引　言

对潜通信是世界各国海军重要的战略通信，必须确保任务系统的稳定与可靠^[1]. 甚低频通信具有可靠性高、传播距离远、能够穿透海水等优点. 现阶段固定式对潜通信系统主要存在发射台及辐射天线体积庞大，抗毁性差等缺点^[2-3]. 国外发达国家除固定甚低频发射台外，还耗费巨资大力发展移动式的甚低频发信系统，移动式平台相对于固定式平台，具有抗毁性较高、可机动灵活部署等优点，其中包括车载平台和机载平台. 我国在1957年曾引进前苏联的两种气球天线用于15 kW长波电台，但由于当时技术水平限制，气球采用氢气填充，易爆炸，且抗风性能差，实用性不满足作战使用需求，故未能最终形成装备. 在20世纪80年代末期，具有代表性的车载平台是美国特康姆军工公司研制成功的利用氦气球升举天线的车载平台甚低频对潜通信系统^[4-6]. 我国已于“十三五”时期，同时开展了车载及机载平台相关发射技术的研究.

1   机动甚低频发信系统

甚低频无线电波频率为3~30 kHz，波长为10~100 km，其电磁波在电离层与地球表面之间的球形波导区域内传播，能穿透海水且衰减较小，在1~20 kHz频率内穿透海水深度可达15~20 m，入水场强衰减约3 dB/m，是世界各国最主要的对潜通信手段^[7]. 机动甚低频发信系统一般由发信分系统、天线分系统和电源分系统组成^[8]. 需要传输的信息通过甚低频调制器生成射频波形后经过功放车对功率进行放大，通过调谐匹配车将高压大电流射频信号馈入天线分系统进行辐射^[9-10]. 图1为机动甚低频发信系统组成框图.

图  1  机动甚低频发信系统组成框图

Fig.  1  Block diagram of mobile VLF transmitting system

下载: 全尺寸图片 幻灯片

系留气球将2 000 m的缆绳天线升至空中呈系留状态，地面甚低频发信的功放与调谐车通过系留缆绳天线发射甚低频通信信号，该机动式发信系统可根据任务需求转场机动，具有较高的抗毁性和顽存性.

1.1   系留缆绳天线的参数计算

甚低频气球天线在电气上是一个垂直于地面的短振子，在水平面内均匀辐射，无方向性. 由于甚低频天线受周围环境的影响，各项电气参数的计算较为复杂，近似计算方法如下^[11-12]：

1)天线功率容量$C_{\rm A}$

天线处于垂直状态时，

式中：l为天线长度；D为天线线缆直径.

天线处于倾斜状态时，

式中：$G\left(\theta \right)=2\ln\left(1+\sqrt{1+({\rm{csc}}\;2\theta +{\rm{c}}{\rm{t}}{\rm{g}}\;2\theta )}\right)$；$\theta$为天线倾斜角度.

2）输入电抗$X_{\rm A}$

式中：$f$为天线的工作频率；${f}_{0}$为天线的固有频率，${f}_{0}=\dfrac{3\times {10}^{5}}{{K}_{0}l}$.

3）辐射电阻$R_{\rm r}$

式中，${h}_{\rm{e}}$为天线的有效高度.

大地损耗电阻由地网区外的地损耗电阻和地网区内的地损耗电阻组成：

式中：${\rm{\sigma }}$为大地导电系数；$\lambda$为波长；a为地网导线的长度；${\gamma }_{0}$为天线中心接地体的直径；$\varPhi \left(x\right)$、$f \left(x\right)$分别为地网内和地网外关于x的函数关系式，

4)导线损耗电阻$R_{\rm C}$

式中：${R}_{1}=\dfrac{1}{{\text{π}}d\delta \sigma }$为天线导线上单位长度的电阻；$\delta$为导线的集肤深度；${\rm{\sigma }}$为导线的导电率.

5）根部电流$I_{\rm A}$

式中：${P}_{0}$为天线的输入功率；${R}_{\rm{A}}$为天线回路的总电阻，${R}_{\rm{A}}={R}_{\rm{r}}{+R}_{\rm{L}}{+R}_{{\rm{g}}}{+R}_{{\rm{C}}}$，${R}_{\rm{L}}$为调谐电感器的损耗电阻，${R}_{\rm{L}}={X}_{\rm{A}}/{Q}_{\rm{L}}$，多股励磁线绕制的调谐匹配电路的品质因数${Q}_{\rm{L}}$约为1 500.

