En la comunicación por radio , un dipolo de tierra , [1] también conocido como antena dipolo de tierra , antena de línea de transmisión , [1] y en la literatura técnica como dipolo eléctrico horizontal ( HED ), [1] [2] [3] es un tipo enorme y especializado de antena de radio que irradia ondas electromagnéticas de frecuencia extremadamente baja (ELF) . [4] [5] Es el único tipo de antena transmisora que puede irradiar cantidades prácticas de potencia en el rango de frecuencia de 3 Hz a 3 kHz, comúnmente llamadas ondas ELF. [5] Un dipolo de tierra consta de dos electrodos de tierra enterrados en la tierra, separados por decenas a cientos de kilómetros, conectados por líneas de transmisión aéreas a un transmisor de planta de energía ubicado entre ellos. [1] [5] La electricidad de corriente alterna fluye en un bucle gigante entre los electrodos a través del suelo, irradiando ondas ELF, por lo que el suelo es parte de la antena. Para ser más efectivos, los dipolos de tierra deben ubicarse sobre ciertos tipos de formaciones rocosas subterráneas. [5] La idea fue propuesta por el físico Nicholas Christofilos del Departamento de Defensa de EE. UU. en 1959. [5]
Aunque los pequeños dipolos terrestres se han utilizado durante años como sensores en la investigación geológica y geofísica, su único uso como antenas ha sido en unas pocas instalaciones de transmisión ELF militares para comunicarse con submarinos sumergidos . Además de pequeñas antenas de investigación y experimentales, [5] [6] se sabe que se han construido cuatro instalaciones de dipolos terrestres a gran escala; dos por la Armada de los EE. UU. en Republic, Michigan y Clam Lake, Wisconsin , [2] [7] [8] una por la Armada rusa en la península de Kola cerca de Murmansk , Rusia, [8] [9] [10] y una en la India en la base naval INS Kattabomman . [11] [12] Las instalaciones estadounidenses se utilizaron entre 1985 y 2004, pero ahora están fuera de servicio. [8]
Aunque la definición oficial de la UIT de frecuencias extremadamente bajas es de 3 Hz a 30 Hz, la banda más amplia de frecuencias de 3 Hz a 3 kHz con longitudes de onda correspondientes de 100.000 km a 100 km [1] se utiliza para la comunicación ELF y se denominan comúnmente ondas ELF. [13] La frecuencia utilizada en los transmisores de EE. UU. y Rusia, alrededor de 80 Hz, [1] [14] genera ondas de 3750 km (2300 millas) de longitud, [a] [15] aproximadamente un cuarto del diámetro de la Tierra. Las ondas ELF se han utilizado en muy pocos sistemas de comunicaciones artificiales debido a la dificultad de construir antenas eficientes para ondas tan largas. Los tipos ordinarios de antena ( dipolos de media onda y monopolos de cuarto de onda ) no se pueden construir para ondas tan extremadamente largas debido a su tamaño. Un dipolo de media onda para 80 Hz tendría 1162 millas de largo. Por lo tanto, incluso las antenas prácticas más grandes para frecuencias ELF son eléctricamente muy cortas , mucho más pequeñas que la longitud de onda de las ondas que irradian. [1] La desventaja de esto es que la eficiencia de una antena cae a medida que su tamaño se reduce por debajo de una longitud de onda. [1] La resistencia a la radiación de una antena , y la cantidad de energía que irradia, es proporcional a ( L ⁄ λ )² donde L es su longitud y λ es la longitud de onda. Por lo tanto, incluso las antenas ELF físicamente grandes tienen una resistencia a la radiación muy pequeña, y por lo tanto irradian solo una pequeña fracción de la potencia de entrada como ondas ELF; la mayor parte de la potencia que se les aplica se disipa como calor en varias resistencias óhmicas en la antena. [5] Las antenas ELF deben tener decenas a cientos de kilómetros de largo, y deben ser impulsadas por transmisores potentes en el rango de los megavatios , para producir incluso unos pocos vatios de radiación ELF. Afortunadamente, la atenuación de las ondas ELF con la distancia es tan baja (1–2 dB por cada 1000 km) [5] que unos pocos vatios de potencia radiada son suficientes para comunicarse en todo el mundo. [2]
Un segundo problema surge de la polarización requerida de las ondas. Las ondas ELF solo se propagan largas distancias en polarización vertical , con la dirección de las líneas de campo magnético horizontal y las líneas de campo eléctrico vertical. [1] Se requieren antenas orientadas verticalmente para generar ondas polarizadas verticalmente. Incluso si se pudieran construir antenas convencionales suficientemente grandes en la superficie de la Tierra, estas generarían ondas polarizadas horizontalmente, no verticalmente.
