Земляной диполь
В радиосвязи используется наземный диполь . [1] также называется земной дипольной антенной , антенной линии передачи , [1] и в технической литературе как горизонтальный электрический диполь ( ГЭД ), [1] [2] [3] представляет собой огромную специализированную радиоантенну , излучающую чрезвычайно низкой частоты (ELF) электромагнитные волны . [4] [5] Это единственный тип передающей антенны, который может излучать практическое количество энергии в диапазоне частот от 3 Гц до 3 кГц, обычно называемое СНЧ-волнами. [5] Заземляющий диполь состоит из двух заземлителей электростанции, , заглубленных в землю, разделенных десятками и сотнями километров, связанных воздушными линиями электропередачи с передатчиком расположенным между ними. [1] [5] Электричество переменного тока течет по гигантской петле между электродами через землю, излучая СНЧ-волны, поэтому земля является частью антенны. Для достижения максимальной эффективности наземные диполи должны располагаться над определенными типами подземных горных пород. [5] Идея была предложена физиком Министерства обороны США Николасом Христофилосом в 1959 году. [5]
Хотя небольшие наземные диполи в течение многих лет использовались в качестве датчиков в геологических и геофизических исследованиях, их единственное применение в качестве антенн было в нескольких военных передатчиках ELF для связи с затопленными подводными лодками . Помимо небольших исследовательских и экспериментальных антенн, [5] [6] Известно, что построены четыре полномасштабные наземные дипольные установки; два ВМС США в Республике, штат Мичиган , и в Клэм-Лейке, штат Висконсин , [2] [7] [8] один ВМФ России на Кольском полуострове недалеко от Мурманска , Россия, [8] [9] [10] и один в Индии на военно-морской базе INS Каттабомман . [11] [12] Американские объекты использовались в период с 1985 по 2004 год, но сейчас выведены из эксплуатации. [8]
Антенны на СНЧ частотах
[ редактировать ]Хотя официальное МСЭ определение чрезвычайно 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 ELF-волнами. [13] Частота, используемая в передатчиках США и России, около 80 Гц, [1] [14] генерирует волны длиной 3750 км (2300 миль), [а] [15] примерно четверть диаметра Земли. СНЧ-волны 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. для Полуволновой диполь частоты 80 Гц будет иметь длину 1162 мили. Таким образом, даже самые большие практические антенны для СНЧ-частот очень электрически коротки , намного меньше длины волны, которую они излучают. [1] Недостатком этого является то, что эффективность антенны падает, поскольку ее размер уменьшается ниже длины волны. [1] антенны Сопротивление излучения и количество излучаемой ею мощности пропорциональны ( L ⁄ λ )² , где L — его длина, а λ — длина волны. Таким образом, даже физически большие СНЧ-антенны имеют очень малое сопротивление излучению и поэтому излучают лишь небольшую часть входной мощности в виде СНЧ-волн; большая часть подаваемой на них мощности рассеивается в виде тепла на различных омических сопротивлениях антенны. [5] антенны должны иметь длину от десятков до сотен километров и должны приводиться в действие мощными передатчиками мегаваттного ELF - диапазона, чтобы производить даже несколько ватт ELF-излучения. К счастью, затухание СНЧ-волн с расстоянием настолько невелико (1–2 дБ на 1000 км). [5] что нескольких ватт излучаемой мощности достаточно для связи по всему миру. [2]
Вторая проблема связана с необходимой поляризацией волн. СНЧ-волны распространяются на большие расстояния только при вертикальной поляризации , с горизонтальным направлением линий магнитного поля и вертикальным направлением линий электрического поля . [1] Вертикально ориентированные антенны необходимы для генерации вертикально поляризованных волн. Даже если бы на поверхности Земли можно было построить достаточно большие обычные антенны, они будут генерировать волны с горизонтальной, а не с вертикальной поляризацией.
