Frecuencia muy baja o VLF es la designación de la UIT [1] para las radiofrecuencias (RF) en el rango de 3 a 30 kHz , correspondientes a longitudes de onda de 100 a 10 km, respectivamente. La banda también se conoce como banda de miriámetro u onda de miriámetro ya que las longitudes de onda varían de uno a diez miriámetros (una unidad métrica obsoleta equivalente a 10 kilómetros). Debido a su ancho de banda limitado , la transmisión de audio (voz) es muy poco práctica en esta banda y, por lo tanto, sólo se utilizan señales codificadas de baja velocidad de datos . La banda VLF se utiliza para algunos servicios de radionavegación , estaciones de radio horarias gubernamentales (que transmiten señales horarias para configurar relojes de radio ) y para comunicaciones militares seguras. Dado que las ondas VLF pueden penetrar al menos 40 metros (131 pies) en agua salada, se utilizan para comunicaciones militares con submarinos .
Debido a sus largas longitudes de onda, las ondas de radio VLF pueden difractarse alrededor de grandes obstáculos y, por lo tanto, no están bloqueadas por cadenas montañosas, y pueden propagarse como ondas terrestres siguiendo la curvatura de la Tierra y, por lo tanto, no están limitadas por el horizonte. Las ondas terrestres son absorbidas por la resistencia de la Tierra y son menos importantes más allá de varios cientos a miles de kilómetros/millas, y el modo principal de propagación a larga distancia es un mecanismo de guía de ondas Tierra-ionosfera . [2] La Tierra está rodeada por una capa conductora de electrones e iones en la atmósfera superior en la parte inferior de la ionosfera llamada capa D a una altitud de 60 a 90 km (37 a 56 millas), [3] que refleja las ondas de radio VLF. . La ionosfera conductora y la Tierra conductora forman un "conducto" horizontal de unas pocas longitudes de onda VLF de altura, que actúa como una guía de ondas que confina las ondas para que no escapen al espacio. Las ondas viajan en zigzag alrededor de la Tierra, reflejadas alternativamente por la Tierra y la ionosfera, en modo magnético transversal (TM).
Las ondas VLF tienen una atenuación de trayectoria muy baja, 2 a 3 dB por 1.000 km, [2] y se experimenta poco " desvanecimiento " en frecuencias más altas. [3] Esto se debe a que las ondas VLF se reflejan desde el fondo de la ionosfera, mientras que las señales de onda corta de mayor frecuencia regresan a la Tierra desde capas superiores de la ionosfera, las capas F1 y F2 , mediante un proceso de refracción, y pasan la mayor parte de su viaje. en la ionosfera, por lo que se ven mucho más afectados por los gradientes de ionización y las turbulencias. Por lo tanto, las transmisiones VLF son muy estables y confiables y se utilizan para comunicaciones de larga distancia. Se han logrado distancias de propagación de 5.000 a 20.000 km. [2] Sin embargo, el ruido atmosférico (" esféricos ") es elevado en la banda, [3] incluidos fenómenos como los " silbatos ", provocados por los rayos .
Un inconveniente práctico importante de la banda VLF es que, debido a la longitud de las ondas, no se pueden construir antenas resonantes de tamaño completo (antenas dipolo de media onda o monopolo de un cuarto de onda ) debido a su altura física. [5] : Se deben utilizar 14 antenas verticales porque las ondas VLF se propagan en polarización vertical, pero una antena vertical de un cuarto de onda a 30 kHz (10 km de longitud de onda) tendría 2,5 kilómetros (8200 pies) de altura. Por lo tanto, las antenas transmisoras prácticas son eléctricamente cortas , una pequeña fracción de la longitud a la que tendrían resonancia propia. [6] [7] : 24,5–24,6 Debido a su baja resistencia a la radiación (a menudo menos de un ohmio), son ineficientes y irradian sólo del 10% al 50% de la potencia del transmisor como máximo, [2] [5] : 14 con el resto de la potencia se disipa en las resistencias del sistema antena/tierra. Se requieren transmisores de muy alta potencia (~1 megavatio) para las comunicaciones de larga distancia, por lo que la eficiencia de la antena es un factor importante.
Las estaciones transmisoras VLF de alta potencia utilizan antenas monopolo de carga superior capacitiva . Se trata de antenas de alambre muy grandes, de hasta varios kilómetros de longitud. [8] : 3,9–3,21 [7] : 24,8–24,12 Consisten en una serie de mástiles de radio de acero , unidos en la parte superior con una red de cables, a menudo con forma de paraguas o tendederos. [5] : p.14 Las torres mismas o los cables verticales sirven como radiadores monopolo , y los cables horizontales forman una carga superior capacitiva para aumentar la corriente en los cables verticales, aumentando la potencia radiada y la eficiencia de la antena. Las estaciones de alta potencia utilizan variaciones de la antena tipo paraguas, como las antenas "delta" y " trideco ", o antenas planas (triáticas) de varios cables. [5] : p.129-162 Para transmisores de baja potencia, se utilizan antenas en L y T invertidas.
