Очень низкая частота или VLF — это обозначение ITU [1] для радиочастот (RF) в диапазоне 3–30 кГц , что соответствует длинам волн от 100 до 10 км соответственно. Этот диапазон также известен как диапазон мириаметра или волна мириаметра, поскольку длины волн варьируются от одного до десяти мириаметров (устаревшая метрическая единица, равная 10 километрам). Из-за ограниченной полосы пропускания передача звука (голоса) в этом диапазоне крайне непрактична, и поэтому используются только кодированные сигналы с низкой скоростью передачи данных . Диапазон VLF используется некоторыми радионавигационными службами, радиостанциями правительственного времени (транслирующими сигналы времени для установки радиочасов ) и для защищенной военной связи. Поскольку волны ОНЧ могут проникать в соленую воду на глубину не менее 40 метров (131 фут), они используются для военной связи с подводными лодками .
Из-за своей большой длины волны ОНЧ-радиоволны могут дифрагировать вокруг больших препятствий и поэтому не блокируются горными хребтами, а также могут распространяться как земные волны, следуя кривизне Земли, и поэтому не ограничиваются горизонтом. Наземные волны поглощаются сопротивлением Земли и менее важны на расстоянии от нескольких сотен до тысячи километров/миль, а основным способом распространения на большие расстояния является волноводный механизм Земля-ионосфера . [2] Земля окружена проводящим слоем электронов и ионов в верхних слоях атмосферы в нижней части ионосферы, называемым слоем D на высоте 60–90 км (37–56 миль), [3] который отражает ОНЧ-радиоволны. . Проводящая ионосфера и проводящая Земля образуют горизонтальный «канал» высотой в несколько ОНЧ-волн, который действует как волновод , удерживающий волны, чтобы они не уходили в космос. Волны движутся по зигзагообразной траектории вокруг Земли, поочередно отражаясь от Земли и ионосферы в поперечном магнитном (TM) режиме.
Волны ОНЧ имеют очень низкое затухание на трассе, 2–3 дБ на 1000 км [2] с небольшим « замиранием », наблюдаемым на более высоких частотах. [3] Это связано с тем, что ОНЧ-волны отражаются от нижней части ионосферы, в то время как коротковолновые сигналы более высокой частоты возвращаются на Землю из более высоких слоев ионосферы, слоев F1 и F2 , в результате процесса рефракции и проводят большую часть своего пути. в ионосфере, поэтому на них гораздо больше влияют градиенты ионизации и турбулентность. Поэтому передачи VLF очень стабильны и надежны и используются для связи на больших расстояниях. Реализованы расстояния распространения 5000–20 000 км. [2] Однако в этом диапазоне высок атмосферный шум (« сферики »), [3] включая такие явления, как « свисты », вызываемые молниями .
Основным практическим недостатком диапазона ОНЧ является то, что из-за длины волн невозможно построить полноразмерные резонансные антенны ( полуволновые дипольные или четвертьволновые монопольные антенны) из-за их физической высоты. [5] : 14 Необходимо использовать вертикальные антенны, поскольку ОНЧ-волны распространяются в вертикальной поляризации, но четвертьволновая вертикальная антенна на частоте 30 кГц (длина волны 10 км) будет иметь высоту 2,5 километра (8200 футов). Таким образом, практические передающие антенны электрически коротки , и составляют лишь небольшую часть длины, при которой они были бы саморезонансными. [6] [7] : 24,5–24,6 Из-за своей низкой радиационной стойкости (часто менее одного Ома) они неэффективны, излучая максимум от 10% до 50% мощности передатчика, [2] [5] : 14 с остальная часть мощности рассеивается на сопротивлениях системы антенна/земля. Для связи на большие расстояния требуются передатчики очень высокой мощности (~ 1 мегаватт), поэтому эффективность антенны является важным фактором.
Передающие станции ОНЧ большой мощности используют монопольные антенны с емкостной нагрузкой . Это очень большие проволочные антенны, длиной до нескольких километров. [8] : 3,9–3,21 [7] : 24,8–24,12 Они состоят из ряда стальных радиомачт , соединенных наверху сетью тросов, часто имеющих форму зонтика или бельевых веревок. [5] : стр.14 Либо сами башни, либо вертикальные провода служат монопольными излучателями, а горизонтальные кабели образуют емкостную верхнюю нагрузку для увеличения тока в вертикальных проводах, увеличивая излучаемую мощность и эффективность антенны. На станциях большой мощности используются варианты зонтичной антенны , такие как антенны «дельта» и « тридеко » или многопроволочные плоские (триатические) антенны. [5] : стр.129-162 Для передатчиков малой мощности используются инвертированные L- и T-антенны .
