VERY LOW FREQUENCY - ANTENAS VLF 2
INTRODUÇÃO
#PY5AAL ANGELO LEITHOLD VERY LOW FREQUENCY - VLF, ou Frequência muito baixa é a designação para radiofrequências (RF) na faixa de 3–30 kHz , correspondendo a comprimentos de onda de 100 a 10 km, respectivamente. A banda também é conhecida como banda miriamétrica, pois os comprimentos de onda variam de um a dez miriâmetros (uma unidade métrica obsoleta igual a 10 quilômetros). Devido à sua largura de banda limitada , a transmissão de áudio (voz) é altamente impraticável nesta banda e, portanto, apenas sinais codificados com baixa taxa de dados são usados. A banda VLF é usada para alguns serviços de radionavegação , estações de rádio de horário governamental (transmitindo sinais de horário para acertar relógios de rádio ) e para comunicação militar segura. Como as ondas VLF podem penetrar pelo menos 40 metros em água salgada, elas são usadas para comunicação militar com submarinos . Devido aos seus longos comprimentos de onda, as ondas de rádio VLF podem difratar em torno de grandes obstáculos e, portanto, não são bloqueadas por cadeias de montanhas, e podem se propagar como ondas terrestres seguindo a curvatura da Terra e, portanto, não são limitadas pelo horizonte. As ondas terrestres são absorvidas pela resistência da Terra e são menos importantes além de várias centenas a milhares de quilômetros, e o principal modo de propagação de longa distância é um mecanismo de guia de ondas da ionosfera da Terra . A Terra é cercada por uma camada condutora de elétrons e íons na atmosfera superior, na parte inferior da ionosfera , chamada camada D , a 60–90 km de altitude, que reflete ondas de rádio VLF. A ionosfera condutora e a Terra condutora formam um "duto" horizontal com alguns comprimentos de onda VLF de altura, que atua como um guia de ondas que confina as ondas para que não escapem para o espaço. As ondas viajam em zigue-zague ao redor da Terra, refletidas alternadamente pela Terra e pela ionosfera, no modo magnético transversal (TM). As ondas VLF têm atenuação de caminho muito baixa, 2–3 dB por 1.000 km, com pouco "desvanecimento " experimentado em frequências mais altas. Isso ocorre porque as ondas VLF são refletidas na parte inferior da ionosfera, enquanto os sinais de ondas curtas de frequência mais alta retornam à Terra a partir das camadas superiores da ionosfera, as camadas F1 e F2 , por um processo de refração, e passam a maior parte de sua jornada na ionosfera, portanto são muito mais afetados por gradientes de ionização e turbulência. Portanto, as transmissões VLF são muito estáveis e confiáveis, e são usadas para comunicação de longa distância de propagação de 5.000–20.000 km. No entanto, o ruído atmosférico (" esférico ") é alto na banda, incluindo fenômenos como " assobios ", causados por raios . As ondas VLF podem penetrar na água do mar a uma profundidade de pelo menos 10–40 metros, dependendo da frequência empregada e da salinidade da água, por isso são usadas para comunicação com submarinos e em certas frequências causam precipitação de elétrons .
#PY5AAL ANGELO LEITHOLD Uma grande desvantagem prática da banda VLF é que, devido ao comprimento das ondas, antenas ressonantes de tamanho real ( antenas dipolo de meia onda ou monopolo de quarto de onda ) não podem ser construídas devido à sua altura física. Assim, 14 Antenas verticais devem ser usadas porque as ondas VLF se propagam na polarização vertical, mas uma antena vertical de quarto de onda a 30 kHz (comprimento de onda de 10 km) teria 2,5 quilômetros de altura. Portanto, as antenas de transmissão práticas são eletricamente curtas, uma pequena fração do comprimento em que seriam auto-ressonantes. Devido à sua baixa resistência à radiação (geralmente menos de um ohm), eles são ineficientes, irradiando apenas 10% a 50% da potência do transmissor, no máximo, com o resto da potência foi dissipada nas resistências do sistema antena/terra. Transmissores de potência muito alta (~1 megawatt) são necessários para comunicação de longa distância, portanto a eficiência da antena é um fator importante.
