某型低频发信天线及其特定方向辐射加强技术研究∗

陈英豪 高美珍 李金猛 魏 来 刘 飞 洪家平

1 引言

频率处于30Hz～300Hz之间的低频无线电信号，其在地－电离层波导与海水中传播衰减小［1～2］、距离远、入水深，在水下通信方面得到了广泛应用［3］。美俄等潜艇大国为了实现岸上指挥机构与远距离、大深度战略弹道导弹核潜艇等水下机动平台隐蔽通信，早在冷战时期即开始研发某型低频对潜通信技术［4～6］。目前，世界上也只有少数几个国家掌握了这项技术。某型低频对潜通信的一大技术难题是发信天线的设计，传统天线不能满足其对通信可靠性与可实现性的要求，目前辐射效率最高、技术最成熟的是接地天线［7］。然而，接地天线的方向特性使得当使用一副天线进行全方位通信时，其可靠性无法得到保证。对这一问题的解决方案是架设两副在空间上相互正交的接地天线构成一个天线阵，根据目标所在区域的不同而选用对该区域辐射较强的天线与其通信。该方法对提高通信可靠性有一定程度的改善作用，但是对某些方位区域的通信可靠性改善并不明显，而且天线阵利用效率低。本文基于提高通信可靠性和天线利用效率，以接地天线阵为研究对象，对其特定方向辐射加强技术进行研究。

2 接地天线

低频信号由于频率低，波长长，若按照传统理论，其发信天线的尺寸应在波长四分之一的数量级上，即长度要达到几百到几千千米。这样的天线无论从实用性、抗毁性，还是地理条件来说都是无法实现的。早期曾利用甚低频天线来辐射该低频信号，发现其辐射效率极低，输入兆瓦级的功率，输出得到的只有十几毫瓦，无法满足要求，根本原因就在于天线尺寸相对信号波长来说太小。为了克服上面这一类天线的缺点，在众多发信天线设计方案中有一种接地天线，这种接地天线以其尺寸相对信号波长而言尺寸小、而辐射效率相对较高，从而达到了实用水平［8］。

2.1 接地天线原理

接地天线是种中间馈电、两端接地的水平低架天线，载有信息的电流信号从发信机发出，经引馈线和馈线传输到天线，再经地网连接线和地网流入大地。水平天线、馈线、地网连接线和地面以下形成的导电层就构成了一个电流环，这个电流环可以等效为环形天线。接地天线的结构示意图如图1所示［9］。

该接地天线可以等效为一个水平放置的磁偶极子［10～11］，等效磁矩 M=IL(H+W)。 I 为接地天线中的电流，L为接地天线的长度，H为天线架设高度，W为电流在大地中的有效穿透深度。由理论分析知，电流有效穿透深度W=δ/，δ为相应频率电流的集肤深度，，ω 为电流角频率，σ为天线所在地址的有效电导率，μ为自由空间的磁导率。

可见，电流越大，接地天线越长，天线架设越高，电流对大地有效穿透深度越深，则等效磁矩M越大，天线辐射功率就越大，效率也越高。因而，为了提高辐射功率和效率，就需要增大等效磁矩M。由于增加天线架设长度和高度不够经济和现实，增大M的可行办法就是增加电流的有效穿透深度W，也就是增大电流的集肤深度δ，这也就需要电导率σ非常小。一般要求接地天线选址在电导率σ不大于10-4s/m的地质年久的花岗岩地区，并且两端接地要良好，这样可以使得电流的有效穿透深度达到数千米。此时，天线架设高度可以低于几十米，减轻了天线架设技术难度，并且可以忽略掉它对等效磁矩的影响。

天线长度受地理条件、架设难度、抗毁能力、天线带宽等诸多因素的限制，一般为几十千米。天线输入电流大小受低频发信机功率容量、天线容量的限制，一般为几百安培以下。这样一来，接地天线大大减小了该低频发信天线尺寸，便于架设且能获得较高的辐射效率，因而从众多方案中脱颖而出并进入了实用化。