Из-за низкой радиационной стойкости для минимизации мощности, рассеиваемой в земле, эти антенны требуют систем заземления (заземления) с чрезвычайно низким сопротивлением, состоящих из радиальных сетей из заглубленных медных проводов под антенной. Чтобы минимизировать диэлектрические потери в почве, заземляющие проводники закапывают неглубоко, всего на несколько дюймов в землю, а поверхность земли возле антенны иногда защищают медными заземляющими экранами. Также использовались системы противовеса , состоящие из радиальных сетей медных кабелей, поддерживаемых на высоте нескольких футов над землей под антенной.
В точке питания антенны необходима большая нагрузочная катушка, чтобы компенсировать емкостное реактивное сопротивление антенны и сделать ее резонансной . В VLF конструкция этой катушки сложна; он должен иметь низкое сопротивление на рабочей радиочастоте, высокую добротность , выдерживать очень большие токи и чрезвычайно высокое напряжение на антенне. Обычно это огромные катушки с воздушным сердечником высотой 2-4 метра, намотанные на непроводящий каркас, сопротивление ВЧ которых снижается за счет использования толстого многосантиметрового провода диаметром в несколько сантиметров, состоящего из тысяч изолированных жил тонкой проволоки, сплетенных вместе. [5] : стр. 95
Высокая емкость и индуктивность, а также низкое сопротивление комбинации антенны и нагрузочной катушки делают ее электрически действующей как настроенная схема с высокой добротностью . Антенны ОНЧ имеют очень узкую полосу пропускания , и для изменения частоты передачи требуется переменный индуктор ( вариометр ) для настройки антенны. Большие ОНЧ-антенны, используемые для мощных передатчиков, обычно имеют полосу пропускания всего 50–100 Гц. Высокая добротность приводит к очень высоким напряжениям (до 250 кВ) [5] : стр. 58 на антенне, и требуется очень хорошая изоляция. [5] : стр.14,19 Большие ОНЧ-антенны обычно работают в режиме «ограничения по напряжению»: максимальная мощность передатчика ограничивается напряжением, которое антенна может принять без пробоя воздуха , коронного разряда и искрения от антенны.
Полоса пропускания больших ОНЧ-антенн с емкостной нагрузкой настолько узка (50–100 Гц), что даже небольшие сдвиги частоты модуляции FSK и MSK могут превышать ее, выводя антенну из резонанса , заставляя антенну отражать часть мощности обратно по фидерной линии. . Традиционное решение состоит в использовании в антенне «резистора полосы пропускания», который уменьшает добротность и увеличивает полосу пропускания; однако это также снижает выходную мощность. Недавняя альтернатива, используемая в некоторых военных ОНЧ-передатчиках, представляет собой схему, которая динамически сдвигает резонансную частоту антенны между двумя выходными частотами с помощью модуляции. [7] : 24,7 [8] : 3,36 Это достигается с помощью насыщающегося реактора, включенного последовательно с нагрузочной катушкой антенны . Это дроссель с ферромагнитным сердечником со второй обмоткой управления, по которой течет постоянный ток, который управляет индуктивностью путем намагничивания сердечника, изменяя его проницаемость . Поток данных манипуляции подается на обмотку управления. Таким образом, когда частота передатчика сдвигается между частотами «1» и «0», насыщающийся реактор изменяет индуктивность в резонансном контуре антенны, чтобы сместить резонансную частоту антенны в соответствии с частотой передатчика.
Требования к приемным антеннам менее строгие из-за высокого уровня естественных атмосферных шумов в диапазоне. На частотах ОНЧ атмосферный радиошум значительно превышает шум приемника , вносимый схемой приемника, и определяет отношение сигнал/шум приемника . Таким образом, можно использовать небольшие неэффективные приемные антенны, а сигнал низкого напряжения от антенны можно просто усиливать приемником без внесения значительного шума. Для приема обычно используются ферритовые рамочные антенны .
Из-за малой пропускной способности диапазона и чрезвычайно узкой полосы пропускания используемых антенн передавать аудиосигналы ( АМ- или ЧМ- радиотелефония ) нецелесообразно. [9] Типичный радиосигнал AM с полосой пропускания 10 кГц будет занимать одну треть диапазона VLF. Что еще более важно, было бы трудно передавать на любое расстояние, потому что для этого потребуется антенна с полосой пропускания в 100 раз большей, чем у нынешних ОНЧ-антенн, что из-за ограничения Чу-Харрингтона будет огромным по размеру. Таким образом, можно передавать только текстовые данные с низкой скоростью передачи данных . В военных сетях частотная манипуляция ( FSK) используется для передачи радиотелетайпных данных с использованием 5-битных кодов символов ITA2 или 8-битных ASCII . Из-за малой полосы пропускания антенны используется небольшой сдвиг частоты 30–50 Гц.
