刘勇，查明，饶斯韬，李纵，李文彬

武汉船舶通信研究所 低频电磁通信技术实验室，湖北 武汉 430205

0 引 言

按照国际电信联盟频率划分规则，极低频（ELF）是指3～30 Hz，即将30 Hz及以下的频率通常称为极低频[1]。在工程应用中，跨度超过了0.1～300 Hz[2-3]的频率实际上包括了极低频（0.095～30 Hz）和超低频(SLF，30～311 Hz）这两个频段[4-5]。极低频信号在大地和电离层之间构成的波导中传播，具有传播衰减小、传播相位稳定、穿透地层和海水深的鲜明特征[6-7]，其传播距离可达数千甚至上万公里，适用于大面积地下资源、大陆架资源探测和地震预测[4]。

若采用传统的垂直天线发射极低频信号，则要求天线高度达到上千公里，而通常数百米高的垂直天线与极低频的波长相比太短，辐射效率极低。上世纪，美国、俄罗斯开展了电离层加热、水平低架天线辐射极低频信号这两种方法的研究，在高纬度地区开展了兆瓦级大功率短波向极区的电离层加热。结果发现，电离层温度随着短波调制的极低频信号变化而产生极低频信号辐射，其辐射效率低，相对适合于高纬度地区。国内中电第22研究所开展了在中纬度地区电离层加热辐射极低频信号方法的研究，从而验证了电离层加热辐射低频信号效率低的结果[8]。

基于上述研究，俄罗斯最终放弃了电离层加热的技术路线，转而开展两端接地的水平低架天线辐射极低频信号的研究，并通过试验验证了此方法的有效性[9]。2017年，美国国防部高级研究计划局（DARPA）提出采用机械天线辐射低频信号的创新计划。根据文献报道，目前美国已实现了百米的极低频信号辐射试验，但仍处于探索阶段，远未达到实用要求[10]。在国内，国防科技大学、南京航空航天大学、武汉船舶通信研究所也同步开展了机械天线的基金项目和创新预研，研究水平与美国相近[11]。

在工程应用中，通常采用长距离水平低架天线来实现极低频信号的有效发射。但极低频段内天线的感抗变化大，发射系统处于发射天线的强电磁场环境中，发射系统小信号设备受到干扰；同时，极低频频率过低，发射系统无法使用常规变压器升压和功率合成，难以实现大功率信号的放大。因此，研制极低频发射系统极具挑战性。

本文将基于极低频信号功率放大原理的研究，提出极低频/超低频双频段双桥级联功率合成方法和高精度超低频/极低频双频段激励信号生成方法，实现在同一主功率电路上极低频和超低频无变压器大功率放大。针对极低频频段内天线感抗变化大、发射系统难以获得最大辐射功率的问题，提出直通天线、电容调谐和匹配调谐的组合调谐策略，来获得最大辐射功率。针对极低频发射系统小信号设备在强电磁场环境中工作可靠性差的问题，提出由以太网、控制层网二级网络构成的集散检测协同控制策略，来提高极低频发射系统的冗余性和可靠性。

1 极低频发射系统工作原理

图1所示为极低频发射系统工作示意图。其中，信号处理设备的作用是对设定工作频率进行处理，生成高精度且频率稳定的小信号脉冲系列；500 kW发射设备是对激励小信号进行功率放大，输出功率为500 kW单频大功率极低频信号，工作频率范围为0.1～300 Hz。

图1 极低频发射系统工作示意图Fig.1 Schematic diagram of ELF transmission system

图2 水平低架天线辐射原理Fig.2 Radiation principle of horizontal low-profile antennae

水平低架天线可长达几十公里甚至一百多公里[8,10]，通常选择电导率σ小于10−4s/m的花岗岩地区架设天线，电流有效穿透深度可达数公里甚至数十公里。水平低架天线的方向特性与水平磁偶极子一致，天线方向呈“∞”形，采用两根互相垂直的水平低架天线最大程度地实现辐射信号的全向覆盖[8]。极低频发射系统0.1～300 Hz工作频率覆盖范围高达3 000倍，天线在不同频率下工作时的阻抗变化非常大，其实部在10～300 Ω、虚部在0.1～1 000 Ω之间变化。受发射机功率和天线阻抗限制，天线发射电流一般为几百安培[8]。