#PY5AAL ANGELO LEITHOLD Antenas de transmissão VLF
#PY5AAL ANGELO LEITHOLD Estações de transmissão VLF de alta potência usam antenas monopolo com carga capacitiva . São antenas de fio muito grandes, com até vários quilômetros de comprimento. Consistem em uma série de mastros de aço , ligados na parte superior por uma rede de cabos, muitas vezes em forma de guarda-chuva ou varais. As próprias torres ou os fios verticais servem como radiadores monopolo, e os cabos horizontais formam uma carga superior capacitiva para aumentar a corrente nos fios verticais, aumentando a potência irradiada e a eficiência da antena. Estações de alta potência usam variações da antena guarda-chuva , como as antenas "delta" e " trideco ", ou antenas planas multifios (triáticas). Para transmissores de baixa potência, são usadas antenas L e T invertidas. Devido à baixa resistência à radiação, para minimizar a potência dissipada no solo, essas antenas requerem sistemas de aterramento de resistência extremamente baixa, consistindo em redes radiais de fios de cobre enterrados sob a antena. Para minimizar as perdas dielétricas no solo, os condutores de aterramento são enterrados superficialmente, apenas alguns centímetros no solo, e a superfície do solo próxima à antena às vezes é protegida por telas de aterramento de cobre. Sistemas de contrapeso também têm sido utilizados, consistindo em redes radiais de cabos de cobre sustentados vários metros acima do solo, sob a antena. Uma grande bobina de carga é necessária no ponto de alimentação da antena para cancelar a reatância capacitiva da antena e torná-la ressonante . Na VLF o design desta bobina deve ter baixa resistência na frequência de RF operacional, alto Q , deve suportar correntes muito altas e deve suportar a tensão extremamente alta na antena. Geralmente são enormes bobinas de núcleo de ar com 2 a 4 metros de altura enroladas em uma estrutura não condutora, com resistência de RF reduzida pelo uso de fio litz grosso com vários centímetros de diâmetro, consistindo de milhares de fios isolados de fio fino trançados juntos. A alta capacitância e indutância e a baixa resistência da combinação antena-bobina de carregamento fazem com que ela atue eletricamente como um circuito sintonizado com alto Q.
#PY5AAL ANGELO LEITHOLD As antenas VLF possuem largura de banda muito estreita e para alterar a frequência de transmissão é necessário um indutor variável ( variômetro ) para sintonizar a antena. As grandes antenas VLF usadas para transmissores de alta potência geralmente têm larguras de banda de apenas 50–100 hertz. O Q alto resulta em tensões muito altas (até 250 kV) na antena e é necessário um isolamento muito bom. Grandes antenas VLF geralmente operam no modo 'tensão limitada': a potência máxima do transmissor é limitada pela tensão que a antena pode aceitar sem quebra de ar , corona e arco da antena.
#PY5AAL ANGELO LEITHOLD Sintonia dinâmica de antena
#PY5AAL ANGELO LEITHOLD A largura de banda de grandes antenas VLF com carga capacitiva é tão estreita (50–100 Hz) que mesmo as pequenas mudanças de frequência da modulação FSK e MSK podem excedê-la, tirando a antena da ressonância , fazendo com que a antena reflita alguma energia de volta na linha de alimentação. . A solução tradicional é usar um “resistor de largura de banda” na antena que reduz o Q , aumentando a largura de banda; no entanto, isso também reduz a produção de energia. Uma alternativa recente usada em alguns transmissores VLF militares é um circuito que muda dinamicamente a frequência de ressonância da antena entre as duas frequências de saída com a modulação. Isso é conseguido com um reator saturável em série com a bobina de carga da antena . Este é um indutor de núcleo ferromagnético com um segundo enrolamento de controle através do qual flui uma corrente DC, que controla a indutância magnetizando o núcleo, alterando sua permeabilidade . O fluxo de dados de codificação é aplicado ao enrolamento de controle. Assim, quando a frequência do transmissor é deslocada entre as frequências '1' e '0', o reator saturável altera a indutância no circuito ressonante da antena para mudar a frequência ressonante da antena para seguir a frequência do transmissor.
#PY5AAL ANGELO LEITHOLD Devido à pequena largura de banda da banda, e à largura de banda extremamente estreita das antenas utilizadas, é inviável a transmissão de sinais de áudio ( radiotelefonia AM ou FM ). [9] Um sinal de rádio AM típico com largura de banda de 10 kHz ocuparia um terço da banda VLF. Mais significativamente, seria difícil transmitir a qualquer distância porque exigiria uma antena com 100 vezes a largura de banda das antenas VLF atuais, que devido ao limite de Chu-Harrington seria enorme em tamanho. Portanto, apenas dados de texto podem ser transmitidos, a baixas taxas de bits . Em redes militares, a modulação por chaveamento de frequência (FSK) é usada para transmitir dados de radioteletipo usando códigos de caracteres ITA2 de 5 bits ou ASCII de 8 bits . Uma pequena mudança de frequência de 30–50 hertz é usada devido à pequena largura de banda da antena.