В мощных ОНЧ-передатчиках для увеличения допустимой скорости передачи данных используется особая форма FSK, называемая манипуляцией с минимальным сдвигом (MSK). Это необходимо из-за высокой добротности антенны. [8] : 3.2–3.4, §3.1.1 Огромная емкостная антенна и нагрузочная катушка образуют настроенную цепь с высокой добротностью , которая накапливает колебательную электрическую энергию. Добротность больших ОНЧ-антенн обычно превышает 200 ; это означает, что антенна хранит гораздо больше энергии (в 200 раз больше), чем подается или излучается за один цикл тока передатчика. Энергия сохраняется поочередно в виде электростатической энергии в верхней нагрузке и системе заземления и магнитной энергии в вертикальных проводах и нагрузочной катушке. Антенны ОНЧ обычно работают с «ограничением по напряжению», при этом напряжение на антенне близко к пределу, который выдерживает изоляция, поэтому они не допускают резких изменений напряжения или тока передатчика без искрения или других проблем с изоляцией. Как описано ниже, MSK способен модулировать передаваемую волну на более высоких скоростях передачи данных, не вызывая скачков напряжения на антенне.
В передатчиках ОНЧ используются три типа модуляции :
Исторически этот диапазон использовался для трансокеанской радиосвязи на большие расстояния в эпоху беспроводной телеграфии, примерно между 1905 и 1925 годами . колонии и военно-морской флот. Ранние попытки использовать радиотелефон с использованием амплитудной модуляции и однополосной модуляции в диапазоне, начиная с 20 кГц, были неудовлетворительными, поскольку доступная полоса пропускания была недостаточной для сдерживания боковых полос .
В 1920-х годах открытие метода распространения радиоволн (пропуска) позволило передатчикам меньшей мощности, работающим на высокой частоте , общаться на одинаковых расстояниях, отражая свои радиоволны от слоя ионизированных атомов в ионосфере , а станции радиосвязи на большие расстояния переключились. на коротковолновые частоты. Передатчик Grimeton VLF в Грайметоне недалеко от Варберга в Швеции , один из немногих сохранившихся передатчиков той эпохи, сохранившийся как исторический памятник, может быть посещен публикой в определенное время, например, в День Александерсона .
Из-за больших расстояний распространения и стабильных фазовых характеристик в течение 20-го века диапазон ОНЧ использовался для гиперболических радионавигационных систем большого радиуса действия, которые позволяли кораблям и самолетам определять свое географическое положение путем сравнения фазы радиоволн, полученных от стационарного ОНЧ- навигационного маяка . передатчики.
Всемирная система «Омега» использовала частоты от 10 до 14 кГц, как и российская «Альфа» .
VLF также использовался для передач в стандартное время и частоту . В США станция сигналов времени WWVL начала передавать сигнал мощностью 500 Вт на частоте 20 кГц в августе 1963 года. Для отправки данных она использовала частотную манипуляцию ( FSK ) со сдвигом между 20 кГц и 26 кГц. Служба WWVL была прекращена в июле 1972 года.
Естественные сигналы в диапазоне ОНЧ используются геофизиками для определения местоположения молний на больших расстояниях и для исследования атмосферных явлений, таких как полярное сияние. Измерения свистов используются для определения физических свойств магнитосферы . [10]
Геофизики используют ОНЧ- электромагнитные приемники для измерения проводимости у поверхности Земли. [11]
Сигналы ОНЧ можно измерить с помощью геофизических электромагнитных исследований, основанных на передаваемых токах, вызывающих вторичные реакции в проводящих геологических единицах. Аномалия ОНЧ представляет собой изменение положения электромагнитного вектора, перекрывающего проводящие материалы в недрах.
ОНЧ также может проникать в почву и скальную породу на некоторое расстояние, поэтому эти частоты также используются для систем связи через подземные мины .
Мощные ОНЧ-передатчики используются военными для связи со своими силами по всему миру. Преимущество частот ОНЧ заключается в их большом радиусе действия, высокой надежности и предсказании того, что во время ядерной войны связь ОНЧ будет меньше нарушена ядерными взрывами, чем более высокие частоты. Поскольку он может проникать в морскую воду, VLF используется военными для связи с подводными лодками, находящимися у поверхности, а частоты ELF используются для глубоко погруженных подводных лодок.