История
[ редактировать ]Подводные лодки в подводном положении защищены морской водой от всех обычных радиосигналов и, следовательно, отрезаны от связи с органами военного командования. Радиоволны ОНЧ могут проникать в морскую воду на глубину 50–75 футов 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 СНЧ-волны могут проникать глубже в морскую воду, до нормальной глубины эксплуатации подводных лодок, побудило американского физика Николаса Христофилоса предложить ВМС США использовать их для связи с подводными лодками. [7] [15] Военные США исследовали множество различных типов антенн для использования на частотах ELF. Кристофилос предложил подать на Землю токи для создания вертикальной рамочной антенны, и стало ясно, что это наиболее практичная конструкция. [1] [15] Осуществимость идеи наземного диполя была проверена в 1962 году на арендованной линии электропередачи длиной 42 км в Вайоминге , а в 1963 году - на прототипе проволочной антенны длиной 176 км, простирающейся от Западной Вирджинии до Северной Каролины . [5] [15]
Как работает заземленный диполь
[ редактировать ]
Наземный диполь действует как огромная вертикально ориентированная рамочная антенна. [5] [16] ( см. рисунок справа ). Он состоит из двух широко разнесенных электродов ( G ), закопанных в землю и соединенных воздушными кабелями передачи с передатчиком ( P ), расположенным между ними. Переменный ток от передатчика ( I ) проходит по петле через одну линию передачи на несколько километров вглубь скальной породы от одного заземляющего электрода к другому и обратно по другой линии передачи. Это создает переменное магнитное поле ( H ) в петле, которое излучает волны ELF. Из-за своей низкой частоты волны ELF имеют большую глубину скин-слоя и могут проникать через землю на значительные расстояния, поэтому не имеет значения, что половина антенны находится под землей. Ось создаваемого магнитного поля горизонтальна, поэтому оно генерирует волны вертикальной поляризации. Диаграмма направленности антенны направленная, дипольная , с двумя лепестками (максимумами) в плоскости петли, вне концов линий передачи. [3] [5] В установках в США используются два наземных диполя, ориентированных перпендикулярно друг другу, что позволяет направлять луч в любом направлении путем изменения относительной фазы токов в антеннах.
Величина мощности, излучаемой рамочной антенной, пропорциональна ( IA ) 2 , где I — переменный ток в контуре, а A — замкнутая площадь, [5] Чтобы излучать реальную мощность на частотах ELF, контур должен пропускать ток в сотни ампер и охватывать площадь как минимум в несколько квадратных миль. [5] Христофилос обнаружил, что чем ниже электропроводность подстилающей породы, тем глубже будет проходить ток и тем больше эффективная площадь петли. [2] [5] Радиочастотный ток проникнет в землю на глубину, равную толщине слоя земли на этой частоте, которая обратно пропорциональна квадратному корню из проводимости земли σ . Заземляющий диполь образует петлю с эффективной площадью A = 1 / √ 2 L δ , где L — общая длина линий передачи, а δ — толщина скин-слоя. [5] [14] Таким образом, наземные диполи располагаются над подземными горными породами с низкой проводимостью (это контрастирует с обычными радиоантеннами, которым требуется хорошая проводимость земли для заземления с низким сопротивлением для их передатчиков). Две антенны ВМС США были расположены на Верхнем полуострове Мичигана, на территории Канадского щита (Щит Лаврентия). [2] [17] который 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.
