En radiocomunicaciones , 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 terrestres deben ubicarse sobre ciertos tipos de formaciones rocosas subterráneas. [5] La idea fue propuesta por el físico Nicholas Christofilos del Departamento de Defensa de Estados Unidos en 1959. [5]
Aunque los pequeños dipolos terrestres se han utilizado durante años como sensores en investigaciones geológicas y geofísicas, su único uso como antenas ha sido en algunas instalaciones militares de transmisión ELF para comunicarse con submarinos sumergidos . Además de pequeñas antenas experimentales y de investigación, [5] [6] se sabe que se han construido cuatro instalaciones dipolo terrestres a gran escala; dos por la Armada de los EE. UU. en Republic, Michigan y Clam Lake, Wisconsin , [2] [7] [8] uno por la Armada rusa en la península de Kola cerca de Murmansk , Rusia, [8] [9] [10] y uno en 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 estadounidenses y rusos, de aproximadamente 80 Hz, [1] [14] genera ondas de 3750 km (2300 millas) de largo, [a] [15] aproximadamente una cuarta parte 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 de antena habituales ( dipolos de media onda y monopolos de un cuarto de onda ) no se pueden construir para ondas tan 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 muy cortas eléctricamente , 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 potencia 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 sólo una pequeña fracción de la potencia de entrada como ondas ELF; la mayor parte de la potencia que se les aplica se disipa en forma de calor en varias resistencias óhmicas de la antena. [5] Las antenas ELF deben tener entre decenas y cientos de kilómetros de largo y deben ser impulsadas por potentes transmisores 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 1.000 km) [5] que unos pocos vatios de potencia radiada son suficientes para comunicarse en todo el mundo. [2]
Un segundo problema surge de la necesaria polarización de las ondas. Las ondas ELF solo se propagan largas distancias en polarización vertical , con la dirección de las líneas del campo magnético horizontales y las líneas del campo eléctrico verticales. [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, éstas generarían ondas polarizadas horizontalmente, no verticalmente.
Los submarinos, cuando están sumergidos, quedan protegidos por el agua de mar de todas las señales de radio ordinarias y, por lo tanto, no pueden comunicarse 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 comprensión de que las ondas ELF podían penetrar más profundamente en el agua de mar, hasta las profundidades normales de operación de los submarinos, llevó al físico estadounidense Nicholas Christofilos a sugerir que la Marina de los EE. UU. las utilizara para comunicarse con los submarinos. [7] [15] El ejército estadounidense investigó muchos tipos diferentes de antenas para su uso en frecuencias ELF. Cristofilos propuso aplicar corrientes a la Tierra para crear una antena de cuadro vertical y quedó claro que éste 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 cuadro orientada verticalmente [5] [16] ( ver dibujo a la derecha ). Consta de dos electrodos ( G ) muy separados enterrados en el suelo, conectados mediante 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, a kilómetros de profundidad en el lecho de roca, de 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 bajo tierra. 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, en los extremos de las líneas de transmisión. [3] [5] En las instalaciones estadounidenses 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 cuadro es proporcional a ( IA ) 2 , donde I es la corriente alterna en el lazo y A es el área encerrada, [5] Para irradiar potencia práctica en frecuencias ELF, el lazo tiene que transportar una corriente de cientos de amperios y encierra 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 a una profundidad igual a la profundidad de la superficie 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 área efectiva de A =1/√ 2L 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 ordinarias, que requieren una buena conductividad terrestre 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 del Escudo Canadiense (Escudo Laurentino), [2] [17] que tiene una conductividad inusualmente baja de 2 × 10 −4 siemens/metro [5], lo que resulta en una aumento de la eficiencia de la antena de 20 dB. [3] La conductividad terrestre en el lugar del transmisor ruso es aún menor. [14]
Debido a su falta de aplicaciones civiles, hay poca información disponible sobre los dipolos terrestres en la literatura técnica de 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 funcionar de forma independiente o sincronizarse en fase como una antena para obtener 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 entró en funcionamiento en 1989. Con una potencia de entrada de 2,6 megavatios, la salida total de ELF radiada La potencia de ambos sitios trabajando juntos fue de 8 vatios. [2] Sin embargo, debido a la baja atenuación de las ondas ELF, esta pequeña energía irradiada pudo comunicarse con submarinos en aproximadamente la mitad de la superficie de la Tierra. [18]
Ambos transmisores fueron cerrados 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 una instalación transmisora ELF, denominada ZEVS ("Zeus"), para comunicarse con sus submarinos, ubicada a 30 km al sureste de Murmansk en la península de Kola en el norte de Rusia. [9] [10] Se detectaron señales procedentes de él en la década de 1990 en la Universidad de Stanford y en otros lugares. [10] [14] Normalmente funciona a 82 Hz, utilizando modulación MSK (modificación por desplazamiento mínimo). [10] aunque, según se informa, puede cubrir el rango de frecuencia de 20 a 250 Hz. [9] [14] Según se informa, consta de dos antenas dipolo terrestres paralelas de 60 km de largo, impulsadas a corrientes de 200 a 300 amperios . [10] [14] Los cálculos de señales interceptadas indican que es 10 dB más potente que los transmisores estadounidenses. [14] A diferencia de ellos, se utiliza para investigaciones geofísicas además de comunicaciones militares. [9] [10]
La Armada de la India tiene una instalación de comunicación ELF operativa en la base naval INS Kattabomman , en Tamil Nadu , para comunicarse con sus submarinos clase Arihant y clase Akula . [11] [12]
La potencia total radiada por un dipolo terrestre 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 el suelo. conductividad .
La potencia radiada de una antena de cuadro 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 de la potencia proporcional al cuadrado de la frecuencia.
Los dipolos de tierra no son necesarios para la recepción de señales ELF, aunque algunos radioaficionados utilizan dipolos pequeños para este propósito. En su lugar, se han utilizado para la recepción varias antenas de bucle y de bobina de ferrita .
Los requisitos para las antenas receptoras en frecuencias ELF son mucho menos estrictos que los de 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 con creces la pequeña cantidad de ruido generado en el propio receptor. [c] Debido a que el ruido exterior 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 utilizar antenas receptoras pequeñas sin desventajas.
