В радиосвязи земной диполь [1] также называемый земной дипольной антенной , антенной линии передачи [1] и в технической литературе горизонтальным электрическим диполем ( ГЭД ), [1] [2] [3] представляет собой огромный специализированный тип радиоантенны , излучающей электромагнитные волны крайне низкой частоты (ELF) . [4] [5] Это единственный тип передающей антенны, который может излучать практические количества энергии в диапазоне частот от 3 Гц до 3 кГц, обычно называемых волнами ELF. [5] Земной диполь состоит из двух заземляющих электродов, зарытых в землю, разделенных десятками или сотнями километров, соединенных воздушными линиями электропередачи с передатчиком электростанции, расположенным между ними. [1] [5] Переменный ток течет в гигантской петле между электродами через землю, излучая волны ELF, поэтому земля является частью антенны. Чтобы быть наиболее эффективными, заземляющие диполи должны быть расположены над определенными типами подземных скальных образований. [5] Идея была предложена физиком Министерства обороны США Николасом Кристофилосом в 1959 году. [5]
Хотя небольшие наземные диполи использовались в течение многих лет в качестве датчиков в геологических и геофизических исследованиях, их единственное применение в качестве антенн было в нескольких военных установках ELF-передатчиков для связи с подводными лодками, находящимися под водой . Помимо небольших исследовательских и экспериментальных антенн, [5] [6] известно о строительстве четырех полномасштабных установок наземных диполей: две ВМС США в Республике, Мичиган и Клэм-Лейк, Висконсин , [2] [7] [8] одна ВМС России на Кольском полуострове недалеко от Мурманска , Россия, [8] [9] [10] и одна в Индии на военно-морской базе INS Kattabomman . [11] [12] Американские установки использовались в период с 1985 по 2004 год, но в настоящее время выведены из эксплуатации. [8]
Хотя официальное определение МСЭ крайне низких частот составляет от 3 Гц до 30 Гц, более широкий диапазон частот от 3 Гц до 3 кГц с соответствующими длинами волн от 100 000 км до 100 км [1] используется для связи ELF и обычно называется волнами ELF. [13] Частота, используемая в передатчиках США и России, около 80 Гц, [1] [14] генерирует волны длиной 3750 км (2300 миль), [a] [15] примерно одну четверть диаметра Земли. Волны ELF использовались в очень немногих искусственных системах связи из-за сложности создания эффективных антенн для таких длинных волн. Обычные типы антенн ( полуволновые диполи и четвертьволновые монополи ) не могут быть построены для таких чрезвычайно длинных волн из-за их размера. Полуволновой диполь для 80 Гц будет иметь длину 1162 мили. Таким образом, даже самые большие практические антенны для частот ELF очень электрически короткие , намного меньше длины волны, которую они излучают. [1] Недостатком этого является то, что эффективность антенны падает по мере уменьшения ее размера ниже длины волны. [1] Сопротивление излучения антенны и количество излучаемой ею мощности пропорционально ( L ⁄ λ )², где L — ее длина, а λ — длина волны. Таким образом, даже физически большие антенны ELF имеют очень малое сопротивление излучения и, таким образом, излучают только малую часть входной мощности в виде волн ELF; большая часть мощности, подаваемой на них, рассеивается в виде тепла на различных омических сопротивлениях в антенне. [5] Антенны ELF должны быть длиной от десятков до сотен километров и должны приводиться в действие мощными передатчиками в мегаваттном диапазоне, чтобы производить хотя бы несколько ватт излучения ELF. К счастью, затухание волн СНЧ с расстоянием настолько мало (1–2 дБ на 1000 км) [5] , что нескольких ватт излучаемой мощности достаточно для связи по всему миру. [2]
Вторая проблема вытекает из требуемой поляризации волн. Волны ELF распространяются на большие расстояния только в вертикальной поляризации , с горизонтальным направлением линий магнитного поля и вертикальным направлением линий электрического поля . [1] Для генерации вертикально поляризованных волн требуются вертикально ориентированные антенны. Даже если бы на поверхности Земли можно было построить достаточно большие обычные антенны, они бы генерировали горизонтально поляризованные, а не вертикально поляризованные волны.
Подводные лодки, находясь под водой, защищены морской водой от всех обычных радиосигналов и, следовательно, отрезаны от связи с военным командованием. Радиоволны ОНЧ могут проникать на глубину 50–75 футов в морскую воду и использовались со времен Второй мировой войны для связи с подводными лодками, но подводная лодка должна подниматься близко к поверхности, что делает ее уязвимой для обнаружения. В 1958 году осознание того, что волны СНЧ могут проникать глубже в морскую воду, на обычные рабочие глубины подводных лодок, привело американского физика Николаса Христофилоса к предложению ВМС США использовать их для связи с подводными лодками. [7] [15] Военные США исследовали множество различных типов антенн для использования на частотах СНЧ. Кристофилос предложил применить токи к Земле для создания вертикальной рамочной антенны, и стало ясно, что это наиболее практичная конструкция. [1] [15] Осуществимость идеи наземного диполя была проверена в 1962 году с использованием 42-километровой арендованной линии электропередачи в Вайоминге , а в 1963 году с использованием 176-километрового прототипа проволочной антенны, простирающейся от Западной Вирджинии до Северной Каролины . [5] [15]
Земляной диполь функционирует как огромная вертикально ориентированная рамочная антенна [5] [16] ( см. рисунок справа ). Он состоит из двух широко разнесенных электродов ( G ), зарытых в землю, соединенных воздушными кабелями передачи с передатчиком ( P ), расположенным между ними. Переменный ток от передатчика ( I ) проходит по петле через одну линию передачи, на километры вглубь коренной породы от одного заземляющего электрода к другому и обратно через другую линию передачи. Это создает переменное магнитное поле ( H ) через петлю, которое излучает волны ELF. Из-за своей низкой частоты волны ELF имеют большую глубину скин-слоя и могут проникать на значительное расстояние через землю, поэтому не имеет значения, что половина антенны находится под землей. Ось создаваемого магнитного поля горизонтальна, поэтому она генерирует вертикально поляризованные волны. Диаграмма направленности антенны является направленной, дипольной диаграммой , с двумя лепестками (максимумами) в плоскости петли, за пределами концов линий передачи. [3] [5] В установках в США используются два заземляющих диполя, ориентированных перпендикулярно друг другу, что позволяет направлять луч в любом направлении путем изменения относительной фазы токов в антеннах.