Антенны ELF ВМС США
[ редактировать ]
После первоначального рассмотрения нескольких более крупных систем ( проект «Сангвин ») ВМС США построили две передатчики ELF, одну в Клэм-Лейк, штат Висконсин , а другую в Репаблике, штат Мичиган , на расстоянии 145 миль друг от друга, передавая на частоте 76 Гц. [2] [4] Они могли работать независимо или синхронизироваться по фазе как одна антенна для большей выходной мощности. [4] Объект Клэм-Лейк, первоначальный испытательный полигон, передал свой первый сигнал в 1982 году. [4] и начал работу в 1985 году, а республиканская площадка вступила в строй в 1989 году. При входной мощности 2,6 мегаватт общая выходная мощность излучения СНЧ обеих станций, работающих вместе, составила 8 ватт. [2] Однако из-за низкого затухания СНЧ-волн эта крошечная излучаемая мощность была способна связываться с подводными лодками примерно на половине поверхности Земли. [18]
Оба передатчика были остановлены в 2004 году. [8] [19] Официальное объяснение ВМФ заключалось в том, что развитие систем связи VLF сделало их ненужными. [8]
Russian Navy ZEVS antennas
[ редактировать ]В ВМФ России имеется передатчик ELF под названием ЗЕВС («Зевс») для связи со своими подводными лодками, расположенный в 30 км к юго-востоку от Мурманска на Кольском полуострове на севере России. [9] [10] Сигналы от него были обнаружены в 1990-х годах в Стэнфордском университете и других местах. [10] [14] Обычно он работает на частоте 82 Гц с использованием модуляции MSK (минимальная манипуляция). [10] хотя, как сообщается, он может охватывать диапазон частот от 20 до 250 Гц. [9] [14] Сообщается, что он состоит из двух параллельных наземных дипольных антенн длиной 60 км, питаемых током 200–300 ампер . [10] [14] Расчеты по перехваченным сигналам показывают, что он на 10 дБ мощнее, чем передатчики США. [14] В отличие от них, помимо военной связи, он используется для геофизических исследований. [9] [10]
Антенны ВМС Индии
[ редактировать ]ВМС Индии имеют действующую систему связи ELF на INS Каттабомман военно-морской базе в Тамилнаде для связи со своими подводными лодками классов «Арихант» и «Акула» . [11] [12]
Излучаемая мощность
[ редактировать ]Полная мощность, излучаемая наземным диполем, равна [5]
где f — частота, I — среднеквадратичный ток в контуре, L — длина линии передачи, c — скорость света , h — высота над землей ионосферы слоя D , а σ — земля. проводимость .
Излучаемая мощность электрически малой рамочной антенны обычно масштабируется в четвертой степени частоты, но на частотах СНЧ влияние ионосферы приводит к менее сильному снижению мощности, пропорциональному квадрату частоты.
Приемные антенны
[ редактировать ]Для приема сигналов СНЧ наземные диполи не нужны, хотя некоторые радиолюбители используют для этой цели небольшие диполи. различные рамочные и ферритовые антенны Вместо этого для приема использовались .
Требования к приемным антеннам на частотах СНЧ гораздо менее строгие, чем к передающим: [б] В ELF- приемниках в шуме сигнала преобладает сильный атмосферный шум в полосе частот. Даже крошечный сигнал, улавливаемый маленькой неэффективной приемной антенной, содержит шум, который значительно превышает небольшой уровень шума, генерируемого в самом приемнике. [с] Поскольку внешний шум ограничивает прием, перехваченному сигналу требуется очень небольшая мощность антенны, чтобы подавить внутренний шум, и, следовательно, небольшие приемные антенны можно использовать без каких-либо недостатков.
См. также
[ редактировать ]Сноски
[ редактировать ]- ^ λ = c / f = 3×10 8 м/с / 80 Гц = 3750 км
- ^ Отношение сигнал/шум (SNR) является ограничивающим фактором для любого радиоприема, а ограничивающий шум исходит как снаружи приемника, так и изнутри собственной схемы приемника. Ограничение, которое это накладывает на приемные антенны, заключается в том, что они должны перехватывать достаточно сильный сигнал, чтобы выделиться на фоне внешнего и внутреннего фонового шума.
- ^ Атмосферный шум преобладает на всех частотах ниже 1500 кГц.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж Барр, Р.; Джонс, Д. Лланвин; Роджер, CJ (14 июня 2000 г.). «Радиоволны ELF и VLF» (PDF) . Журнал атмосферной и солнечно-земной физики . 62 (17–18). Пергам: 1689–1718 гг. Бибкод : 2000JASTP..62.1689B . дои : 10.1016/s1364-6826(00)00121-8 . Архивировано из оригинала (PDF) 5 апреля 2014 года . Проверено 21 мая 2012 г. "страница 1692 доступна на сайте VLF Group" . Группа ВЛФ. Пало-Альто, Калифорния: Стэнфордский университет.