图3为极低频发射系统结构框图。系统主要由信号处理设备（高精度激励器、信号处理单元）、高压整流电源分系统（10 kV配电柜、整流变压器、可控整流电源）、发射主机、转换开关、匹配调谐分系统（匹配变压器、调谐电容、高压开关）、假负载、天线接入设备（接入开关、接地开关、防雷装置）、频率标准设备（频标）、时间标准设备、检测控制系统、冷却系统、低压供电系统等组成。系统设备数量超过600余台套，占地总面积约2 000 m2，分别被安装布置在数个房间内。

图3 极低频发射系统结构框图Fig.3 Block diagram of the ELF transmission system

发射系统配备的2部500 kW发射机既可分别实现接东西向天线或南北向天线独立工作，又可实现同时工作并进行大功率信号的空间合成。在局部设备或部件故障时，两部发射机或小信号设备均可互为备用，从而提高了发射可靠性[3]。

2 极低频发射系统的关键技术

2.1 极低频信号功率放大技术

极低频低端接近于直流，无法采用变压器进行信号放大与功率合成。因此，本文研究的极低频发射系统采用的是双桥级联的拓扑结构，以及极低/超低频双频段调制策略。其中，极低频频段生成带死区的正弦脉宽调制（SPWM）激励信号，超低频频段生成多电平矢量叠加激励信号，在同一主功率电路上可以实现极低频和超低频无变压器大功率放大。

极低频发射系统选用的IGCT功率开关管的峰值电压参数为6 000 V/1 000 A，可稳定地输出3 000 V/300 A有效功率[13]。30 Hz以下的南北向、东西向天线最大电阻分别达到13，20 Ω，单个H桥不足以直接在天线上稳定可靠地输出500 kW的功率，故采用了2个H桥级联叠加的电路来实现功率放大。图4所示为设计的发射主机功率放大原理图（图中各符号定义可详见文献[14]）。其中，每个H桥采用独立的直流电源供电，通过输出端的串联方式实现级联工作，并给设备的电压、电流留有一定的余量。功率放大器最大输出电压4 000 V、最大输出电流300 A，最大输出功率1 200 kVA，在天线上每个频点可稳定输出500 kW有效功率。

图4 发射主机功率放大原理图[14]Fig.4 Schematic diagram of power amplifier for the primary transmitter[14]

图4中：开关S1，S1′，S2和S2′共同组成一个H桥（H1）；开关S3，S3′，S4和S4′共同组成另一个H桥（H2）。开关S1与S1′组成半桥，不能同时导通；开关S2和S2′组成半桥，也不能同时导通，否则会出现直通，损坏功率管。因此，在激励信号加入死区时间以防止功率管受到损坏。在一个调制周期内，该电路有正向导通、反向导通、正向旁路、反向旁路这4种工作状态[14]。

8个功率开关管的8路激励信号有两种产生方式，其工作原理如图5所示[14]。工作频率低于30 Hz时，采用SPWM方式（根据左边的调制原理）生成激励信号。工作频率高于30 Hz时，发射机输出采用三电平叠加方式生成激励信号，将2个H桥的阶梯波功率进行合成，并根据正弦波基频信号直接整形为方波，调整脉宽占空比为5/12，然后再将2个H桥对应位置的开关移相角30°（π/12）生成激励信号8路脉冲序列，即右边的方波脉冲系列。

图5 两个频段的8路激励信号对应关系图Fig.5 The relation diagram of eight-channel excitation signals of two frequency bands

两个2H桥采用载波三角波移相控制法级联叠加，输出五电平阶SPWM梯波电压，表达式如下：

式中：Jn为n阶贝塞尔函数；调制比M=US/UC≤1，其中，US为正弦调制波幅值，UC为三角载波幅值；载波比F=ωC/ωS≫1， 其中，ωC为三角载波角频率，ωS为 正弦调制波角频率；Ud为2H桥的直流电源电压。由式（1）第1项可知，输出电压基波幅值为 2MUd，其只与调制比M有关。由式（1）第2项可知，输出电压的谐波分量对称的分布在4，8，12······等倍数的载波频率周围[14]。

