利用波长变换理论的ELF天线设计及仿真
摘 要：为了克服超长波天线建设困难、发射效率低下这一大难点，根据电磁波在不同介质中的波长变换原理，提出了在变介质中构建超长波发射天线的方法，使得超长波在介质中的电长度大大缩短，从而大幅度降低发射天线的设计难度，使天线高效辐射极低频信号成为可能。通过理论分析，得出了该设计的正确性，并根据功能性仿真试验，验证了变介质超长波发射天线的辐射性能。
关键词：极低频; 天线; 变介质; 发射
超长波通信是各国争相研究的重要通信手段之一，主要应用于远距离的可靠通信(这时数据率低不是主要，而可靠性是主要问题)，还应用于远距离甚至全球的无线电导航、标准频率和时间信号的广播、低电离层研究、雷暴定位以及对水下潜艇的通信等。特别是海军对水下潜艇的通信，由于海水对电波的强大吸收作用，采用超长波通信几乎成为唯一的手段。
ELF波段(30 Hz～300 Hz)无线电波主要有以下几个优点[1-2]：(1)对地下岩层和海水的穿透能力强；(2)传播衰减小，作用距离远，甚至达到全球；(3)传播相位稳定，且有良好的可预测性；(4)受电离层扰动的影响小，传播情况稳定。同时，超长波通信具有隐蔽性好、信道稳定可靠、抗截获抗干扰能力强、抗毁和抗核爆能力强等突出优点，因此可望成为战争中最后的通信手段。
但超长波通信也存在一些明显的缺点：带宽窄、传输速率极低，只能达到每秒几个比特，仅仅能传输一些最基本的信息，很难满足信息化战争指挥控制的需要；该波段的天电干扰和工业干扰都十分严重，接收端的信噪比极低;需要庞大的发射天线，设备非常昂贵，且天线效率低下，信号衰减大。
为了解决超长波通信系统传输速率低和弱信号接收困难这些固有的难点，主要从两个方面入手:(1)精心设计和架设天线，通过合理的天线架设，提高天线的发射效率;(2)研究设计新型的适合超长波通信特点的调制编码制度，目的是在低信噪比条件下大幅度提高传输效率。本文主要研究了设计和架设天线的新思路，并且通过试验验证得到了可喜的结果。
1 超长波天线设计现状
在无线电通信领域中，要构成有效的发射系统，就应该使发信系统的天线长度接近所发信号的波长。否则，发射天线就不能形成有效的电波辐射。极低频(30 Hz~300 Hz)是指波长在1 000 km~10 000 km范围内的无线电信号。极低频的波长如此之大，不难看出：要想构成具有较高辐射能力的极低频发射系统，就需要有一个伸延上千公里的极其庞大的发信天线场。例如，美国原计划建设的桑格文极低频发信台初期天线系统的设计规模，约占地7 766(km)2，其整个天线系统的长度在8 045 km以上，如此巨大规模的天线系统，预计投资在10亿美元以上，以致美国不得不一再搁浅该计划；前苏联在科拉半岛建造永久性的发射台，选用30 Hz~200 Hz频段工作，2根发射天线相互平行，各长60 km，两端接地，彼此相距10.5 km，各有一部发射机，由一个总控制台控制，发射机功率为兆瓦级，其所需的巨额投资也可想而知。通常情况下，极低频天线系统所需资金，将占据整个极低频发信系统总投资中的绝大部分,并且，维护负担将十分繁重。
另外，极低频发射系统天线场的选址条件也十分苛刻。其发射天线场的基本选址原则是[3]：极低频发射天线场区，应该定址在具有很低电导率的区域。理想的极低频发射天线场址，是具有前寒武纪花岗岩构成的劳伦地盾区域。这就是说，极低频发信系统应该建设在符合特定地质条件的区域内。
2 超长波(ELF)发射天线设计
由电磁波传播理论可知，无线电波在不同介质中传播时，其波长是不同的。其波长与传播介质的电参数密切相关。例如，无线电波在空中传播时的波长，可以近似表示为：
