水下甚低频导航磁场接收天线设计

许 奎，胡安平，王 伟

水下甚低频导航磁场接收天线设计

许 奎，胡安平，王 伟

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

通过分析Alpha甚低频信号空气—海水跨介质及水下传播规律，重点研究了影响水下磁场天线接收性能的主要噪声源，并给出相应解决措施，提出了甚低频磁场接收天线的设计方案，经测试验证具备水下20 m接收甚低频导航信号的能力和可行性。

Alpha甚低频导航；空气—海水跨介质；水下；磁场接收天线

0 引言

近年来随着潜艇、无人水下航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）等水下平台对导航和授时的需求越来越迫切，基于惯性导航、水声导航、无线电导航和重力/磁力/匹配等导航的技术手段得到飞速发展。其中水下无线电导航因抗干扰能力强、传输延时低及具有较高的性价比等特点，受到国内外许多专家学者的关注研究，相关产品在潜艇、UUV、水雷上得到应用。Alpha甚低频导航系统是前苏联建设的超远程导航系统，于1970年投入使用，是目前国际上唯一仍在正常运行的甚低频陆基超远程导航系统[1]，可基本覆盖我国的全部海域。该系统采用大功率甚低频导航信号发射，可以实现广域范围的水下一定深度的载体隐蔽导航定位和授时，具有广域高效的特点。

甚低频无线电信号穿透海水后，磁场分量衰减较小，使用磁场天线接收磁场分量进行定位导航具有可行性，同时磁场天线还具有高接收灵敏度及小型化等特点，可与水下各载体共形安装。研究设计水下甚低频导航磁场接收天线对实现浅层水域水下无线电定位导航具有重要意义。

1 甚低频信号水中传播分析

1.1 空气—海水跨介质传播规律

Alpha甚低频导航系统辐射的电磁波是垂直极化平面波，信号在远场海面上传播时，存在垂直电场分量1x和水平磁场分量1y，电磁波的场结构如图1所示。在海面与空气交界处，海面上的水平磁场分量1y与导电的海面感应出二次场分量，即水平电场分量1z[2]。图1中，垂直电场分量2x、水平磁场分量2y和水平电场分量2z为电磁波在海水中传播时的场结构。

图1 空气—海水跨介质电磁波传播

电磁波在两种介质分界面传播时，满足边值条件，即在空气和海水中的各分量存在以下关系，如式（1）～式（5）所示：

由此可得出以下结论：

1）甚低频信号空气—海水跨介质传播时，垂直电场分量衰减严重，能够使用的信号为水平电场分量和水平磁场分量；

2）因水平场分量较强，可判断电磁波进入海水中，近似垂直界面传播；

水下应使用水平极化电天线接收水平电场分量，或磁场天线接收水平磁场分量，因磁场能量大于电场且磁天线具有小型化、易共形等特点，因此磁天线是水下甚低频信号接收的最佳选择。

1.2 Alpha信号水下场强预计

Alpha甚低频导航台站辐射功率为50～80 kW[4]，与我国沿海距离大致为3 000～4 000 km，台站远场海面上的垂直电场强度为：

式中，为辐射功率；为工作频率；为传播距离；为地球半径。

Alpha甚低频导航台站远场垂直电场强度与距离的变化关系如图2所示，取距离为3500 km，辐射功率按60 kW计算，工作频率=11.905 kHz。此时海面上的垂直电场强度为：

由式（6）～式（7）可知，对应海水中的水平电场分量和水平磁场分量为：

结合上述分析，当工作频率为11.905 kHz时，不同水深下水平磁场分量的强度预计如图4所示。

可知距离Alpha甚低频导航台站3 500 km的水下20 m处，磁场分量的强度约为-65.7 dBmV/m。

2 磁场接收天线主要噪声分析

2.1 工作原理

磁场天线的工作原理是：基于法拉第电磁感应定律，空间信号通过线圈，线圈中的磁通量发生变化，产生感应电动势。线圈中穿过高磁导率的磁棒，可增加磁通量密度，增大线圈感应电动势，从而提高磁天线接收灵敏度。