Примеры военно-морских ОНЧ-передатчиков:
С 2004 года ВМС США прекратили использовать передачи ELF, заявив, что улучшения в связи VLF сделали их ненужными, поэтому они, возможно, разработали технологию, позволяющую подводным лодкам принимать передачи VLF, находясь на рабочей глубине.
Мощные наземные и авиационные передатчики в странах, где эксплуатируются подводные лодки, посылают сигналы, которые можно принять на расстоянии тысяч миль. Площадки передатчиков обычно занимают большие площади (многие акры или квадратные километры) с передаваемой мощностью от 20 до 2000 кВт. Подводные лодки принимают сигналы от наземных и авиационных передатчиков с помощью той или иной формы буксируемой антенны, которая плавает прямо под поверхностью воды - например, плавучей кабельной антенной решетки (BCAA).
Современные приемники используют сложные методы цифровой обработки сигналов для устранения эффектов атмосферного шума (в основном вызванного ударами молний по всему миру) и сигналов соседних каналов, расширяя полезный диапазон приема. Стратегические ядерные бомбардировщики ВВС США принимают сигналы ОНЧ в рамках усиленных операций по обеспечению ядерной устойчивости.
Могут использоваться два альтернативных набора символов: 5-битный ITA2 или 8-битный ASCII . Поскольку это военные передачи, они почти всегда зашифрованы по соображениям безопасности. Хотя получить сообщения и преобразовать их в строку символов относительно легко, враги не могут расшифровать зашифрованные сообщения; В военной связи обычно используются невзламываемые одноразовые шифры, поскольку объем текста очень мал.
Диапазон частот ниже 8,3 кГц не выделен Международным союзом электросвязи и в некоторых странах может использоваться без лицензии. Радиолюбителям в некоторых странах разрешено (или предполагалось разрешение) работать на частотах ниже 8,3 кГц. [12]
Операции имеют тенденцию концентрироваться на частотах 8,27 кГц, 6,47 кГц, 5,17 кГц и 2,97 кГц. [13] Передача обычно длится от одного часа до нескольких дней, и частота как приемника, так и передатчика должна быть привязана к стабильному эталону, такому как GPS-генератор или рубидиевый стандарт , чтобы поддерживать такое длительное когерентное обнаружение и декодирование.
Излучаемая мощность любительских станций очень мала и составляет от 1 мкВт до 100 мкВт для антенн фиксированных базовых станций и до 10 мВт для воздушных змеев или аэростатных антенн. Несмотря на малую мощность, стабильное распространение с низким затуханием в полости Земля-ионосфера позволяет использовать очень узкую полосу пропускания для достижения расстояний до нескольких тысяч километров. Используемые режимы: QRSS , MFSK и когерентный BPSK .
Передатчик обычно состоит из аудиоусилителя мощностью в несколько сотен ватт, согласующего трансформатора импеданса, нагрузочной катушки и большой проволочной антенны. В приемниках используются датчик электрического поля или магнитная рамочная антенна, чувствительный аудиопредусилитель, изолирующие трансформаторы и звуковая карта ПК для оцифровки сигнала. Требуется обширная цифровая обработка сигналов для извлечения слабых сигналов из-под помех от гармоник линий электропередачи и ОНЧ-радиоатмосферы . Полезная мощность принимаемого сигнала составляет всего3 × 10 −8 вольт/метр (электрическое поле) и1 × 10–16 тесла (магнитное поле) со скоростью передачи сигналов обычно от 1 до 100 бит в час .
Радиолюбители часто прослушивают ОНЧ-сигналы с помощью простых самодельных ОНЧ- радиоприемников на базе персональных компьютеров (ПК). [14] [15] Антенна в виде катушки изолированного провода подключается ко входу звуковой карты ПК (через штекер) и размещается на расстоянии нескольких метров от него. Программное обеспечение быстрого преобразования Фурье (БПФ) в сочетании со звуковой картой позволяет одновременно принимать все частоты ниже частоты Найквиста в виде спектрограмм .
Поскольку ЭЛТ-мониторы являются сильными источниками шума в ОНЧ-диапазоне, рекомендуется записывать спектрограммы при выключенных ЭЛТ-мониторах ПК. Эти спектрограммы показывают множество сигналов, которые могут включать в себя ОНЧ-передатчики и горизонтальное отклонение электронного луча телевизоров. Сила принимаемого сигнала может меняться в зависимости от внезапного ионосферного возмущения . Это приводит к увеличению уровня ионизации в ионосфере, что приводит к быстрому изменению амплитуды и фазы принимаемого ОНЧ-сигнала.
Более подробный список см. в разделе Список ОНЧ-передатчиков.
{{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )