Наземный диполь

редактировать

Передатчик ВМС США в Клэм-Лейк, Висконсин ELF, 1982 год. Разделы права проезда для линий электропередач, которые составляют две скрещенные наземные дипольные антенны, можно увидеть проходящими через лес в нижнем левом углу.

В радиосвязи, наземный диполь, также называемый земной дипольной антенной, линейной антенной и в технической литературе как горизонтальный электрический диполь (HED), представляет собой огромный специализированный тип радио антенны, которая излучает электромагнитные волны крайне низкой частоты (ELF) . Это единственный тип передающей антенны, которая может излучать практическое количество энергии в диапазоне частот от 3 Гц до 3 кГц, обычно называемых волнами СНЧ. Наземный диполь состоит из двух заземляющих электродов. закопаны в землю, разделены от десятков до сотен километров и связаны воздушными линиями электропередачи с расположенной между ними электростанцией передатчиком. Переменный ток электричество течет в гигантской петле между электродами через землю, излучающие волны СНЧ, поэтому земля является частью антенны. Для максимальной эффективности наземные диполи должны располагаться над определенными типами подземных горных пород. Идея была предложена физиком Министерства обороны США Николасом Кристофилосом в 1959 году.

Хотя небольшие наземные диполи в течение многих лет использовались в качестве датчиков в геологических и геофизических исследованиях, их использовали только в качестве антенн. Побывал в нескольких военных передатчиках СНЧ для связи с подводными лодками . Известно, что помимо небольших исследовательских и экспериментальных антенн были построены четыре полномасштабные наземные дипольные установки; два ВМС США в Республике, Мичиган и Клэм-Лейк, Висконсин, один ВМС России на Кольском полуострове около Мурманска, Россия. и один в Индии на военно-морской базе INS Kattabomman. Объекты в США использовались с 1985 по 2004 год, но в настоящее время выведены из эксплуатации.

Содержание

  • 1 Антенны на частотах СНЧ
  • 2 История
  • 3 Как работает наземный диполь
  • 4 Антенны ВМС США СНЧ
  • 5 Антенны ЗЭВС ВМФ России
  • 6 Антенны ВМС Индии
  • 7 Излучаемая мощность
  • 8 Приемные антенны
  • 9 См. Также
  • 10 Сноски
  • 11 Ссылки

Антенны на КНЧ-частотах

Хотя официальное определение ITU 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 100000 км до 100 км. используется для связи в формате ELF и обычно называется волнами ELF. Частота, используемая в американских и российских передатчиках, около 80 Гц, генерирует волны длиной 3750 км (2300 миль), что составляет примерно четверть диаметра Земли. КНЧ-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. Полуволновой диполь на 80 Гц будет иметь длину 1162 мили. Таким образом, даже самые большие практические антенны для частот СНЧ очень электрически короткие, намного меньше длины волны излучаемых ими волн. Недостатком этого является то, что эффективность антенны падает по мере уменьшения ее размера ниже длины волны. Сопротивление излучения антенны и количество излучаемой ею мощности пропорциональны (⁄ λ) ², где L - ее длина, а λ - длина волны. Таким образом, даже физически большие антенны СНЧ имеют очень маленькое сопротивление излучения и поэтому излучают лишь крошечную часть входной мощности в виде волн СНЧ; большая часть приложенной к ним мощности рассеивается в виде тепла на различных омических сопротивлениях в антенне. Антенны СНЧ должны иметь длину от десятков до сотен километров и должны приводиться в действие мощными передатчиками в диапазоне мегаватт, чтобы производить даже несколько ватт излучения СНЧ. К счастью, затухание СНЧ-волн с расстоянием настолько низкое (1-2 дБ на 1000 км), что нескольких ватт излучаемой мощности достаточно для связи по всему миру.

Возникает вторая проблема. от требуемой поляризации волн. Волны СНЧ распространяются только на большие расстояния в вертикальной поляризации, при этом направление линий магнитного поля горизонтально, а линий электрического поля вертикально. Вертикально ориентированные антенны необходимы для генерации волн с вертикальной поляризацией. Даже если бы на поверхности Земли можно было построить достаточно большие обычные антенны, они бы генерировали горизонтально поляризованные, а не вертикально поляризованные волны.