6）根部电压$V_{\rm b}$及顶端电压$V_{\rm g}$

气球天线可以看成是与地中影像组成的一个双线开路系统，其最高电压位于天线的顶端，根据长线理论，可以推导出天线顶端电压^[13]：

根据理论计算得出一般干地（电导率0.001 S/m）地质情况下，缆绳垂直(风速0 m/s)时，长度为2 000 m、直径为16.5 mm的系留缆绳天线参数阻抗，同时在软件中建立模型，与仿真计算结果对比如表1所示.

表  1  系留缆绳天线参数理论与仿真计算结果对比

Tab.  1  Parameter calculation and simulation comparison of tethered cable antenna

频率/kHz	理论输入阻抗	仿真输入阻抗
		风速0 m/s	风速25 m/s
18	10.54−665.0j	10.26−756.3j	6.80−860.2j
19	11.48−603.9j	11.22−693.0j	7.30−791.1j
20	12.49−547.6j	12.24−635.3j	7.90−727.5j
21	13.58−495.3j	13.33−581.4j	8.40−668.5j
22	14.75−446.6j	14.50−531.1j	9.00−613.5j
23	16.00−401.0j	15.72−483.9j	9.70−561.8j
24	17.36−358.0j	17.03−439.5j	10.30−513.1j
25	18.80−317.4j	18.42−397.3j	11.10−466.8j
26	20.34−278.9j	19.88−357.2j	11.90−422.8j
27	22.00−242.2j	21.44−318.8j	12.70−380.6j
28	23.80−207.3j	23.09−281.9j	13.60−340.0j
29	25.85−152.8j	24.88−235.6j	14.80−296.5j
30	28.67−99.8j	28.03−176.2j	16.50−225.8j

下载: 导出CSV 

| 显示表格

从表1可以看出，在缆绳风偏(25 m/s)情况下，受天线等效高度变换影响，辐射电阻实部变小，电抗变大，相对无风环境，天线辐射效率降低. 理论计算值与仿真值的实部计算结果相近，虚部有一定差距，主要是因为理论计算是基于理想情况得出，因此在工程实现上，采用仿真计算数据更为安全，同时，在设计时还需留出一定的裕量.

1.2   系留缆绳天线的仿真分析与设计

长波通信主要是以地波形式传播，天线垂直地面架设以产生垂直极化波. 15~30 kHz的电磁波所相对应的波长为10 000 m至20 000 m. 由于长波天线波长很长，天线架设高度往往受到限制，电高度小，虽然物理尺寸巨大，电气上仍属电小天线.

建立长度2 000 m高度的铜线缆天线模型. 由于气球浮空器在不同风速下会偏离中心位置，风速越大偏离中心位置越远，在无风天气球浮空器在受到浮力的作用下垂直上升，此时系留缆绳天线垂直于地面.

通过气球浮空器的气动模型可知，系留缆绳天线在不同风速下的姿态如图2所示.

图  2  不同风速下的天线风偏图

Fig.  2  Antenna wind deflection pattern under different wind speeds

下载: 全尺寸图片 幻灯片

设大地为理想情况，垂直状态下的天线辐射方向图如图3(a)所示；风速25 m/s时的天线辐射方向图如图3（b）所示，该天线的辐射方向图为全向. 可以看出，天线风偏对天线辐射方向无影响.

图  3  不同状态下的天线辐射方向图

Fig.  3  Radiation pattern of antenna in different states

下载: 全尺寸图片 幻灯片

在工程上，地网由馈电阵地中心点近似为边长为10 m的正“田”字形中心汇流环及均匀分布于汇流环周围的24根截面积为4 mm²的150 m放射状接地线构成，接地电阻小于2 Ω，系留气球锚泊车置于阵地汇流环中心点.

在工程实现上，采用光电复合系留缆绳，主要功能为气球系留、光纤信号传输、泄雷及作为甚低频发信天线. 采取三段式结构，分别为辐射体段、上绝缘段和下绝缘段. 系留缆绳天线剖面结构如图4所示.