Количество мощности, излучаемой рамочной антенной, пропорционально ( IA ) 2 , где I — переменный ток в рамке, а A — охватываемая площадь, [5] Чтобы излучать практическую мощность на частотах ELF, рамке необходимо проводить ток силой в сотни ампер и охватывать площадь не менее нескольких квадратных миль. [5] Христофилос обнаружил, что чем ниже электропроводность подстилающей породы, тем глубже будет проходить ток и тем больше будет эффективная площадь рамки. [2] [5] Радиочастотный ток проникнет в землю на глубину, равную глубине скин-слоя земли на этой частоте, которая обратно пропорциональна квадратному корню из проводимости земли σ . Земляной диполь образует рамку с эффективной площадью A = 1/√ 2 L δ , где L — общая длина линий передачи, а δ — глубина скин-слоя. [5] [14] Таким образом, наземные диполи располагаются над подземными скальными образованиями с низкой проводимостью (это контрастирует с обычными радиоантеннами, которым требуется хорошая проводимость земли для заземляющего соединения с низким сопротивлением для их передатчиков). Две антенны ВМС США были расположены на Верхнем полуострове Мичигана, на формации Канадского щита (Лаврентийского щита), [2] [17], которая имеет необычно низкую проводимость 2×10−4 сименс /метр [5], что приводит к увеличению эффективности антенны на 20 дБ. [3] Проводимость земли в месте расположения российского передатчика еще ниже. [14]
Из-за отсутствия гражданского применения в технической литературе по антеннам имеется мало информации о наземных диполях.
После первоначального рассмотрения нескольких более крупных систем ( проект Sanguine ), ВМС США построили два передатчика ELF, один в Клэм-Лейк, штат Висконсин , и другой в Рипаблик, штат Мичиган , на расстоянии 145 миль друг от друга, передающих на частоте 76 Гц. [2] [4] Они могли работать независимо или синхронизироваться по фазе как одна антенна для большей выходной мощности. [4] Площадка Клэм-Лейк, первоначальный испытательный центр, передала свой первый сигнал в 1982 году [4] и начала работу в 1985 году, в то время как площадка Рипаблик начала работать в 1989 году. При входной мощности 2,6 мегаватт общая излучаемая выходная мощность ELF обоих сайтов, работающих вместе, составляла 8 ватт. [2] Однако из-за низкого затухания волн ELF эта крошечная излучаемая мощность была способна связываться с подводными лодками примерно на половине поверхности Земли. [18]
Оба передатчика были закрыты в 2004 году. [8] [19] Официальное объяснение ВМС состояло в том, что достижения в области систем связи ОНЧ сделали их ненужными. [8]
Российский флот использует передающую установку ELF, названную ZEVS («Зевс»), для связи со своими подводными лодками, расположенную в 30 км к юго-востоку от Мурманска на Кольском полуострове на севере России. [9] [10] Сигналы с нее были обнаружены в 1990-х годах в Стэнфордском университете и в других местах. [10] [14] Обычно она работает на частоте 82 Гц, используя модуляцию MSK (минимальная манипуляция). [10] хотя, как сообщается, она может охватывать диапазон частот от 20 до 250 Гц. [9] [14] Как сообщается, она состоит из двух параллельных наземных дипольных антенн длиной 60 км, приводимых в действие токами 200–300 ампер . [10] [14] Расчеты перехваченных сигналов показывают, что она на 10 дБ мощнее передатчиков США. [14] В отличие от них она используется для геофизических исследований в дополнение к военной связи. [9] [10]
ВМС Индии имеют действующее средство связи ELF на военно-морской базе INS Kattabomman в Тамил Наду для связи с подводными лодками классов Arihant и Akula . [11] [12]
Полная мощность, излучаемая наземным диполем, равна [5]
где f — частота, I — среднеквадратичное значение тока в контуре, L — длина линии передачи, c — скорость света , h — высота слоя D ионосферы над землей, а σ — проводимость земли .
Излучаемая мощность электрически малой рамочной антенны обычно масштабируется пропорционально четвертой степени частоты, но на частотах СНЧ влияние ионосферы приводит к менее значительному снижению мощности, пропорциональному квадрату частоты.
Для приема сигналов ELF не нужны наземные диполи, хотя некоторые радиолюбители используют для этой цели небольшие. Вместо этого для приема использовались различные рамочные и ферритовые антенны .
Требования к приемным антеннам на частотах ELF гораздо менее строгие, чем к передающим антеннам: [b] В приемниках ELF шум в сигнале доминирует из-за большого атмосферного шума в диапазоне. Даже слабый сигнал, принимаемый небольшой неэффективной приемной антенной, содержит шум, который значительно превышает небольшое количество шума, генерируемого в самом приемнике. [c] Поскольку внешний шум ограничивает прием, требуется очень малая мощность антенны, чтобы перехваченный сигнал подавил внутренний шум, и, следовательно, можно использовать малые приемные антенны без каких-либо недостатков.