理论上，SPWM波形不含低阶奇次谐波，而实际上由于加入了死区时间，则不可避免地将出现3次、3次等低次谐波，且频率越低，低次谐波越大[14-15]。针对上述分析进行的谐波仿真条件如下：正弦波频率27.9 Hz，三角波频率210 Hz，调制比0.95，死区时间20 µs，负载电阻8.9 Ω，电感35.18 mH[14]。仿真输出的电压电流波形如图6所示，图中输出到天线上的总谐波畸变率（THD）约为1.51%。

图6 正弦脉宽调制的仿真电压和电流波形Fig.6 The voltage and current waveforms simulated by SPWM

2.2 组合调谐策略

因发射天线呈感性，故天线调谐回路中必须串联电容器来抵消天线的电抗分量，使其表现为纯阻特性，以利于获得最大功率辐射。针对0.1～300 Hz天线阻抗变化大的问题，本文研究中提出了直通天线、电容调谐和匹配调谐的组合调谐策略，通过分组串联电容来抵消天线的感抗分量，使发射机的输出呈现纯阻特性，从而获得最大的辐射功率。此时，回路串联谐振于工作频率，表现为带通特性。

图7所示为天线调谐原理图。具体设计如下：在0.1～0.5 Hz频率时，发射主机无电容调谐直接连接发射天线；在0.5～30 Hz以下频率时，无变压器而直接通过电容调谐连接发射天线；在30 Hz以上频率时，先经变压器进行匹配，然后由调谐电容调谐连接发射天线。

在工作频率高于30 Hz时，天线阻抗较大，实部最高达300 Ω，与发射主机最佳输出阻抗相差甚远，因此，设计了多变比的输出变压器来实现阻抗匹配。考虑到匹配变压器漏感参与调谐回路且影响了调谐参数，故要求变压器在全频段都为低漏感。鉴于东西向和南北向天线参数不同，东西向变压器变比在1:1～1:3之间变化，南北向变压器变比在1:1～1:1.5之间变化。

2.3 二级网络集散检测控制策略

系统由2台操作终端、主控单元、系统控制柜等设备组成，如图8所示。该控制系统可对发射系统进行监视、控制、故障检测和保护，并根据预定时间和任务表自动切换预存工作频率以实现自动发射。

图8 强电磁场环境的控制系统组成Fig.8 Composition of control system for strong power electromagnetic fields

集散检测控制系统由以太网、控制层网二级网络构成。在以太网配有操作终端、主控单元等设备，可实时显示发射系统设备运行状态信息；通过以太网对主控单元发出指令，可对发射设备进行控制。在控制层网上配有主控单元、系统控制柜等设备，设备间的数据传输采用可编程序逻辑控制器（PLC）专用网络MELSECNET/H，可实时传递与设备运行相关的数据。此外，控制层网的传输介质为双重回路的光纤，从而提高了系统冗余性和可靠性。

3 系统测试与试验

国家无线电委员会为极低频发射系统分配了0.095～311 Hz共98个频率。极低频发射系统的设计目标为：在近百个频点输出500 kW发射功率，东西向发射电流矩为3×107Am，南北向发射电流矩为2×107Am，覆盖范围可在3 000 km内，另外，0.5～10 Hz信号的信噪比大于10 dB，10 Hz以上信号的信噪比达到15～20 dB。

3.1 陆地场强测试

陆地场强测试分别测试了南北向天线、东西向天线、两天线合成3种发射状态下的信号场强。具体包括4部分内容：1）南北方向500～2 500 km场强测试；2）西北方向500～3 000 km场强测试；3）90°弧线1 000 km距离场强测试；4）与俄罗斯合作开展的7 000 km距离场强测试。

国内陆地场强测试地点分布如图9所示。沿着辐射天线的两个方向每间隔500 km为一个测试点。场强测试采用武汉船舶通信研究所研制的5通道CEMT-03接收机，分别接3根CMS-02磁传感器（Hx，Hy，Hz，即x，y，z方向的磁场）和2根电天线（Ex，Ey，即x，y方向的电场），场强测试设备连接图如图10所示。设备与磁传感器之间的保持3～5 m距离以避免电磁干扰，然后，挖坑用泥土掩埋磁传感器。电传感器为性能稳定的长周期不极化电极，同一方向上2个电极之间的连接线长度根据现场情况作调整，一般在50～100 m之间。

