Dipol uziemienia - Ground dipole
W komunikacji radiowej , w dipol gruntu , określany również jako masa anteny dipolowej , anteny linii transmisyjnej , w literaturze technicznej, jako poziomym dipolem elektrycznym (HED) jest ogromny, wyspecjalizowanej radiowej anteny promieniuje bardzo niskiej częstotliwości (ELF ) fale elektromagnetyczne . Jest to jedyny rodzaj anteny nadawczej, który może emitować praktyczne ilości mocy w zakresie częstotliwości od 3 Hz do 3 kHz, potocznie zwanych falami ELF. Dipol uziemienia składa się z dwóch elektrod uziemiających zakopanych w ziemi, oddzielonych od siebie na dziesiątki do setek kilometrów, połączonych napowietrznymi liniami przesyłowymi z umieszczonym między nimi nadajnikiem elektrowni . Prąd przemienny Elektryczność przepływa w gigantycznej pętli między elektrodami przez ziemię, promieniując falami ELF, więc ziemia jest częścią anteny. Aby były najskuteczniejsze, dipole naziemne muszą znajdować się nad pewnymi rodzajami podziemnych formacji skalnych. Pomysł został zaproponowany przez fizyka z Departamentu Obrony USA Nicholasa Christofilosa w 1959 roku.
Chociaż małe dipole naziemne są używane od lat jako czujniki w badaniach geologicznych i geofizycznych, ich jedynym zastosowaniem jako anten było kilka wojskowych nadajników ELF do komunikacji z zanurzonymi okrętami podwodnymi . Oprócz małych anten badawczych i eksperymentalnych, wiadomo, że zbudowano cztery pełnowymiarowe instalacje dipolowe naziemne; dwa przez US Navy w Republice, Michigan i Clam Lake, Wisconsin , jeden przez Rosyjską Marynarkę Wojenną na półwyspie Kola w pobliżu Murmańska w Rosji i jeden w Indiach w bazie morskiej INS Kattabomman . Obiekty amerykańskie były używane w latach 1985-2004, ale obecnie są zlikwidowane.
Anteny na częstotliwościach ELF
Chociaż oficjalna definicja ekstremalnie niskich częstotliwości ITU to 3 Hz do 30 Hz, szersze pasmo częstotliwości od 3 Hz do 3 kHz z odpowiednimi długościami fal od 100 000 km do 100 km. jest używany do komunikacji ELF i jest powszechnie nazywany falami ELF. Częstotliwość używana w amerykańskich i rosyjskich nadajnikach, około 80 Hz, generuje fale o długości 3750 km (2300 mil), około jednej czwartej średnicy Ziemi. Fale ELF zostały wykorzystane w bardzo niewielu sztucznych systemach komunikacyjnych z powodu trudności w budowie wydajnych anten dla tak długich fal. Zwykłe typy anten ( dipole półfalowe i monopole ćwierćfalowe ) nie mogą być zbudowane dla tak ekstremalnie długich fal ze względu na ich wielkość. Dipol półokresowego 80 Hz będzie 1162 mil. Tak więc nawet największe praktyczne anteny dla częstotliwości ELF są bardzo krótkie pod względem elektrycznym , znacznie mniejsze niż długość fali, którą emitują. Wadą tego jest to, że wydajność anteny spada, gdy jej rozmiar zmniejsza się poniżej długości fali. Rezystancja anteny na promieniowanie i ilość mocy, którą ona emituje, jest proporcjonalna do ( L ⁄ λ )², gdzie L to jej długość, a λ to długość fali. Tak więc nawet fizycznie duże anteny ELF mają bardzo małą odporność na promieniowanie, a więc emitują tylko niewielki ułamek mocy wejściowej jako fale ELF; większość energii stosowanej do nich jest rozpraszana w postaci ciepła w różnych rezystancyjne opory w antenie. Anteny ELF muszą mieć długość od dziesiątek do setek kilometrów i muszą być napędzane potężnymi nadajnikami w zakresie megawatów , aby wytworzyć nawet kilka watów promieniowania ELF. Na szczęście tłumienie fal ELF wraz z odległością jest tak niskie (1–2 dB na 1000 km), że wystarczy kilka watów mocy promieniowanej do komunikacji na całym świecie.