#PY5AAL ANGELO LEITHOLD Em transmissores VLF de alta potência, para aumentar a taxa de dados permitida, é usada uma forma especial de FSK chamada codificação de deslocamento mínimo (MSK). Isto é necessário devido ao alto Q da antena. A enorme antena carregada capacitivamente e a bobina de carga formam um circuito sintonizado de alto Q , que armazena energia elétrica oscilante. O Q de grandes antenas VLF é normalmente superior a 200; isso significa que a antena armazena muito mais energia (200 vezes mais) do que é fornecida ou irradiada em qualquer ciclo único da corrente do transmissor. A energia é armazenada alternadamente como energia eletrostática na carga superior e no sistema de aterramento, e energia magnética nos fios verticais e na bobina de carga. As antenas VLF normalmente operam "limitadas por tensão", com a tensão na antena próxima ao limite que o isolamento suportará, portanto, não tolerarão qualquer mudança abrupta na tensão ou corrente do transmissor sem arco ou outros problemas de isolamento. Conforme descrito abaixo, o MSK é capaz de modular a onda transmitida em taxas de dados mais altas sem causar picos de tensão na antena. Os três tipos de modulação usados em transmissores VLF são:
#PY5AAL ANGELO LEITHOLD Onda Contínua (CW), Onda Contínua Interrompida (ICW) ou Chaveamento On-Off
#PY5AAL ANGELO LEITHOLD Transmissão radiotelegráfica em código Morse com portadora não modulada. A portadora é ligada e desligada, com a portadora ligada representando os "pontos" e "traços" do código Morse e a portadora desligada representando espaços. A forma mais simples e antiga de transmissão de dados por rádio, foi usada desde o início do século 20 até a década de 1960 em estações VLF comerciais e militares. Devido à alta antena Q, a portadora não pode ser ligada e desligada abruptamente, mas requer uma longa constante de tempo, muitos ciclos, para acumular a energia oscilante na antena quando a portadora é ligada, e muitos ciclos para dissipar a energia armazenada quando a portadora é ligada. operadora desliga. Isso limita a taxa de dados que pode ser transmitida a 15–20 palavras/minuto. CW agora é usado apenas em pequenos transmissores manuais e para testar transmissores grandes.
#PY5AAL ANGELO LEITHOLD Keying de mudança de frequência (FSK)
#PY5AAL ANGELO LEITHOLD FSK é a segunda forma mais antiga e mais simples de modulação de dados de rádio digital, depois do CW. Para FSK, a portadora mudou entre duas frequências, uma representando o dígito binário '1' e a outra representando o binário '0'. Por exemplo, uma frequência de 9.070 Hz pode ser usada para indicar um '1' e a frequência de 9.020 Hz, 50 Hz inferior, para indicar um '0'. As duas frequências são geradas por um sintetizador de frequência em funcionamento contínuo . O transmissor é alternado periodicamente entre essas frequências para representar códigos ASCII de 8 bits para os caracteres da mensagem. Um problema no VLF é que quando a frequência é comutada, as duas ondas senoidais geralmente têm fases diferentes , o que cria um transiente repentino de mudança de fase que pode causar arco voltaico na antena. Para evitar arcos, o FSK só pode ser usado em taxas lentas de 50 a 75 bits/s.
#PY5AAL ANGELO LEITHOLD Chaveamento de deslocamento mínimo (MSK)
#PY5AAL ANGELO LEITHOLD Uma versão de fase contínua do FSK projetada especificamente para pequenas larguras de banda, foi adotada por estações VLF navais na década de 1970 para aumentar a taxa de dados e agora é o modo padrão usado em transmissores VLF militares. Se as duas frequências que representam '1' e '0' estiverem separadas por 50 Hz, a mudança de frequência padrão usada em estações VLF militares, suas fases coincidem a cada 20 ms. No MSK a frequência do transmissor é comutada apenas quando as duas ondas senoidais têm a mesma fase, no ponto em que ambas as ondas senoidais cruzam o zero na mesma direção. Isto cria uma transição suave e contínua entre as ondas, evitando transientes que podem causar tensão e arcos na antena. MSK pode ser usado em taxas de dados de até 300 bits/s, ou cerca de 35 caracteres ASCII (8 bits cada) por segundo, aproximadamente 450 palavras por minuto.