История

Подводные лодки, когда они находятся под водой, защищены морской водой от всех обычных радиосигналов и поэтому отрезаны от связи с военным командованием. VLF Радиоволны 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 СНЧ-волны могут проникать глубже в морскую воду, на нормальные рабочие глубины подводных лодок, привело американского физика Николаса Кристофилоса к предположению, что ВМС США используют их для связи с подводными лодками. Военные США исследовали множество различных типов антенн для использования на частотах СНЧ. Кристофилос предложил подавать токи на Землю для создания вертикальной рамочной антенны, и стало ясно, что это наиболее практичная конструкция. Осуществимость идеи наземного диполя была проверена в 1962 году на арендованной линии электропередачи длиной 42 км в Вайоминг, а в 1963 году - на прототипе проводной антенны на 176 км, простирающейся от Западной Вирджинии до Северная Каролина.

Как работает наземный диполь

Наземная дипольная антенна, похожая на американские антенны Clam Lake, показывает, как она работает. переменный ток, I, для наглядности показан протекающим только в одном направлении через контур.

Наземный диполь функционирует как огромная вертикально ориентированная рамочная антенна (см. Рисунок справа). Он состоит из двух широко разнесенных электродов (G), закопанных 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 несколько километров в глубину коренных пород от одного заземляющего электрода к другому и обратно через другую линию передачи. Это создает переменное магнитное поле (H) через петлю, которая излучает волны СНЧ. Из-за своей низкой частоты КНЧ-волны имеют большую глубину скин-слоя и могут проходить через землю на значительное расстояние, поэтому не имеет значения, что половина антенны находится под землей. Ось создаваемого магнитного поля горизонтальна, поэтому оно генерирует волны с вертикальной поляризацией. диаграмма направленности антенны является направленной, дипольной диаграммой направленности, с двумя лепестками (максимумами) в плоскости петли на концах линий передачи. В установках в США используются два заземляющих диполя, ориентированных перпендикулярно друг другу, чтобы луч можно было направлять в любом направлении путем изменения относительной фазы токов в антеннах.

Количество мощности, излучаемой рамочной антенной, пропорционально (IA), где I - переменный ток в контуре, а A - замкнутая площадь. Чтобы излучать практическую мощность на частотах СНЧ, контур должен переносят ток в сотни ампер и охватывают территорию площадью не менее нескольких квадратных миль. Христофилос обнаружил, что чем ниже электрическая проводимость подстилающей породы, тем глубже будет проходить ток и тем больше будет эффективная площадь петли. Радиочастотный ток будет проникать в землю на глубину, равную глубине скин-слоя земли на этой частоте, которая обратно пропорциональна квадратному корню из проводимости земли σ. Наземный диполь образует петлю с эффективной площадью A = 1 / √2 L δ, где L - общая длина линий передачи, а δ - глубина скин-слоя. Таким образом, заземляющие диполи располагаются над подземными горными образованиями с низкой проводимостью (это контрастирует с обычными радиоантеннами, которым требуется хорошая проводимость земли для подключения их передатчиков с низким сопротивлением заземление ). Две антенны ВМС США были расположены на Верхнем полуострове Мичиган, на формации Канадский щит (Лаврентьевский щит), которая имеет необычно низкую проводимость 2 × 10 сименс / метр. что приводит к увеличению эффективности антенны на 20 дБ. Электропроводность земли в месте расположения российского передатчика еще ниже.

Из-за отсутствия гражданских применений, в технической литературе по антеннам имеется мало информации о наземных диполях.

США Антенны Navy ELF

Карта, показывающая расположение передатчиков ELF ВМС США. Красными линиями показаны пути наземных дипольных антенн. На установке в Клэм-Лейк (слева) было два пересеченных земных диполя длиной 14 миль (23 км). В республике было два 14-мильных диполя, ориентированных с востока на запад, и один 28-мильный диполь, ориентированный с севера на юг. Различные формы диполей были продиктованы наличием земли и не указывали на разницу в конструкции.