Drugi problem wynika z wymaganej polaryzacji fal. Fale ELF rozchodzą się tylko na duże odległości w polaryzacji pionowej , przy czym kierunek linii pola magnetycznego jest poziomy, a linie pola elektrycznego pionowe. Anteny zorientowane pionowo są wymagane do generowania fal o polaryzacji pionowej. Nawet gdyby na powierzchni Ziemi można było zbudować wystarczająco duże konwencjonalne anteny, to generowałyby one fale o polaryzacji poziomej, a nie pionowej.
Historia
Okręty podwodne w zanurzeniu są osłonięte wodą morską przed wszystkimi zwykłymi sygnałami radiowymi, a zatem są odcięte od komunikacji z wojskowymi władzami dowodzenia. Fale radiowe VLF mogą przenikać do wody morskiej na głębokości od 50 do 75 stóp i były używane od czasów II wojny światowej do komunikacji z okrętami podwodnymi, ale łódź podwodna musi wznosić się blisko powierzchni, co czyni ją podatną na wykrycie. W 1958 r. uświadomienie sobie, że fale ELF mogą wnikać głębiej w wodę morską, na normalne głębokości operacyjne okrętów podwodnych, skłoniło amerykańskiego fizyka Nicholasa Christofilosa do zasugerowania, aby US Navy używała ich do komunikacji z okrętami podwodnymi. Wojsko USA zbadało wiele różnych typów anten do użytku na częstotliwościach ELF. Cristofilos zaproponował przyłożenie prądów do Ziemi w celu stworzenia anteny z pętlą pionową i stało się jasne, że był to najbardziej praktyczny projekt. Wykonalność idei dipola uziemienia przetestowano w 1962 roku na 42-kilometrowej dzierżawionej linii energetycznej w Wyoming , aw 1963 na prototypowej antenie drutowej o długości 176 km rozciągającej się od Zachodniej Wirginii do Północnej Karoliny .
Jak działa dipol uziemienia
Dipol uziemienia działa jak ogromna, pionowo zorientowana antena pętlowa ( patrz rysunek po prawej ). Składa się z dwóch szeroko odseparowanych elektrod ( G ) zakopanych w ziemi, połączonych napowietrznymi przewodami transmisyjnymi z nadajnikiem ( P ) znajdującym się między nimi. Prądu przemiennego z nadajnika ( I ) porusza się w pętli jednej linii przesyłowej kilometrów głąb skały macierzystej z jedną elektrodą naziemnej do drugiej i z powrotem za pomocą drugiej linii transmisyjnej. Powoduje to wytworzenie przez pętlę zmiennego pola magnetycznego ( H ) , które promieniuje falami ELF. Ze względu na niską częstotliwość fale ELF mają dużą głębokość skóry i mogą przenikać przez ziemię na znaczną odległość, więc nie ma znaczenia, że połowa anteny znajduje się pod ziemią. Oś wytwarzanego pola magnetycznego jest pozioma, więc generuje fale spolaryzowane pionowo. Charakterystyka promieniowania anteny jest kierunkowa, dipolowa , z dwoma płatami (maksimami) w płaszczyźnie pętli, poza końcami linii transmisyjnych. W instalacjach amerykańskich stosuje się dwa dipole uziemiające, ustawione prostopadle do siebie, aby umożliwić kierowanie wiązki w dowolnym kierunku poprzez zmianę względnej fazy prądów w antenach.
Ilość mocy wypromieniowanej przez antenę pętlową jest proporcjonalna do ( IA ) 2 , gdzie I jest prądem przemiennym w pętli, a A jest obszarem zamkniętym. Aby promieniować praktyczną moc na częstotliwościach ELF, pętla musi przenosić prąd o wartości setek amperów i otaczać obszar co najmniej kilku mil kwadratowych. Christofilos odkrył, że im niższe przewodnictwo elektryczne leżącej poniżej skały, tym głębiej popłynie prąd i tym większy będzie efektywny obszar pętli. Częstotliwość radiowa może przedostać się w ziemi na głębokości równej w głębi skóry ziemi na tej częstotliwości, która jest odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego przewodności ziemia Ď . Dipol uziemienia tworzy pętlę o efektywnej powierzchni A = 1/√ 2L δ , gdzie L to całkowita długość linii przesyłowych, a δ to głębokość skóry. W ten sposób dipole uziemienia są umieszczane nad podziemnymi formacjami skalnymi o niskiej przewodności (to kontrastuje ze zwykłymi antenami radiowymi, które wymagają dobrej przewodności uziemienia dla połączenia uziemiającego o niskiej rezystancjidla swoich nadajników). Dwie anteny US Navy znajdowały się na Górnym Półwyspie Michigan, wformacji Canadian Shield (Laurentian Shield), która ma niezwykle niską przewodność 2× 10-4 siemens/metr. co skutkuje wzrostem wydajności anteny o 20 dB. Przewodność ziemi w miejscu rosyjskiego nadajnika jest jeszcze niższa.
