3-30 кГц жиілік диапазоны: Төмен жиілікті радио толқындар және олардың қолданылуы

Кіріспе

Электромагниттік спектрдің 3–30 кГц диапазоны

Өте төмен жиілік немесе VLF – бұл Халықаралық телекоммуникация одағының (ITU) 3–30 кГц диапазонындағы радиожиіліктерді (RF) белгілеуі, бұл сәйкесінше 100-ден 10 км-ге дейінгі толқын ұзындықтарына сай келеді. Бұл диапазон мириаметрлік диапазон немесе мириаметрлік толқын деп те аталады, себебі толқын ұзындығы бірден он мириаметрге дейін (ескірген метрикалық бірлік, 10 километрге тең) жетеді. Оның шектеулі өткізу қабілетіне байланысты, осы диапазонды аудио (дауыс) беру үшін пайдалану өте қиын, сондықтан тек төмен жылдамдықты кодталған сигналдар қолданылады. VLF диапазоны бірнеше радио навигациялық қызметтерге, мемлекеттік уақыт радиостанцияларына (радио сағаттарды орнату үшін уақыт сигналдарын тарату) және қауіпсіз әскери байланыс үшін қолданылады. VLF толқындары кем дегенде 40 метрге (131 фут) тұзды суға енуге қабілетті болғандықтан, олар су асты кемелерімен әскери байланыс үшін қолданылады.

Антенналар

VLF жолағының маңызды практикалық кемшілігі – толқындардың ұзындығына байланысты, толық көлемді резонанстық антенналарды (жарты толқынды диполь немесе төрттен бір толқынды монополь антенналарын) олардың физикалық биіктігіне байланысты құру мүмкін болмайды. Олардың төмен сәулелену кедергісіне (көбінесе бір омнан кем) байланысты тиімділігі төмен, таратушының қуатының ең көп дегенде 10%-дан 50%-ын ғана сәулелендіреді. Аз қуатты таратушылар үшін инверттік L және T антенналары қолданылады. Төмен сәулелену кедергісіне байланысты, жерде шашыратылатын қуатты азайту үшін бұл антенналар өте төмен кедергілі жер (жерге қосу) жүйелерін қажет етеді, олар антеннаның астында көмілген мыс сымдардың радиалдық желілерінен тұрады. Топырақтағы диэлектрлік шығындарды азайту үшін жер өткізгіштері жер астына тек бірнеше сантиметрге көміледі, ал антеннаға жақын жер беті кейде мыс жер экрандарымен қорғалады. Сондай-ақ, радиалдық желілерден тұратын теңгерімдік жүйелер де қолданылады. Антеннаның резонанстық болуы үшін сыйымдылық реакциясын жою үшін антеннаның қоректену нүктесінде үлкен жүктеу орамды орнату қажет. VLF жиілігінде бұл орамды жобалау қиын; ол жұмыс істейтін радиожиілік жиілігінде төмен кедергіге ие болуы керек, жоғары сапалы коэффициентке (Q), өте жоғары токтарды қабылдауы керек және антеннадағы өте жоғары кернеуге төтеп беруі керек. Бұл әдетте 2-4 метр биіктіктегі өткізбейтін қаңқаға оралған үлкен ауа өзекті орамдар болып табылады, радиожиілік кедергісі диаметрі бірнеше сантиметр болатын қалың литц сымының қолдану арқылы азайтылады, ол бірге өрілген мыңдаған оқшауланған жіптерден тұрады. 10 кГц ені бар стандартты АМ радиосигналы VLF жолағының үштен бір бөлігін алады. Көбірек маңыздысы, кез келген қашықтыққа тарату қиын болар еді, өйткені бұл қазіргі VLF антенналарының енінен 100 есе артық ені бар антеннаны қажет етеді, бұл Чу-Харрингтон шегіне байланысты өте үлкен болар еді. Сондықтан, тек мәтіндік деректерді ғана төмен біт жылдамдығымен беруге болады. Әскери желілерде 5 биттік ITA2 немесе 8 биттік ASCII таңба кодтарын пайдалана отырып, радиотелетиптік деректерді беру үшін жиіліктік модуляция (FSK) қолданылады. Антеннаның тар еніне байланысты 30-50 герцтік шағын жиілік ауысымы қолданылады. Жоғары қуатты VLF таратушыларда рұқсат етілген деректерді беру жылдамдығын арттыру үшін FSK-ның арнайы түрі қолданылады, ол минималды ауысу кілттеуі (MSK) деп аталады. Бұл антеннаның жоғары сапалы коэффициентіне байланысты қажет. Геофизиктер Жердің бетіне жақын жердегі өткізгіштікті өлшеу үшін VLF электромагниттік қабылдағыштарын пайдаланады. VLF сигналдарын өткізгіш геологиялық бірліктердегі екіншік жауапты тудыратын берілген токтарға сүйенетін геофизикалық электромагниттік зерттеу ретінде өлшеуге болады. VLF аномалиясы – жер астындағы өткізгіш материалдардың үстіндегі электромагниттік вектордың бағытындағы өзгерісті көрсетеді.