磁场天线的天线模型如图5所示。单根磁棒天线的方向图在法向方向最大，并逐渐向径向减弱，因此一般采用两根正交的磁棒组成天线阵列，实现天线全向接收。

图5 正交天线阵列模型

图6 磁场天线等效原理图

线圈感应出的电压如式（13）所示：

磁场天线的电压灵敏度为：

2.2噪声源分析及解决措施

通常为实现天线信号远距离传输至接收机，磁场天线采用有源方式，即在磁棒后端设计有源放大电路。此时，磁场天线主要噪声源如图7所示。

图7 磁场天线主要噪声源

磁芯软磁材料随温度、频率、磁通密度等非线性因素变化，产生多余的磁噪声。主要表征为温度升高或磁通密度增大会加速磁材料中的多价Fe离子运动，产生热噪声。

通常可适当添加微量Mn2+、 Ca2+ 等元素，抑制多价Fe离子[5]。磁材料中添加不同元素后磁芯中的电子扩散难度如表1所示。添加一定量的CaO和SiO2后，晶界反应生成CaSiO3形成高阻层，电子扩散难度显著增加。

表1 磁材料中添加不同元素后磁芯中的电子扩散难度对照表

磁场天线除了对入射的磁场分量H敏感，也会受寄生电场E磁化影响，天线输出为：

磁棒线圈的阻抗呈较大的感抗值，一种初始磁导率为8 000的锰锌铁氧体磁棒绕制线圈390匝后的电感及特性阻抗如表2所示。

表2 一种磁棒的电感及特性阻抗

此外，利用Non-Foster元件构建负阻抗变换（Negative Impedance Converter，NIC）网络实现负电感匹配，也可以有效地解决磁棒线圈匹配问题。如图8所示，电容谐振仅在谐振点电抗趋近于0；Non-Foster匹配在工作频段内匹配电抗均趋近于0，且未引入产生热噪声实际阻抗。

图8 Non-Foster匹配

3 水下磁场接收天线设计

基于上述章节关于天线磁场分量的强度预计，噪声源分析及解决措施为设计输入和依据，进行水下磁场接收天线设计。

1）选择低磁损耗、高电子扩散难度的锰锌铁氧体材料，初始磁导率为12000，单磁棒长度选取230 mm，截面边长22 mm，长细比为1/10；

2）用柔性铜箔制作条状屏蔽层，包裹在磁棒骨架外面，将铜箔单端跟大地相连；

3）使用FET设计基于匹配的低噪声放大电路。如图9所示，该电路利用双路共漏—共栅电路的共漏电路具有较高输入阻抗进行阻抗匹配作为输入端，利用共栅电路具有一定的电压放大能力作为输出端。同时通过增加恒流源差分电路，提高电路的整体共模抑制比。图9中的3、4、5和1组成工作点稳定电路，电源取±5 V，当5>>4时构成恒流源电路。

水下甚低频导航磁场接收天线的样机实物图如图10所示。经实验室场强测试，天线处于磁场强度-70.57 dBmV/m下依然可以检测出甚低频信号，初步验证该磁场天线样机具备水下20 m处接收甚低频信号能力。

图10 磁场接收天线样机实物

4 结论

降低磁场天线噪声是提高其接收性能的关键，应综合考虑磁棒磁噪声、线圈电阻热噪声、电路匹配放大热噪声及外界干扰引入的噪声等多种因素。本文通过对甚低频信号空气—海水跨介质、水下传播规律及磁场天线主要噪声源的研究分析，给出了降低天线噪声的措施，并以此设计制作了水下甚低频导航磁场接收天线的样机，经初步测试验证，具备水下20 m接收甚低频信号的能力和可行性。

[1] 吉春生等. ALPHA导航差分修正概念与定位方法研究[J]. 青岛大学学报，2011（3）：1-2.

[2] 崔国恒等. 磁天线水下接收罗兰Ｃ信号可行性研究[J]. 弹箭与制导学报，2010（6）：1-2.

[3] 荀杨等. 海水中VLF传播特性分析[J]. 微计算机信息，2012（2）：3-4.

[4] 杨湘城等. Alpha信号在某地的信噪比分析[J]. 四川兵工学报，2010（9）：1-2.

[5] 夏德贵，陆柏松，王洪奎. 软磁铁氧体制造原理与技术[M]. 西安：陕西科学技术出版社，2010，12：81-83.

Design of Underwater VLF Navigation Magnetic Receiving Antenna

XU Kui, HU Anping, WANG Wei

According to analyze air-sea water cross medium and underwater propagation law of alpha VLF signal, focuses on the main noise sources affecting the receiving performance of underwater magnetic antenna, gives the corresponding solutions, and puts forward the design scheme of VLF magnetic receiving antenna. The test shows that it has the ability and feasibility of receiving VLF navigation signal 20 meters below water.

Alpha VLF Navigation; Air-Sea Water Cross Medium; Underwater; Magnetic Receiving Antenna

TN965

A

1674-7976-(2022)-01-046-05

2021-12-21。

基础研究项目：2020-JCJQ-ZD-134-03

许奎（1989.09—），陕西汉中人，工程师，主要研究方向为低频无线电导航。