Los submarinos, cuando están sumergidos, están protegidos por el agua de mar de todas las señales de radio ordinarias y, por lo tanto, quedan aislados de la comunicación con las autoridades de mando militar. Las ondas de radio VLF pueden penetrar entre 50 y 75 pies en el agua de mar y se han utilizado desde la Segunda Guerra Mundial para comunicarse con submarinos, pero el submarino debe elevarse cerca de la superficie, lo que lo hace vulnerable a la detección. En 1958, la constatación de que las ondas ELF podían penetrar más profundamente en el agua de mar, hasta las profundidades operativas normales de los submarinos, llevó al físico estadounidense Nicholas Christofilos a sugerir que la Armada de los EE. UU. las utilizara para comunicarse con submarinos. [7] [15] El ejército estadounidense investigó muchos tipos diferentes de antena para su uso en frecuencias ELF. Cristofilos propuso aplicar corrientes a la Tierra para crear una antena de bucle vertical, y quedó claro que este era el diseño más práctico. [1] [15] La viabilidad de la idea del dipolo terrestre se probó en 1962 con una línea eléctrica arrendada de 42 km en Wyoming , y en 1963 con un prototipo de antena de cable de 176 km que se extendía desde Virginia Occidental hasta Carolina del Norte . [5] [15]
Un dipolo de tierra funciona como una enorme antena de bucle orientada verticalmente [5] [16] ( ver dibujo, derecha ). Consiste en dos electrodos ampliamente separados ( G ) enterrados en el suelo, conectados por cables de transmisión aéreos a un transmisor ( P ) ubicado entre ellos. La corriente alterna del transmisor ( I ) viaja en un bucle a través de una línea de transmisión, kilómetros de profundidad en el lecho rocoso desde un electrodo de tierra al otro, y de regreso a través de la otra línea de transmisión. Esto crea un campo magnético alterno ( H ) a través del bucle, que irradia ondas ELF. Debido a su baja frecuencia, las ondas ELF tienen una gran profundidad de piel y pueden penetrar una distancia significativa a través de la tierra, por lo que no importa que la mitad de la antena esté debajo del suelo. El eje del campo magnético producido es horizontal, por lo que genera ondas polarizadas verticalmente. El patrón de radiación de la antena es direccional, un patrón dipolar , con dos lóbulos (máximos) en el plano del bucle, fuera de los extremos de las líneas de transmisión. [3] [5] En las instalaciones de EE.UU. se utilizan dos dipolos de tierra, orientados perpendicularmente entre sí, para permitir que el haz se dirija en cualquier dirección alterando la fase relativa de las corrientes en las antenas.
La cantidad de potencia radiada por una antena de bucle es proporcional a ( IA ) 2 , donde I es la corriente alterna en el bucle y A es el área encerrada, [5] Para radiar potencia práctica en frecuencias ELF, el bucle tiene que transportar una corriente de cientos de amperios y encerrar un área de al menos varias millas cuadradas. [5] Christofilos descubrió que cuanto menor sea la conductividad eléctrica de la roca subyacente, más profunda será la corriente y mayor será el área efectiva del bucle. [2] [5] La corriente de radiofrecuencia penetrará en el suelo hasta una profundidad igual a la profundidad de la piel del suelo a esa frecuencia, que es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la conductividad del suelo σ . El dipolo de tierra forma un bucle con un área efectiva de A = 1/√ 2 L δ , donde L es la longitud total de las líneas de transmisión y δ es la profundidad de la piel. [5] [14] Por lo tanto, los dipolos de tierra están ubicados sobre formaciones rocosas subterráneas de baja conductividad (esto contrasta con las antenas de radio comunes, que requieren una buena conductividad de tierra para una conexión a tierra de baja resistencia para sus transmisores). Las dos antenas de la Marina de los EE. UU. estaban ubicadas en la Península Superior de Michigan, en la formación Escudo Canadiense (Escudo Laurentiano), [2] [17] que tiene una conductividad inusualmente baja de 2×10 −4 siemens/metro [5], lo que resulta en un aumento en la eficiencia de la antena de 20 dB. [3] La conductividad de la tierra en el sitio del transmisor ruso es incluso menor. [14]
Debido a su falta de aplicaciones civiles, hay poca información disponible sobre los dipolos de tierra en la literatura técnica sobre antenas.
