甚低頻水下發射參數計算

狄井方　楊鵬飛　張東俊

摘要：考慮采用將甚低頻發射信號源置于水下的方式進行甚低頻通信，以甚低頻對稱振子天線為例計算了水下甚低頻信號源的輻射問題，給出了對稱振子天線水下發射的相關參數，計算了發射天線上的電流分布，并根據電流矩計算了海面上不同距離的電磁場強度。

關鍵詞：甚低頻;通信;場強;海面

中圖分類號：TN219

文獻標識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.017

1 引言

潛艇在水下時，甚低頻是主要的通信手段。甚低頻電磁波從空氣進入海水中時，由于受到海水的作用，會產生強烈的衰減，因此處于水面以上的發射源所發出的電磁波很難進入水下。

為了解決該難題，一般通過增大發射功率和提高天線發射效率來加大甚低頻對潛艇通信距離和通信深度。建在陸上的甚低頻發信臺站發信天線體積龐大，戰時易受破壞，且通常臺站到海洋距離遠衰減大。

本論文考慮采用另一種途徑，即將甚低頻發射信號源置于水下的方式進行甚低頻通信，給出了對稱振子天線水下發射的相關參數，計算了發射天線上的電流分布，并根據電流矩計算海面上不同距離的電場強，再根據海面上大氣噪聲電平估計通信的距離和深度。

2 甚低頻水下發射天線參數計算

以甚長波對稱振子天線為例，將甚低頻發射天線置于海面下，計算天線的輸入阻抗、天線上的電流分布、天線的電流矩。

2.1 電磁波沿天線的傳播常數

假定發射天線是對稱振子，位于海面下深度為h處，臂長為，，導線半徑為a，在海水中發射天線需外面包裹一層絕緣層，絕緣層外半徑為b，相對介電系數為ε2，可以導出電磁波沿天線的傳播常數[1]：

舉例進行數值計算，假定l=50 m，ε2-10 111，a=2.5 mm，b=7.5 mm，h=10 m，海水電導率σ=-4 S/m，頻率f=15 kHz。由于甚低頻在海水中的衰減較大，所以天線深度不能過深。

根據式（2），海水對15 kHz電磁波的趨膚深度δ=2.055 m。根據式（l），忽略界面的影響，得y-0.000 128 81+j0.002 493。根據式（6），算得特性阻抗Zc=52.26 -j2.7 Q。根據式（7），得輸入阻抗2m-0.225 -j417.09 Q。假定發信機功率等于5 kW，調諧線圈Q-IOO，則根據式（8）算出天線輸入電流lin=33.73 A。根據式（9），畫出振子臂上實部電流分布曲線，如圖1所示，虛部電流分布曲線如圖2所示。

圖1和圖2都是相對于實部電流最大值歸一化的。可以看出，虛部電流比實部電流小得多，可以忽略。天線的電流矩原則上應該按式（ 10） -（ 12）計算，但由于已計算出電流分布，可以更容易地計算出電流矩[4-5]。電流的虛部可以忽略不計，而電流的實部分布基本是直線，因此電流矩等于輸入電流乘以臂長，為1 686.5 A-m。

3 甚低頻水下發射電磁場強度的計算

根據文獻[2-3]海面下的水平電流矩在海面上空產生的電磁場分量的公式，在這些公式中令z=0，得到海面上的公式;一般情況下，距離p遠大于發射源深度h，因此ro≈p;這些公式簡化后為：

4 總結

將甚低頻發射信號源置于水下的方式進行甚低頻通信，可以提高發射陣地的隱蔽性，水下發射的甚低頻通信方式，可作為陸地甚低頻臺站的備份和應急通信方式。但在水下架設發射天線，受海洋環境等因素影響，天線不宜過長，本論文探討了對稱振子天線水下發射的天線傳播常數、天線阻抗以及天線電流分布的計算方法，以及根據電流矩計算海面上不同距離的電磁場強度的過程，并以50m對稱振子天線為例進行了數值計算。

參考文獻：

[1]司徒夢天.軍事無線電地下通信原理[M].北京：軍事科學出版社，2005.

[2]潘威炎.長波超長波極長波傳播[M].北京：電子科技大學出版社，2004.

[3]袁翊.超低頻和極低頻電磁波的傳播及噪聲[M].北京：國防工業出版社.2011.

[4]孟慶輝，王永斌，趙志禮.潛艇周圍影響超低頻通信的電磁噪聲來源及特征分析[J].艦船科學技術，2009（ 11）：66-70.

[5]閆曉偉.超低頻水下發射天線的可行性研究[J].艦船電子工程，2013（1）：76-78.

[6]陳聰，周駿，龔沈光.海水中電磁波傳播特性的研究[J].海軍工程大學學報，2004 （4）： 61-64.

[7]王宏磊，鄭琨.海中低頻水平磁偶極子在空氣中產生的電磁場[J].計算機仿真，2012（8）：134-138.

[8]卓賢軍，張佳煒.極低頻電磁波在海水中的傳播特性[J1艦船科學技術，2011（ 6）： 117-120.

[9] Ronold W.P.King， Michael Franklin Brown. Lateralelectromagnetic waves along plane boundaries ：

asummarlzlng approach[J].Proceedings of the IEEE， 1984. 72（5）.

[10]ROWE H E.Extremely low frequency（ELF）commumcation to submarines [J] .IEEE Trans. onCommun， 1974， 22 （4）： 371-385.