После первоначального рассмотрения нескольких более крупных систем (Project Sanguine ) ВМС США построили два передатчика СНЧ, один в Клэм-Лейк, Висконсин, а другой в Репаблик, Мичиган, на расстоянии 145 миль друг от друга, передача с частотой 76 Гц. Они могут работать независимо или с синхронизацией по фазе как одна антенна для большей выходной мощности. Площадка в Клэм-Лейк, первая испытательная установка, передала свой первый сигнал в 1982 году и начала работу в 1985 году, в то время как республиканская площадка была введена в эксплуатацию в 1989 году. При входной мощности 2,6 мегаватт общая излучаемая выходная мощность СНЧ обоих станций, работающих вместе было 8 Вт. Однако из-за низкого затухания КНЧ-волн эта крошечная излучаемая мощность была способна общаться с подводными лодками примерно на половине поверхности Земли.

Оба передатчика были отключены в 2004 году. Официальное объяснение ВМФ заключалось в том, что прогресс в Системы связи УНЧ сделали их ненужными.

Антенны ЗЭВС ВМФ России

ВМФ России эксплуатирует передающее устройство СНЧ, названное ЗЕВС («Зевс»), для связи со своими подводные лодки, расположенные в 30 км к юго-востоку от Мурманск на Кольском полуострове на севере России. Сигналы от него были обнаружены в 1990-х годах в Стэнфордском университете и в других местах. Обычно он работает на частоте 82 Гц, используя модуляцию MSK (минимальная манипуляция). хотя, как сообщается, он может охватывать частотный диапазон от 20 до 250 Гц. Сообщается, что он состоит из двух параллельных наземных дипольных антенн длиной 60 км, работающих на токах 200–300 ампер. Расчеты по перехваченным сигналам показывают, что он на 10 дБ мощнее американских передатчиков. В отличие от них, он используется для геофизических исследований в дополнение к военной связи.

Антенны ВМС Индии

У ВМС Индии есть действующий объект связи ELF в ИНС Каттабомман военно-морская база в Тамил Наду для связи с подводными лодками класса Arihant и класса Akula.

Излучаемая энергия

Полная мощность, излучаемая наземным диполем, равна

P = π 2 f 2 I 2 L 2 2 c 2 h σ {\ displaystyle P = {\ frac {\ pi ^ {2} f ^ {2 } I ^ {2} L ^ {2}} {2c ^ {2} h \ sigma}} \,}P = {\ frac {\ pi ^ {2} f ^ {2} I ^ {2} L ^ {2}} {2c ^ {2} h \ sigma}} \,

где f - частота, I - среднеквадратичный ток в контуре, L - длина линия передачи, c - скорость света, h - высота над землей слоя D ионосферы, а σ - проводимость земли .

Излучаемая мощность электрически малой рамочной антенны обычно масштабируется с четвертой степенью частоты, но на частотах СНЧ влияние ионосферы приводит к менее серьезному снижению мощности, пропорциональному квадрату частоты.

Приемные антенны

Наземные диполи не нужны для приема сигналов СНЧ, хотя некоторые радиолюбители используют для этой цели небольшие. Вместо этого для приема использовались различные рамочные и ферритовые спиральные антенны.

Требования к приемным антеннам на частотах СНЧ намного менее жесткие, чем к передающим антеннам: в приемниках СНЧ шум в сигнале преобладает над сильным атмосферным шумом в диапазоне. Даже крошечный сигнал, улавливаемый маленькой неэффективной приемной антенной, содержит шум, который намного превышает небольшой шум, генерируемый в самом приемнике. Поскольку внешний шум является тем, что ограничивает прием, для перехваченного сигнала требуется очень небольшая мощность от антенны, чтобы подавить внутренний шум, и, следовательно, небольшие приемные антенны могут использоваться без каких-либо недостатков.

См. Также

Сноски

Ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-22 11:25:47
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте