天線（antenna)是一種變換器，它把傳輸線上傳播的導行波，變換成在無界媒介（通常是自由空間）中傳播的電磁波，或者進行相反的變換。在無線電設備中用來發(fā)射或接收電磁波的部件。無線電通信、廣播、電視、雷達、導航、電子對抗、遙感、射電天文等工程系統(tǒng)，凡是利用電磁波來傳遞信息的，都依靠天線來進行工作。此外，在用電磁波傳送能量方面，非信號的能量輻射也需要天線。一般天線都具有可逆性，即同一副天線既可用作發(fā)射天線，也可用作接收天線。同一天線作為發(fā)射或接收的基本特性參數(shù)是相同的。這就是天線的互易定理。

為了解決超長波通信系統(tǒng)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(fā)射效率;(2)研究設計新型的適合超長波通信特點的調(diào)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(xiàn)狀

在無線電通信領域中，要構成有效的發(fā)射系統(tǒng)，就應該使發(fā)信系統(tǒng)的天線長度接近所發(fā)信號的波長。否則，發(fā)射天線就不能形成有效的電波輻射。通常情況下，極低頻天線系統(tǒng)所需資金，將占據(jù)整個極低頻發(fā)信系統(tǒng)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(fā)射系統(tǒng)天線場的選址條件也十分苛刻。其發(fā)射天線場的基本選址原則是[3]：極低頻發(fā)射天線場區(qū)，應該定址在具有很低電導率的區(qū)域。這就是說，極低頻發(fā)信系統(tǒng)應該建設在符合特定地質(zhì)條件的區(qū)域內(nèi)。

2 超長波(ELF)發(fā)射天線設計

由電磁波傳播理論可知，無線電波在不同介質(zhì)中傳播時，其波長是不同的。其波長與傳播介質(zhì)的電參數(shù)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(jù)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(zhì)中傳播時，其波長會有巨大的差別。可以說，這種極低頻對潛發(fā)信系統(tǒng)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(tǒng)的應用研究具有十分重要的意義。

現(xiàn)在，就從極低頻的輻射和傳播入手，對這種發(fā)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(tǒng)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(tǒng)向上輻射出100 kW（即80 dBm）的信號，則經(jīng)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(zhì)的交界處被反射。而只需架設幾百米長的天線，就可到達同樣的發(fā)射效果。

3 天線性能對比分析

從幅射效率來看，美國現(xiàn)役ELF發(fā)信臺的發(fā)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(fā)射天線的電長度遠未達到ELF的有效輻射長度所致。

當發(fā)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(fā)射的總衰耗約為46.45 dB。這個衰耗遠小于美國現(xiàn)役ELF發(fā)射臺(60 dB)的輻射損耗。

從輻射4 W信號所需的ELF發(fā)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(fā)射機功率應為800 kW（如果取80%的輻射效率，則只需500 kW的發(fā)射機）。由此可見，采用水下發(fā)射方式，只需架設數(shù)百米的天線和800 kW的發(fā)射機，就可以達到美軍使用2 MW的發(fā)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(xiàn)役ELF系統(tǒng)以2 W～4 W實現(xiàn)了百米深級的對潛通信。現(xiàn)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(tǒng)以800 kW和10 kW發(fā)射機所能達成的通信深度。

美軍ELF系統(tǒng)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(xiàn)在，就以此電平(S＝13.1 dBm)為比較基準，分析水下發(fā)射系統(tǒng)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(fā)信系統(tǒng)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(fā)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％�，F(xiàn)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(fā)射方式來實現(xiàn)極低頻對潛通信是可能的。而且，無論是從極低頻發(fā)射的有效性上，還是從天線系統(tǒng)的規(guī)模上來講，水下發(fā)射的設計思想不僅有效，而且經(jīng)濟小巧，采用這種設計方案可以節(jié)省上億元的天線建設經(jīng)費。如果這種系統(tǒng)得以實現(xiàn)，必將提高極低頻對潛通信的通信質(zhì)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(jīng)過理論分析后，為了證明這種設想的正確性，在實際環(huán)境中進行了功能性仿真試驗。首先構建了極低頻發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)。發(fā)射系統(tǒng)包括發(fā)射機和天線，其中發(fā)射機采用UPS電源實現(xiàn)，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(fā)射機

本試驗為功能性試驗，主要是為了驗證水下發(fā)射ELF信號的可行性，因此只需要選用一個ELF頻率進行發(fā)射試驗即可。這里通過改裝UPS電源電路實現(xiàn)了35 Hz的信號發(fā)射。發(fā)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(tǒng)的干擾，同時也為了不影響電力系統(tǒng)，不能選用50 Hz頻率進行水下發(fā)射試驗。因此將UPS電源電路的交流頻率進行了調(diào)整，調(diào)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(fā)射天線

為了得到較好的實驗結果，驗證水下信號穿透水面?zhèn)鞑サ目尚行�，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(fā)射天線。

4.3 ELF接收天線

接收天線內(nèi)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(diào)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(fā)射、接收系統(tǒng)構建完成后，對其進行了原理性試驗。發(fā)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(fā)送一次，每次持續(xù)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(shù)據(jù)。記錄結果如圖2所示�？梢�，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(fā)展及極低頻發(fā)射臺建設經(jīng)驗的基礎上，開拓思路，利用無線電波長在海水中的縮短規(guī)律,大膽提出極低頻水下發(fā)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(xù)研究的方向，為我國極低頻通信技術開辟了新的研究途徑。