图  4  系留缆绳天线剖面图

Fig.  4  Sectional view of tethered cable antenna

下载: 全尺寸图片 幻灯片

辐射体采用双层铜编织网，因为编织铜网在制造过程中会出现许多连接节点，因此需在辐射体上覆盖半导电材料用于均化电场避免放电、打火和尖端放电等现象. 同时考虑到系留缆绳高强度、低重量的要求，采用强度和弹性模量比都较高的芳纶高分子抗拉纤维（凯夫拉材料）作为缆绳线芯的增强材料. 为均化缆绳顶部及底部电场，加装均压环.

2   天线辐射效能分析

按图1所示连接方式连接系统内各设备，试验场地位于中国山东省青岛市崂山区.

测试时，天线工作频率为25 kHz，天线输出功率为25 kW. 在天线根部同时补充测试了100 kW的场强. 对25 kW辐射功率下的场强覆盖范围进行仿真，场强值大于等于55 dBμV/m时的平均覆盖半径为1 818.2 km. 该系留缆绳天线为全向天线，各辐射方向的场强基本相当，所以在测试点选取时，着重考虑天线和收测点间的大型遮挡情况和每个点的布点间距这两个因素，具体点位经纬度分布情况及场强见表2.

表  2  不同点位场强测试和仿真结果

Tab.  2  The measurment and simulation results of field strength test

天线处/km	经纬度	仿真场强/(V·m−1)	实测场强/(V·m−1)
0	36°14′50.12″N 120°31′19.84″E	-	-
0.07	36°14′48.53″N 120°31′21.77″E	104.10(25 kW) 208.20(100 kW)	21.000(25 kW) 30.730(100 kW)
0.19	36°. 14′48.57″N 120°31′27.05″E	26.80	4.500
0.29	36°14′48.41″N 120°31′31.49″E	15.70	2.900
0.51	36°14′49.88″N 20°31′40.29″E	7.59	1.200
0.97	36°14′49.93″N 120°.31′58.53″E	2.52	1.000
2.04	36°14′34.05″N 120°32′39.24″E	0.90	0.385
3.06	36°14′32.34″N 120°33′20.58″E	0.63	0.400
4.05	36°12′39.91″N 120°31′41.61″E	0.50	0.300
6.15	36°11′32.77″N 120°30′44.49″E	0.34	0.320
7.86	36°16′55.28″N 120°35′54.13″E	0.26	0.260
9.92	36°17′41.49″N 120°36′56.21″E	0.21	0.229
11.96	36°18′47.92″N 12037′38.56″E	0.19	0.213
13.89	36°19′45.08″N 120°38′20.65″E	0.15	0.197
16.25	36°20′50.76″N 120°39′15.07″E	0.13	0.204
17.96	36°21′26.57″N 120°40′07.37″E	0.11	0.195
19.89	36°22′28.32″N 120°40′41.36″E	0.10	0.249

下载: 导出CSV 

| 显示表格

实测与仿真场强值对比曲线如图5所示. 可以看出：在1 km以内，实测值要远小于仿真值，因为测试点距离天线过近，无法满足以均匀平面波照射待测天线，故而产生测量误差；在1~9 km内，实测值要小于仿真值，因为在此范围内存在大量树木和居民区，会对测试结果产生一定影响；当测试距离大于18 km时，实测场强值要大于仿真场强值，因为本次测试选用的仪器为综合场强仪，故而会受到其他天线的场强干扰，当天线不工作时，实测综合场强仪读数为0.15 V/m左右.

