海水中电磁波特性的分析与研究∗

焦瑜呈

（昆明船舶设备研究试验中心 昆明 650051）

1 引言

海洋占了地球表面积三分之二以上的区域，对海洋、湖泊等水下区域无线通信的积极探索不仅有利于开采水下所蕴含的丰富资源，也有利于国防建设。水下通信可分为有线通信与无线通信，其中水下无线通信是水下通信技术的重要组成部分。目前水下通信的主要方式为水声通信，但是由于水声通信多径效应严重、环境噪声影响大、通信速率低等，这限制了水声通信进一步的发展［1～4］。众所周知，无线电通信是现代通信系统的重要组成部分，无线电通信具有可靠性高、通信延迟低、传输距离远、费用低等优点，但是无线电通信在水下通信系统中却受到诸多的限制，这是因为水是导电媒质，电磁波在水中的传播衰减很大，且频率越高衰减越大，因而水下无线电通信主要采用低频电磁波，所以应用于水下通信的无线电设备体积大、重量大，加之水下电磁波传播衰减大，导致距信号源较远处信号弱而难以检测有用信号，这些因素极大地限制了电磁波在水下通信的应用。近年来，由于信号处理及天线技术的快速发展，使得水下电磁通信得到了更多的关注［4～11］。电磁波在水中的传播特性有别于空气中的传播特性，所以为了更好地研究水下电磁通信，本文将对水中电磁波的波速、波长、传播常数、衰减常数、趋肤深度等进行详细的分析。

2 均匀有耗媒质中电磁波的传播特性

当电磁波在导电率为σ、相对介电常数为ε=εrε0、磁导率为 μ=μrμ0的媒质中传播时，其满足的麦克斯韦方程组为

煤质中电磁波所满足的波动方程为

其中

式中α为衰减常数，β为相位常数。

由上面的分析可以看出，电磁波在均匀有耗导电媒质（σ≠0，比如水）中的传播特性有别于均匀无耗媒质（σ=0，比如真空）中的传播特性。当电磁波在无耗媒质中传播时，衰减常数α=0；当电磁波在导电煤质中传播时，α≠0，所以电磁波在传播过程中存在着衰减，这也就限制了无限电波在导电媒质中的通信距离。

进一步可以得到波速、波长的表达公式［12］。

3 海水中电磁波的传播特性

一般来讲，水可以分为淡水和海水，其中海水的电导率σ=4s/m，淡水的电导率σ=0.2s/m，为了便于说明，本文中主要讨论海水中电磁波的特性。通过式（4）～（8）可以求出海水中电磁波的波速、波长、衰减常数、相位常数等参数随频率的变化情况。

3.1 海水中电磁波的波速分析

图1所示的为海水中电磁波的波速随频率的变化结果及其与空气中电磁波波速的对比。从图中可以看出，电磁波在海水中的传播速度νw远远小于电磁波在空气中的传播速度νa，当电磁波的频率f＞108Hz时，电磁波在水中的传播速度νw→1.9×107m/s，这也说明电磁波在水中存在色散现象，这在实际应用中需要特别注意。虽然海水中电磁波的传播速度远远小于电磁波在空气中的传播速度，但是电磁波在水中的传播速度νw大于水中声音的传播速度νsw，当电磁波的频率f=100Hz时，νw≈10νsw，且随着电磁波频率的升高，νw、νsw之间的差值越来越大，这也就说明，对于水下无线通信而言，电磁波通信的延时性远远小于声通信的延时性，这是电磁通信与声通信相比所具有的优势。

图1 海水中电磁波传播速度随频率的变化

3.2 海水中电磁波的波长分析

图2所示的为海水中电磁波的波长随频率的变化情况。

从图2可以看出，海水中电磁波的波长远远小于空气中电磁波的波长，而且频率越低，两者之间的差值越大，例如当电磁波的频率f=100Hz时，海水中电磁波的波长λw=158m，空气中电磁波的波长为 λa=3.0×106m ，λvλw=1.9×104，而当电磁波的 频 率 f=1GHz时 λw=0.018m，λa=0.3m，λvλw=16.7。根据天线理论可知，当天线的尺度远小于波长时，天线的辐射效率很低，但是当天线的尺寸可以与波长相比拟时，天线便能形成较强的辐射。所以电磁波在海水中的这一特性有利于实现海水中天线的小型化，尤其有利于低频电磁波在水下通信的实际工程应用。

图2 海水中电磁波波长随频率的变化

3.3 海水中电磁波的传播常数与衰减常数的分析

图3所示为海水中电磁波的相位常数和衰减常数随频率的变化情况，从图中可以看出当电磁波的频率f＜107Hz时，电磁波的衰减常数约等于传播常数，当频率大于f＞108Hz时，传播常数随频率的升高近似呈线性增长，而衰减常数趋于一个稳定值（42Np/m）。从图3可以看出，电磁波在海水中的衰减很大，这大大限制电磁波在海水中的应用。

图3 海水中电磁波的相位常数和衰减常数随频率的变化

3.4 海水中电磁波的衰减分析

因为电磁波在水中的衰减常数很大，所以下面分析海水中电磁波的趋肤深度以及电磁波幅值为初始值的百分之一时所传播的距离。

图4所示的电磁波在海水中的趋肤深度及电磁波幅值为初始值1%时所传播的距离，从图中可以看出，随着频率的升高，电磁波在海水中急剧地衰减，当传播距离过远时，电磁波的幅值很小，难以进行有效的检测。所以目前只有低频段的电磁波应用于海水通信。由于用于辐射低频电磁波的天线设备体积大、造价高等原因大大限制了电磁波在水下通信的应用，但是随着近几年来天线技术及信号处理的快速发展，相信电磁波在水下通信中将大放光彩。

图4 电磁波在海水中的衰减情况

4 电导率对电磁波特性影响的分析

从上面的分析可以看出，电磁波在水中的传播特性有别于电磁波在空气的传播特性，电磁波在水中和空气中的传播特性之所以差距这么大，是因为水的电导率σ≠0，同时不同频率下电导率对电磁波的影响也不一样［9］。

从上面的分析可以看出，导电媒质对不同频率段的电磁波呈现出不同的导电性能，也就是说对于同一种导电媒质，在低频时导电媒质为良导体，而当电磁波的频率很高时，导电媒质对电磁波所呈现出的性能类似于绝缘体，此时把导电媒质称之为弱导电媒质，例如在海水中当，当电磁波的频率f＜7.2×107Hz，海水为良导体，当电磁波的频率f＞7.2×1012Hz，海水为弱导电媒质。所以在实际应用中应该根据实际情况来判别电磁波在导电媒质中的传播特性。

5 结语

本文由麦克斯韦方程出发，详细地分析了海水中电磁波的传播特性，即海水中电磁波的波速、波长、传播常数、衰减常数、趋肤深度等。本文的分析有利于更好地理解导电媒质中的传播特性与非导电媒质中电磁波传播特性的不同之处，同时能为水下无线电通信的研究提供参考。