- ^ Перейти обратно: а б с Волкофф, Е.А.; Краймер, Вашингтон (28 сентября - 2 октября 1992 г.). «Таблица измерений СНЧ-антенн ВМС США» (PDF) . Распространение радиосигналов ELF/VLF/LF и системные аспекты . Конференция АГАРД. Бельгия: НАТО (опубликовано в мае 1993 г.). С. 26.1–26.10. Архивировано (PDF) из оригинала 5 апреля 2014 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д Альтгельт, Карлос. «Крупнейшая в мире «радиостанция»» . Рабочий стол вещателя . Барри Мишкинд, сайт OldRadio.com . Проверено 17 февраля 2012 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п д Джонс, Дэвид Лланвин (4 июля 1985 г.). «Передача сигналов подводным лодкам» . Новый учёный . Том. 26, нет. 1463. Лондон, Великобритания: Издательская группа Холборн. стр. 37–41.
- ^ Гинзберг, Лоуренс Х. (апрель 1974 г.). «Измерения распространения чрезвычайно низких частот (ELF) на трассе длиной 4900 км» (PDF) . Транзакции IEEE по коммуникациям . КОМ-22 (4). ИИЭР: 452–457. дои : 10.1109/tcom.1974.1092218 .
- ^ Перейти обратно: а б Коу, Льюис (2006). Беспроводное радио: краткая история . МакФарланд. стр. 143–144. ISBN 0786426624 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и Стерлинг, Кристофер Х. (2008). Военная связь: с древнейших времен до XXI века . АВС-КЛИО. стр. 431–432. ISBN 978-1851097326 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Башкуев Ю.Б.; Хаптанов В.Б.; Ханхараев А.В. (декабрь 2003 г.). «Анализ условий распространения СНЧ-радиоволн на трассе «Зевс» – Забайкалье». Радиофизика и квантовая электроника . 46 (12). Пленум: 909–917. Бибкод : 2003R&QE...46..909B . дои : 10.1023/B:RAQE.0000029585.02723.11 . S2CID 119798336 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Якобсен, Тронд (2001). «ЗЕВС, российский СНЧ-передатчик 82 Гц» . Радиоволны ниже 22 кГц . Ренато Ромеро.
- ^ Перейти обратно: а б Харди, Джеймс (28 февраля 2013 г.). «Индия добивается успехов в строительстве объекта ELF» . Информационная группа Джейн, Еженедельник защиты Джейн IHS. Архивировано из оригинала 23 февраля 2014 года.
- ^ Перейти обратно: а б «Военно-морской флот получил новое средство связи с атомными подводными лодками, бродящими под водой» . Таймс оф Индия . 31 июля 2014 г.
- ^ Лимон, Майкл В.; Чан, А.А. (16 октября 2007 г.). «Раскрытие причин усиления радиационного пояса» (PDF) . Эос . 88 (42). Американский геофизический союз: 427–440. Бибкод : 2007EOSTr..88..425L . дои : 10.1029/2007EO420001 . hdl : 2027.42/94606 . Архивировано из оригинала (PDF) 27 мая 2010 года. Переиздано НАСА и доступно в Интернете.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г Фрейзер-Смит, Энтони К.; Баннистер, Питер Р. (1998). «Прием сигналов ELF на противоположных расстояниях» (PDF) . Радионаука . 33 (1). Американский геофизический союз: 83–88. Бибкод : 1998RaSc...33...83F . дои : 10.1029/97RS01948 . S2CID 15723784 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Салливан, Уолтер (13 октября 1981 г.). «Как огромная антенна может транслировать в морскую тишину» . The New York Times (изд. США). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк.
- ^ Сукер, Кейт Х. (2005). Проектирование силовой электроники: Руководство для практикующих . Эльзевир. стр. 221–222. ISBN 0750679271 .
- ^ Хеппенхаймер, Т. А. (апрель 1987 г.). «Сигнальные сабвуферы» . Популярная наука . Том. 230, нет. 4. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Журналы Times Mirror. стр. 44–48.
- ^ Блэр, Брюс Г. (1985). Стратегическое командование и контроль: новое определение ядерной угрозы . Издательство Брукингского института. стр. 269–270. ISBN 0815709811 .
- ^ Коэн-Джоппа, Феличе (15 октября 2004 г.). «Проект ELF закрывается» . Ядерный резистор . Феличе и Джек Коэн-Джоппа.