Ze względu na brak ich zastosowań cywilnych w literaturze technicznej anten dostępnych jest niewiele informacji na temat dipoli uziemienia.
Po początkowym rozważeniu kilku większych systemów ( Projekt Sanguine ), Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych zbudowała dwa obiekty nadawcze ELF, jeden w Clam Lake w stanie Wisconsin, a drugi w Republice w stanie Michigan , 145 mil od siebie, nadający z częstotliwością 76 Hz. Mogą działać niezależnie lub zsynchronizowane fazowo jako jedna antena dla większej mocy wyjściowej. Placówka Clam Lake, pierwsza placówka testowa, przesłała swój pierwszy sygnał w 1982 r. i rozpoczęła działalność w 1985 r., podczas gdy placówka w Republice została uruchomiona w 1989 r. Przy mocy wejściowej 2,6 megawata, całkowita moc wyjściowa promieniowania ELF obu placówek współpracujących ze sobą było 8 watów. Jednak ze względu na niskie tłumienie fal ELF ta niewielka moc promieniowania była w stanie komunikować się z okrętami podwodnymi na około połowie powierzchni Ziemi.
Oba nadajniki zostały wyłączone w 2004 roku. Oficjalne wyjaśnienie Marynarki Wojennej było takie, że postęp w systemach łączności VLF sprawił, że stały się niepotrzebne.
Rosyjska marynarka wojenna obsługuje nadajnik ELF o nazwie ZEVS („Zeus”), który komunikuje się ze swoimi okrętami podwodnymi, położony 30 km na południowy wschód od Murmańska na półwyspie Kolskim w północnej Rosji. Sygnały z niego wykryto w latach 90. na Uniwersytecie Stanforda i innych miejscach. Normalnie działa z częstotliwością 82 Hz, wykorzystując modulację MSK (minimalne kluczowanie z przesunięciem). chociaż podobno może obejmować zakres częstotliwości od 20-250 Hz. Podobno składa się z dwóch równoległych anten dipolowych o długości 60 km, zasilanych prądem o natężeniu 200–300 amperów . Obliczenia z przechwyconych sygnałów wskazują, że jest on o 10 dB mocniejszy niż nadajniki amerykańskie. W przeciwieństwie do nich jest używany do badań geofizycznych oprócz łączności wojskowej.
Indian Navy ma operacyjnej ELF centrum komunikacyjnego w INS Kattabomman bazy morskiej, w Tamil Nadu , do komunikowania się z jego Arihant klasy i klasy Akula łodzi podwodnych.
Moc promieniowana
Całkowita moc promieniowana przez dipol uziemienia wynosi
gdzie f to częstotliwość, I to wartość skuteczna prądu w pętli, L to długość linii transmisyjnej, c to prędkość światła , h to wysokość nad gruntem warstwy D jonosfery , a σ to grunt przewodnictwo .
Moc wypromieniowana elektrycznie małej anteny pętlowej zwykle skaluje się z czwartą potęgą częstotliwości, ale przy częstotliwościach ELF wpływ jonosfery powoduje mniej poważne zmniejszenie mocy proporcjonalne do kwadratu częstotliwości.
Anteny odbiorcze
Dipole masy nie są potrzebne do odbioru sygnałów ELF, chociaż niektórzy radioamatorzy używają do tego celu małych dipoli. Zamiast tego do odbioru zastosowano różne anteny pętlowe i ferrytowe .
Wymagania dotyczące anten odbiorczych na częstotliwościach ELF są znacznie mniej rygorystyczne niż anten nadawczych: W odbiornikach ELF szum w sygnale jest zdominowany przez duży szum atmosferyczny w paśmie. Nawet niewielki sygnał przechwycony przez małą, nieefektywną antenę odbiorczą zawiera szum, który znacznie przewyższa niewielką ilość szumu generowanego w samym odbiorniku. Ponieważ szum zewnętrzny ogranicza odbiór, bardzo mała moc anteny jest potrzebna, aby przechwycony sygnał przytłumił szum wewnętrzny, a zatem małe anteny odbiorcze mogą być używane bez żadnych wad.