Радиочастоты 3–30 кГц: особенности и применение СВЧ-диапазона

Введение

Диапазон 3–30 кГц электромагнитного спектра

Очень низкие частоты или VLF – это обозначение МСЭ для радиочастот (РЧ) в диапазоне 3–30 кГц, соответствующее длинам волн от 100 до 10 км соответственно. Этот диапазон также известен как мириаметровый диапазон или мириаметровая волна, поскольку длины волн варьируются от одного до десяти мириаметров (устаревшая метрическая единица, равная 10 километрам). Из-за ограниченной полосы пропускания передача аудио (речи) в этом диапазоне крайне непрактична, поэтому используются только кодированные сигналы с низкой скоростью передачи данных. Диапазон VLF используется для нескольких служб радионавигации, правительственных радиостанций точного времени (для передачи сигналов времени для установки радиочасов) и для защищенной военной связи. Поскольку VLF-волны могут проникать как минимум на 40 метров в соленую воду, они используются для военной связи с подводными лодками.

Антенны

Основным практическим недостатком диапазона VLF является то, что из-за большой длины волн невозможно построить полноразмерные резонансные антенны (полуволновые диполи или четвертьволновые монополи) из-за их физических размеров. Из-за их низкого радиационного сопротивления (часто менее одного ома) они неэффективны, излучая не более 10–50% мощности передатчика. Для передатчиков малой мощности используются инвертированные L-образные и T-образные антенны. Ввиду низкого радиационного сопротивления, для минимизации потерь мощности в земле, эти антенны требуют систем заземления с очень низким сопротивлением, состоящих из радиальных сетей медных проводов, проложенных под антенной. Чтобы свести к минимуму диэлектрические потери в почве, заземляющие проводники укладываются на небольшую глубину, всего несколько сантиметров, а поверхность земли вблизи антенны иногда защищается медными заземляющими экранами. Также применялись противовесные системы, состоящие из радиальных сетей медных кабелей, подвешенных на высоте нескольких футов над землей под антенной. Для обеспечения резонанса антенны в точке ее питания требуется большая нагрузочная катушка, компенсирующая емкостное реактивное сопротивление антенны. Конструирование такой катушки в диапазоне VLF – сложная задача: она должна иметь низкое сопротивление на рабочей радиочастоте, высокий коэффициент качества (Q), выдерживать очень высокие токи и экстремально высокое напряжение на антенне. Обычно это огромные воздушные катушки высотой 2–4 метра, намотанные на непроводящем каркасе, с уменьшенным радиочастотным сопротивлением, достигаемым за счет использования толстого литцендрата диаметром в несколько сантиметров, состоящего из тысяч изолированных проволок, сплетенных вместе. Типичный AM-радиосигнал с полосой пропускания 10 кГц занял бы треть диапазона VLF. Более существенно то, что передача на какое-либо расстояние была бы затруднена, поскольку потребовалась бы антенна с пропускной способностью в 100 раз большей, чем у современных VLF-антенн, которая, в соответствии с пределом Чу-Харрингтона, была бы огромной. Поэтому возможна передача только текстовых данных с низкой скоростью передачи. В военных сетях для передачи данных радиотелетипа используется частотная манипуляция (FSK) с 5-битными кодами ITA2 или 8-битными кодами ASCII. Ввиду небольшой полосы пропускания антенны используется небольшое смещение частоты в 30–50 герц. В мощных VLF-передатчиках для увеличения допустимой скорости передачи данных используется специальный вид FSK, называемый минимальным сдвигом частоты (MSK). Это необходимо из-за высокого Q-фактора антенны. Геофизики используют VLF-электромагнитные приемники для измерения электропроводности в приповерхностных слоях Земли. Сигналы VLF могут измеряться в рамках геофизических электромагнитных исследований, основанных на индуцировании передаваемыми токами вторичных ответов в проводящих геологических образованиях. VLF-аномалия представляет собой изменение направления электромагнитного вектора над проводящими материалами в подповерхностных слоях.

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.

Системы связи в шахтах

VLF также может проникать в почву и горные породы на некоторое расстояние, поэтому эти частоты также используются в системах связи через землю для шахт.

Любительское использование

Диапазон частот ниже 8,3 кГц не распределяется Международным союзом электросвязи и в некоторых странах может использоваться без лицензирования. Радиолюбителям в некоторых странах было разрешено (или они предполагали разрешение) работать на частотах ниже 8,3 кГц. Связь обычно ведется вблизи частот 8,27 кГц, 6,47 кГц, 5,17 кГц и 2,97 кГц. Передачи обычно длятся от одного часа до нескольких дней, и для обеспечения длительной когерентной детекции и декодирования как приемник, так и передатчик должны быть синхронизированы по частоте со стабильным источником, например, осциллятором, откалиброванным по GPS, или рубидиевым стандартом.

Оборудование для любителей

Сила излучения любительских станций очень мала, варьируется от 1 мкВт до 100 мкВт для антенн стационарных базовых станций и до 10 мВт для антенн, поднимаемых на воздушных змеях или воздушных шарах. Несмотря на низкую мощность, стабильное распространение с небольшими потерями в полости Земля-ионосфера позволяет использовать очень узкие полосы частот для достижения расстояний в несколько тысяч километров. Используемые виды модуляции – QRSS, MFSK и когерентный BPSK. Передатчик обычно состоит из звукового усилителя мощностью в несколько сотен ватт, согласующего трансформатора, нагрузочной катушки и большой проводной антенны. Приемники используют электродный датчик электрического поля или антенну-рамку, чувствительный предварительный усилитель звуковой частоты, разделительные трансформаторы и звуковую карту ПК для оцифровки сигнала. Для извлечения слабых сигналов из-под помех, создаваемых гармониками линий электропередач и атмосферными радиоизлучениями СДВ, требуется обширная цифровая обработка сигнала. Полезный уровень принимаемого сигнала может достигать 3 вольт на метр (электрическое поле) и 1 тесла (магнитное поле), при скорости передачи данных обычно от 1 до 100 бит в час.

Прием на основе ПК

Сигналы VLF часто отслеживаются радиолюбителями с помощью простых самодельных VLF-приемников на основе персональных компьютеров (ПК). Антенна в виде катушки из изолированной проволоки подключается ко входу звуковой карты ПК (через штекер) и размещается на расстоянии нескольких метров от компьютера. Программное обеспечение для быстрого преобразования Фурье (FFT) в сочетании со звуковой картой позволяет одновременно принимать все частоты ниже частоты Найквиста в виде спектрограмм. Поскольку мониторы ЭЛТ являются сильными источниками помех в диапазоне VLF, рекомендуется записывать спектрограммы при выключенных мониторах ЭЛТ на ПК. Эти спектрограммы отображают множество сигналов, среди которых могут быть передатчики VLF и горизонтальное отклонение электронного луча телевизоров. Интенсивность принимаемого сигнала может меняться при резких ионосферных возмущениях, которые приводят к увеличению уровня ионизации в ионосфере и, как следствие, к быстрому изменению амплитуды и фазы принимаемого VLF-сигнала.