图9 国内陆上场强测试地点Fig.9 Sites of strength measurement for domestic onshore field

图10 极低频场强测试设备连接图Fig.10 Connection diagram of ELF field strength testing devices

CEMT-03接收机将测量的电磁信号存储，导入计算机并按照如图11所示流程进行数据处理。主要步骤包括：1) 根据电磁接收机采集到的数据计算功率谱；2) 依据磁传感器、电磁探测仪的校准系数，得到校准后的信号场强；3) 计算一定带宽内的噪声功率谱密度；4) 计算各频点的信噪比。

图11 数据处理流程示意图Fig.11 Flow chart of data processing

若信号采样时间为256～2 048 s时且在3 000 km覆盖范围内，则0.5～10 Hz信号的信噪比大于10 dB，而10 Hz以上信号的信噪比可达20 dB。其中，计算得到的西北方向1 500，3 000 km距离的5.766 Hz极低频电场场强和磁场场强分别如图12和图13所示，其中，1 500 km距离的信噪比约为20 dB，3 000 km距离的信噪比约为12 dB，结果满足发射系统信噪比指标要求。

图12 西北1 500 km距离5.766 Hz极低频电场和磁场频谱Fig.12 Electric and magnetic field spectra of 5.766 Hz ELF at a distance of 1 500 km in Northwest China

图13 西北3 000 km距离新疆奎屯5.766 Hz电场和磁场频谱Fig.13 Electric and magnetic field spectra of 5.766 Hz ELF at a distance of 3 000 km in Kuitun, Xinjiang, Northwest China

与俄罗斯合作开展7 000 km距离的场强测试，图14所示为采样时间为1 000 s时11.32和27.9 Hz频率时的磁场频谱图。由图可分析得出，接收到的信号信噪比达到15 dB，结果满足设计指标要求。

图14 7 000 km距离11.2 Hz和27.9 Hz的极低频磁场频谱Fig.14 Magnetic field spectra of 11.32 Hz and 27.9 Hz ELF at a distance of 7 000 km onshore

3.2 水下场强测试

水下场强测试主要开展了1 300 km距离的水下100～300 m大陆架探测试验。图15所示为距离发射台约1 300 km距离水下200～300 m大陆架17 Hz和 2.48 Hz场强（Ey）的测试结果。其中，接收到的17 Hz信号的信噪比为14.254 7 dB，接收到的2.48 Hz信号的信噪比为14.527 5 dB，结果满足设计指标要求。

图15 1 300 km距离大陆架水下200～300 m的极低频信号频谱Fig.15 Signal spectra of continental shelf in the water depth of 200-300 m at a distance of 1 300 km

上述场强测试与试运行探测试验结果表明：极低频信号覆盖了我国领土和主要领海，辐射信号强度比天然源信号高出10～20 dB。

3.3 地下资源探测试验

在地下资源探测方面，开展了内蒙古曹四夭钼矿、重庆明月峡构造、河南泌阳油田等地下资源探测，最大探测深度达10 km，以及首都地震圈、南北地震带地震台站信号监测和南海北部大陆架探测等试验。中科院地质与地球物理研究所底青云团队提供的泌阳油田资源探测0.1～256 Hz电磁场频谱如图16所示。由图所示结果可见，极低频发射系统提供的极低频信号可为开展地下资源探测等方面的探索性研究和工程试验研究提供支持。

图16 泌阳油田电磁场频谱数据Fig.16 Electromagnetic spectra data obtained by source detection in Biyang oil field

4 结 语

本文研究了极低频信号的功率放大与合成机理、水平天线组合调谐策略和二级网络集散检测控制策略，介绍了极低频发射系统的工作原理，并对极低频发射系统进行了陆地、水下和地下场强测试。结果表明，极低频信号可以覆盖我国国土和主要领海，辐射信号强度比天然源信号高出10～20 dB，探测深度达10 km。极低频发射系统的试验研究推进了极低频无线电技术的发展，为实现深水通信技术发展奠定了坚实基础。与此同时，研制的极低频发射系统为我国提供了跨学科的新型公用性、开放性服务平台，对相关行业和学科的发展将具有巨大推动作用。