图  5  仿真与实测场强值对比

Fig.  5  Comparison of simulated and measured field strength values

下载: 全尺寸图片 幻灯片

天线场强和天线效率的关系如下：

式中：$E\left(\theta ,\varphi \right)$为远场场强，可现场测量得到；r为测量点到天线距离；P_A为天线输入功率，可从发射机端读取；$F\left(\theta ,\varphi \right)$为归一化的天线方向函数；$G=D{\eta }_{\rm{A}}$，${\eta }_{\rm{A}}=$$\dfrac{{\left|E\left(\theta ,\varphi \right)\right|}^{2}{r}^{2}}{60{P}_{\rm{A}}D{F}^{2}\left(\theta ,\varphi \right)}$为天线效率，D为方向系数，$D= \dfrac{120{f}_{\rm{M}}^{2}}{{R}_{\sum }}$，f_M=1−cos (kh_e)，h_e为天线的有效高度，${h}_{\rm{e}}= \dfrac{\lambda }{2{\text{π}}}{\rm{tan}}\dfrac{{\text{π}}l}{\lambda }{\rm{sin}}\;\theta$，${R}_{\sum }$为天线辐射阻抗，${R}_{\sum }=$$1.76{h}_{\rm{e}}^{2}{f}^{2}\times {10}^{-8}$. 对于垂直于地面放置的长度为l的长波天线来说，根据镜像原理，天线方向图可以看作是臂长为l的对称振子方向图的一半，故其方向函数和对称振子方向函数相同. 对称振子方向图为$f\left({\rm{\theta }},{\rm{\varphi }}\right)=\dfrac{{\rm{c}}{\rm{o}}{\rm{s}}\left(kl{\rm{c}}{\rm{o}}{\rm{s}}\;\theta \right)-{\rm{c}}{\rm{o}}{\rm{s}}(kl)}{{\rm{s}}{\rm{i}}{\rm{n}}\;\theta }，$，其在水平面上是一个圆形，和角度$\varphi$无关，仅为关于$\theta$的函数. 当测量点近似位于水平面上，即$\theta$=90°时，带入可得方向函数f=1−cos(kl)，故其归一化方向函数$F\left(\theta ,\varphi \right)=1$.

根据上面推导可得到远场场强E和天线效率${\eta }_{\rm{A}}$的关系. 通常认为，当$kr\gg 1$时为天线远场区，考虑环境因素和综合场强仪的测试误差，选取理论与实测值较符合的数据计算出天线的辐射效率，如表3所示.

表  3  不同点位天线辐射效率

Tab.  3  Radiation efficiency of antenna at different points

天线 距离/km	仿真场强/ (V·m−1)	实测场强/ (V·m−1)	仿真天线 效率/%	实测天线 效率/%
9.92	0.21	0.229	53	55
11.96	0.19	0.213	55	59
16.25	0.13	0.204	62	68
17.96	0.11	0.195	39	45
平均值			52	56

下载: 导出CSV 

| 显示表格

综上所述，该系留气球缆绳天线的综合平均辐射效率约为56%.

3   系统通信试验

甚低频通信系统主要由甚低频发信分系统、系留气球分系统及收信分系统所组成，实物图如图6所示. 其中发信点为青岛，系统处于系泊状态.

图  6  机动甚低频发信系统实物图

Fig.  6  Mobile VLF transmitting system

下载: 全尺寸图片 幻灯片

甚低频通信系统设计有不同速率的工作方式，在不同频点和各个功率等级进行发信试验，发射功率最低2.5 kW，最高104 kW，在距发信点约1 000 km的北京和距发信点2 000 km的湛江分别设置了收信点，收信点接收报文全部正确，收信误报率和误码率均为0.

在系统通信试验中测试了天线的场强，计算得到天线的辐射效率约为50%，理论分析与设计相符. 同时，在系统试验中测试了天线底部电流电压，当功率加到100 kW时，整个通信系统及系留气球缆绳天线可正常工作，验证了系统可承受的安全功率. 由测试底部电压和电流计算得到天线的底部阻抗，实部与计算结果基本吻合，虚部存在一定误差，这主要是由于虚部受缆绳天线风偏状态和当地土壤电导率影响较大导致的.

4   结　论

机动式甚低频通信系统以系留气球为载荷浮空平台，搭载缆绳天线升空到2 000 m空中执行通信发信任务. 本文针对系留缆绳天线的特点，对该天线进行了理论计算及仿真分析，通过工程化实现及系统通信试验，验证了该天线设计的正确性. 机动式甚低频通信系统具有技术先进、可靠性高、生存能力强、部署灵活方便和实用性好等特点，与固定台站相比较，又具有占地面积小、机动灵活、系统建设成本低和通信效能高等优点. 因此，系留气球缆绳天线及机动式甚低频通信系统可作为固定对潜通信台站的有效补充. 该系统的成功研制，标志着车载式甚低频对潜通信系统中所涉及的天线设计、系统总体设计等关键技术得到了验证，为我国甚低频通信技术的发展做出了一定的贡献.