A major practical drawback to the VLF band is that because of the length of the waves, full size resonant antennas (half wave dipole or quarter wave monopole antennas) cannot be built because of their physical height. Due to their low radiation resistance (often less than one ohm) they are inefficient, radiating only 10% to 50% of the transmitter power at most, For low power transmitters, inverted L and T antennas are used. Due to the low radiation resistance, to minimize power dissipated in the ground these antennas require extremely low resistance ground (Earthing) systems, consisting of radial networks of buried copper wires under the antenna. To minimize dielectric losses in the soil, the ground conductors are buried shallowly, only a few inches in the ground, and the ground surface near the antenna is sometimes protected by copper ground screens. Counterpoise systems have also been used, consisting of radial networks of copper cables supported several feet above the ground under the antenna. A large loading coil is required at the antenna feed point to cancel the capacitive reactance of the antenna to make it resonant. At VLF the design of this coil is challenging; it must have low resistance at the operating RF frequency, high Q, must handle very high currents, and must withstand the extremely high voltage on the antenna. These are usually huge air core coils 2 4 meters high wound on a nonconductive frame, with RF resistance reduced by using thick litz wire several centimeters in diameter, consisting of thousands of insulated strands of fine wire braided together. A typical AM radio signal with a bandwidth of 10 kHz would occupy one third of the VLF band. More significantly, it would be difficult to transmit any distance because it would require an antenna with 100 times the bandwidth of current VLF antennas, which due to the Chu Harrington limit would be enormous in size. Therefore, only text data can be transmitted, at low bit rates. In military networks frequency shift keying (FSK) modulation is used to transmit radioteletype data using 5 bit ITA2 or 8 bit ASCII character codes. A small frequency shift of 30–50 hertz is used due to the small bandwidth of the antenna. In high power VLF transmitters, to increase the allowable data rate, a special form of FSK called minimum shift keying (MSK) is used. This is required due to the high [[Q factor of the antenna. Geophysicists use VLF electromagnetic receivers to measure conductivity in the near surface of the Earth. VLF signals can be measured as a geophysical electromagnetic survey that relies on transmitted currents inducing secondary responses in conductive geologic units. A VLF anomaly represents a change in the attitude of the electromagnetic vector overlying conductive materials in the subsurface.

Кен орындарының байланыс жүйелері

VLF сонымен қатар топырақ пен тасқа белгілі бір тереңдікке дейін өте алады, сондықтан осы жиіліктер жер астындағы кендермен байланыс жүйелері үшін де қолданылады.

Әуесқойлар үшін

8,3 кГц-тен төмен жиілік диапазоны Халықаралық телекоммуникация одағымен бөлінбеген, және кейбір елдерде лицензиясыз қолданылуы мүмкін. Кейбір елдердегі радио әуесқойларға 8,3 кГц-тен төмен жиіліктерде жұмыс істеуге рұқсат берілген (немесе рұқсат деп есептелген). Жұмыстар көбінесе 8,27 кГц, 6,47 кГц, 5,17 кГц және 2,97 кГц жиіліктерінің маңында шоғырланады. Хабар тарату әдетте бір сағаттан бірнеше күнге дейін созылады, ал қабылдағыш пен таратушының жиілігі GPS негізінде түзетілген осциллятор сияқты тұрақты эталонға бекітілуі керек, бұл ұзақ уақыт бойы когерентті анықтау мен декодтауды қамтамасыз ету үшін қажет.

Әуесқойлық жабдық

Аматорлық станциялардан сәулелену қуаты өте аз, тұрақты базалық станция антенналары үшін 1 мкВт-тан 100 мкВт-қа дейін, ал желкенді немесе шар антенналары үшін 10 мВт-қа дейін жетеді. Қуаттың төмен болуына қарамастан, Жердің ионосфера қуысындағы аз әлсіреуімен тұрақты таралу, бірнеше мың шақырымға дейінгі қашықтыққа жету үшін өте тар жолақты пайдалануға мүмкіндік береді. Қолданылатын режимдер: QRSS, MFSK және когерентті BPSK. Таратушы әдетте бірнеше жүз Ватттық аудио күшейткіштен, импедансты сәйкестендіру трансформаторынан, жүктеу катушкасынан және үлкен сым антеннадан тұрады. Қабылдағыштар сигналды цифрландыру үшін электр өрісі зонды немесе магниттік цикл антеннасын, сезімтал дыбыс алдын ала күшейткішін, оқшаулау трансформаторларын және компьютерлік дыбыс картасын қолданады. Электр желілері гармоникасы мен VLF радиоатмосферасынан кедергілердің арасынан әлсіз сигналдарды анықтау үшін кең ауқымды цифрлық сигналды өңдеу қажет. Пайдалы қабылданған сигнал күші 3 вольт/метр (электр өрісі) және 1 тесла (магниттік өріс) деңгейінде, ал сигнал беру жылдамдығы әдетте сағатына 1 мен 100 бит аралығында болады.

PC негіздегі қабылдау

VLF сигналдары көбінесе радио әуесқойлары жеке компьютерлерге (PC) негізделген қарапайым, өздігінен жасалған VLF радио қабылдағыштары арқылы бақыланады. Оқшауланған сымнан оралған антенна PC-нің дыбыс картасының кірісіне (қосылыс арқылы) қосылады және одан бірнеше метр қашықтықта орналастырылады. Жылдам Фурье түрлендіруі (FFT) бағдарламалық құралы дыбыс картасымен бірге Nyquist жиілігінен төменгі барлық жиіліктерді спектрограмма түрінде бір уақытта қабылдауға мүмкіндік береді. CRT мониторлары VLF диапазонында күшті шу көзі болғандықтан, спектрограммаларды барлық PC CRT мониторлары өшірілген күйде жазу ұсынылады. Бұл спектрограммалар көптеген сигналдарды көрсетеді, олардың ішінде VLF хабар берушілер және теледидарлардың көлденең электронды сәуле ауытқуы болуы мүмкін. Алынған сигналдың күші кенеттен ионосфералық бұзылыс кезінде өзгеруі мүмкін. Бұл ионосферада иондану деңгейінің артуына алып келеді, нәтижесінде қабылданып алынған VLF сигналының амплитудасы мен фазасының жылдам өзгеруіне себеп болады.