2.2 接地天线方向特性

接地天线的方向特性与水平磁偶极子相同，其归一化方向函数F(φ)=cosφ，φ为场点相对天线轴向的方位角，它在赤道面内的归一化方向图是“∞”字形，如图2所示。

图2 接地天线的方向图

3 某型低频信号特定方向辐射加强技术

由接地天线方向特性可知，接地天线辐射的某型低频信号能量在空间中的分布是不均匀的。具体来说，目标在沿着接地天线轴向方向的区域里接收到的信号较强，而在垂直于天线轴向方向的区域里接收到的信号很微弱，甚至可能接收不到。这样，单副接地天线对目标通信时，其可靠性得不到有效保证。因此，解决方案是架设两副相互正交的接地天线阵，根据目标所处的区域，选用在该方位辐射较强的天线与其通信。该方案对提高通信可靠性有一定程度的改善作用，但是对某些方位区域的通信可靠性改善并不明显，而且天线阵利用效率低。为了进一步提高通信可靠性与天线利用率，本文基于正交接地天线阵，来研究特定方向上的辐射加强技术。

3.1 某型低频信号特定方向辐射加强天线阵技术

实现某型低频信号特定方向辐射加强的技术方法，是在同一地址上架设两副空间上相互正交的接地天线来组成天线阵，通过控制输入两副接地天线电流的相位差ψ，使两副接地天线的辐射场在水平方向场点（接收点）上合成，得到特定方向辐射加强的辐射场。某型低频信号特定方向辐射加强天线阵原理示意图如图3所示。

图3 天线阵辐射加强原理图

为了便于讨论，我们设AEW，ANS分别表示东西向和南北向两副天线，天线阵电等效示意图如图4所示。

图4 特定方向辐射加强天线阵电等效示意图

图中，INS表示输入南北天线的电流，IEW表示输入东西天线的电流，θ为ANS，AEW的电夹角（一般假定两副天线架设区域各处电导率σ一致，θ即为两天线空间夹角），φ为场点相对于南北向天线轴向的空间方位角，天线阵在空间某点的辐射电场E是两副天线分别在INS，IEW激励下辐射的叠加［12］。

3.2 某型低频信号特定方向辐射加强天线阵方向性分析

设ψ为东西向天线AEW相对于南北向天线ANS的输入电流相位差，θ=90°，结合上文分析，可知本天线阵水平方向上的归一化方向函数为

展开为

依据和差化积公式，进一步化为下式

要使得方位φ场点辐射尽量加强，也就是|F(φ)|2最大。根据上述推导结果，后两项均为非负 ，可 知 必 有 (cosψ-sin2φ)2=0 ，因 而ψ=arccos(sin 2φ) 。 也 就 是 说 按 照ψ=arccos(sin 2φ)来控制两副天线输入电流相位差，即可获得该方位辐射加强。此时，天线阵在水平方向上的归一化方向函数，其方向图如图5所示。

图5 特定方向辐射加强天线阵方向图

为了提高特定方向辐射场强，在架设天线阵时要使两副天线正交或者近似正交，这样我们通过控制两天线上电流相移ψ=arccos(sin2φ)，就能在 φ方向得到最大辐射强度，即实现了天线阵在特定方向辐射加强。

4 结语

某型低频信号特定方向辐射加强方法，是将两副正交的接地天线构成天线阵，通过控制输入两副天线的电流相位差来使水平方向特定场点处合成的天线阵辐射场达到最强，实现了某型低频信号特定方向辐射加强。该方法简单易实现，但需要在架设之初即对两副接地天线的电夹角进行测量控制，在应用时根据目标所处方位实时精确控制输入天线电流的移相角。采用该方法辐射某型低频信号，能提高发信可靠性与天线阵利用效率，从而使岸基指挥机构能够更加有效地指挥与控制远程深水潜艇。

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