超低频传播特性分析

　　1　引言

　　超低频信号在地-电离层波导和海水中的传播具有很低的衰减率,传播距离远、入水深度大,具有其他通信频段无可比拟的优势,是目前对潜通信最隐蔽的手段。超低频通信对解决潜艇隐蔽通信、实现对潜不间断通信具有重大意义。本文对超低频的传播特性进行了定性分析,结合外军使用超低频入水深度进行了定量计算。

　　2　超低频通信的特点[1~2]

　　超低频信号具有极强的海水穿透能力,以80Hz的超长波为例,它在海水中的衰减率约为0.31dB/m(海水电导率在4S/m),比甚低频频段在海水中的衰减低一个数量级;它比甚低频信号传播更稳定,衰减更小,以75Hz的超低频为例,它的大气衰减在0.9~1.5dB/Mm;超低频信号对不可靠的传播条件不敏感,受电离层扰动干扰小,是为数极少的几种不受电磁脉冲破坏的通信手段之一;为了获得高效率辐射,发射天线单元的尺寸应在四分之一波长的数量级上,以100Hz的超低频为例,天线应需要750km长,但如此巨大的天线与波长相比仍属电小天线,辐射电阻小,电抗大,因此超低频发射天线效率很低;由于受到带宽的限制,超低频通信只能以很低的数据率进行数据传输,需用很长的一段时间才能传送一份简短的报文。

　　3　超低频在地-电离层波导中的传播

　　超低频在地-电离层波导中传播机理可用“波导模”理论加以解释,“波导模”理论认为在地-电离层波导之间的传播与微波在金属波导中的传播有些类似,波的总场可表示为代表各阶波导模的各场分量的级数和。

　　在超低频段,地面与电离层对电波都有良好的反射特性,超低频电磁波是在地面与电离层两个反射壁组成的波导中传播,由于此波导高度仅有60~90km,比超低频波长小得多,因此仅有零阶的TEM是传播波型,高阶波型都是速衰减波型,仅在靠近源区的一定范围内起作用。所以在远距离上,我们只需考虑TEM传播波型,无多模干涉现象。

　　3.1　超低频场强计算方法

　　地面上的超低频水平磁流源在球形地-电离层波导中辐射的场,可用以下公式计算。水平磁场为:

　　式中dl为水平天线的有效长度(m);I为天线电流(A);f为工作频率(Hz);hi为电离层有效反射高度(m);σe为天线场地有效电导率(S/m);ρ为测试点与发射点之间的大圆距离(m);α为波导衰减因子(Np/m);ae为地球半径,6.37×106(m);c为自由空间光速(m/s);v为波导中电波速度(m/s);为相对于水平天线电缆轴线的方位角(°);μ0为自由空间的磁导率,此处将海水的磁导率近似为自由空间的磁导率。

　　3.2　超低频传播空腔谐振

　　当频率低至几赫兹至几十赫兹的超低频,电波波长即与地球的周长可比拟。在此波段,由于地面和电离层都对电波有良好的反射作用,当电波波长与地球的周长符合一定关系时,即会在此球形壳体内产生谐振,这种谐振机理最早由舒曼(Schuman1957)提出的,故称之为舒曼谐振[5~6]。在7. 5Hz、14. 5Hz、20Hz、27. 5Hz、31. 5Hz、37.5Hz等处出现峰值,原因是这些频率的噪声在大气波导中空腔谐振的结果,因此,实际超低频通信应该避开这些频率点。