Después de considerar inicialmente varios sistemas más grandes ( Proyecto Sanguine ), la Marina de los EE. UU. construyó dos instalaciones de transmisión ELF, una en Clam Lake, Wisconsin y la otra en Republic, Michigan , a 145 millas de distancia, transmitiendo a 76 Hz. [2] [4] Podrían operar independientemente o sincronizadas en fase como una antena para una mayor potencia de salida. [4] El sitio de Clam Lake, la instalación de prueba inicial, transmitió su primera señal en 1982 [4] y comenzó a operar en 1985, mientras que el sitio de Republic comenzó a funcionar en 1989. Con una potencia de entrada de 2,6 megavatios, la potencia de salida ELF radiada total de ambos sitios trabajando juntos fue de 8 vatios. [2] Sin embargo, debido a la baja atenuación de las ondas ELF, esta pequeña potencia radiada pudo comunicarse con submarinos en aproximadamente la mitad de la superficie de la Tierra. [18]
Ambos transmisores fueron apagados en 2004. [8] [19] La explicación oficial de la Marina fue que los avances en los sistemas de comunicación VLF los habían hecho innecesarios. [8]
La Armada rusa opera un transmisor ELF, llamado ZEVS ("Zeus"), para comunicarse con sus submarinos, ubicados a 30 km al sureste de Murmansk en la península de Kola en el norte de Rusia. [9] [10] Se detectaron señales de este transmisor en la década de 1990 en la Universidad de Stanford y en otros lugares. [10] [14] Normalmente opera a 82 Hz, utilizando modulación MSK (modulación por desplazamiento mínimo). [10] aunque se informa que puede cubrir el rango de frecuencia de 20 a 250 Hz. [9] [14] Se informa que consta de dos antenas dipolo terrestres paralelas de 60 km de largo, impulsadas a corrientes de 200-300 amperios . [10] [14] Los cálculos a partir de señales interceptadas indican que es 10 dB más potente que los transmisores estadounidenses. [14] A diferencia de ellos, se utiliza para investigación geofísica además de comunicaciones militares. [9] [10]
La Armada india tiene una instalación de comunicación ELF operativa en la base naval INS Kattabomman , en Tamil Nadu , para comunicarse con sus submarinos de clase Arihant y clase Akula . [11] [12]
La potencia total radiada por un dipolo de tierra es [5]
donde f es la frecuencia, I es la corriente RMS en el bucle, L es la longitud de la línea de transmisión, c es la velocidad de la luz , h es la altura sobre el suelo de la capa D de la ionosfera y σ es la conductividad del suelo .
La potencia radiada de una antena de bucle eléctricamente pequeña normalmente aumenta con la cuarta potencia de la frecuencia, pero en frecuencias ELF los efectos de la ionosfera dan como resultado una reducción menos severa en la potencia proporcional al cuadrado de la frecuencia.
Para la recepción de señales ELF no se necesitan dipolos de tierra, aunque algunos radioaficionados utilizan dipolos pequeños para este fin. En su lugar, se han utilizado varias antenas de bucle y de bobina de ferrita para la recepción.
Los requisitos para las antenas receptoras en frecuencias ELF son mucho menos estrictos que para las antenas transmisoras: [b] En los receptores ELF , el ruido en la señal está dominado por el gran ruido atmosférico en la banda. Incluso la pequeña señal capturada por una antena receptora pequeña e ineficiente contiene ruido que excede en gran medida la pequeña cantidad de ruido generado en el propio receptor. [c] Debido a que el ruido externo es lo que limita la recepción, se necesita muy poca potencia de la antena para que la señal interceptada supere el ruido interno y, por lo tanto, se pueden usar antenas receptoras pequeñas sin desventaja.
