关系（中场）

2）当20ρB＜ρ＜ρC／5时，中场：

从图2～图3可以看出，海面下侧单位水平电偶极子在中场水平距离（5000km）和水深100m处的电场比近距离（100km）同样深度衰减2～3个数量级，和近场传播不同的是，超低频段（30Hz～300Hz）在固定的中场距离（5000km）上，电磁场的幅度随频率的升高不是单调减小的，而是在某一个频率（100Hz左右）有极大值。这主要是因为：一方面电流矩的辐射是随频率升高而增大的；另一方面，电磁波的衰减也随频率的升高而增大。这个结论和文献［9］中的一致。下面计算近场水下发射天线达到美国的一个超长波发射台在水平距离5000km水下100m处的场强（Eh（100）≈1.0606×10－11V／m）所需要的电流矩。已知该台工作频率为76Hz，发射天线长22.5km，载电流300A。

表1 近中场时水下发射天线所需的电流矩（Am）

如表1所示，若采用水下发射天线，在30km距离上，达到同样的场强需要300A的电流，仅需825m长的天线。虽然传播水平距离只有几十km，但可作为一种应急通信的方式，具有灵活机动和隐蔽性的优点。若采用中场水下发射天线，在5000km距离上，至少要3000根长度为22.5km，载电流300A的天线组成的天线阵，才能达到美国的一个76Hz超长波发射台在同样距离水下100m处的场强，无疑是耗费巨大的。所以采用中场（＞1000km）水下发射天线对100m深度的水下设备进行通信几乎是不可能实现的。但在近场距离上（30km），同样采用的发射电流（300A），仅需很短的天线（825m），具有明显的优势。

4 结语

综上所述，采用水下超低频发射天线，在水下海面附近架设天线，仅需要几百米即可达到陆上几百公里的天线的辐射功率，具有发射效率高的优点；但是由于电磁波从水下穿透海面经过一段水平距离又透入海水深处，经历两次界面衰减，且侧面波沿海面传播过程中也有一部分透入海水消耗。所以传播水平距离一般只有几十公里，但可作为一种应急通信的方式，具有灵活机动和隐蔽性的优点。但如果进一步提高水下发射的功率，则能有效提高传播的水平距离。

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［10］Ronold W.P.King，Michael Franklin Brown.Lateral electromagnetic waves along plane boundaries：a summarizing approach［J］.Proceedings of the IEEE，1984，72（5）.