Debido a la baja resistencia a la radiación, para minimizar la potencia disipada en el suelo, estas antenas requieren sistemas de tierra (puesta a tierra) de resistencia extremadamente baja, que consisten en redes radiales de cables de cobre enterrados debajo de la antena. Para minimizar las pérdidas dieléctricas en el suelo, los conductores de tierra se entierran a poca profundidad, sólo unos pocos centímetros en el suelo, y la superficie del suelo cerca de la antena a veces está protegida por pantallas de tierra de cobre. También se han utilizado sistemas de contrapeso , que consisten en redes radiales de cables de cobre sostenidos a varios pies del suelo debajo de la antena.
Se requiere una bobina de carga grande en el punto de alimentación de la antena para cancelar la reactancia capacitiva de la antena y hacerla resonante . En VLF el diseño de esta bobina es un desafío; debe tener baja resistencia a la frecuencia de RF de funcionamiento, Q alto , debe manejar corrientes muy altas y debe soportar el voltaje extremadamente alto de la antena. Suelen ser enormes bobinas con núcleo de aire de 2 a 4 metros de altura enrolladas en un marco no conductor, con resistencia a RF reducida mediante el uso de alambre litz que consta de miles de hebras aisladas de alambre fino trenzado entre sí. [5] : pág.95
La alta capacitancia e inductancia y la baja resistencia de la combinación antena-bobina de carga hacen que actúe eléctricamente como un circuito sintonizado con Q alto . Las antenas VLF tienen un ancho de banda muy estrecho y para cambiar la frecuencia de transmisión se requiere un inductor variable ( variómetro ) para sintonizar la antena. Las grandes antenas VLF utilizadas para transmisores de alta potencia suelen tener anchos de banda de sólo 50 a 100 hercios. El alto Q da como resultado voltajes muy altos (hasta 250 kV) [5] : p.58 en la antena y se requiere un muy buen aislamiento. [5] : p.14,19 Las antenas VLF grandes generalmente funcionan en modo 'voltaje limitado': la potencia máxima del transmisor está limitada por el voltaje que la antena puede aceptar sin ruptura de aire , corona y formación de arcos de la antena.
El ancho de banda de las grandes antenas VLF cargadas capacitivamente es tan estrecho (50–100 Hz) que incluso los pequeños cambios de frecuencia de la modulación FSK y MSK pueden excederlo, lo que hace que la antena pierda resonancia y refleje parte de la potencia en la línea de alimentación. . La solución tradicional es utilizar una "resistencia de ancho de banda" en la antena que reduce el Q , aumentando el ancho de banda; sin embargo, esto también reduce la potencia de salida. Una alternativa reciente utilizada en algunos transmisores VLF militares es un circuito que cambia dinámicamente la frecuencia resonante de la antena entre las dos frecuencias de salida con la modulación. [7] : 24,7 [8] : 3,36 Esto se logra con un reactor saturable en serie con la bobina de carga de la antena . Se trata de un inductor de núcleo ferromagnético con un segundo devanado de control por el que fluye una corriente continua, que controla la inductancia magnetizando el núcleo, cambiando su permeabilidad . El flujo de datos de codificación se aplica al devanado de control. Entonces, cuando la frecuencia del transmisor se cambia entre las frecuencias '1' y '0', el reactor saturable cambia la inductancia en el circuito resonante de la antena para cambiar la frecuencia resonante de la antena para seguir la frecuencia del transmisor.
Los requisitos para las antenas receptoras son menos estrictos debido al alto nivel de ruido atmosférico natural en la banda. En las frecuencias VLF , el ruido de radio atmosférico está muy por encima del ruido del receptor introducido por el circuito del receptor y determina la relación señal-ruido del receptor . Por lo tanto, se pueden utilizar antenas receptoras pequeñas e ineficientes, y el receptor puede simplemente amplificar la señal de bajo voltaje de la antena sin introducir ruido significativo. Para la recepción se suelen utilizar antenas de cuadro de ferrita .
Debido al pequeño ancho de banda de la banda y al extremadamente estrecho ancho de banda de las antenas utilizadas, no resulta práctico transmitir señales de audio ( radiotelefonía AM o FM ). [9] Una señal de radio AM típica con un ancho de banda de 10 kHz ocuparía un tercio de la banda VLF. Más importante aún, sería difícil transmitir a cualquier distancia porque requeriría una antena con 100 veces el ancho de banda de las antenas VLF actuales, que debido al límite de Chu-Harrington tendría un tamaño enorme. Por lo tanto, sólo se pueden transmitir datos de texto, a velocidades de bits bajas . En las redes militares, la modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK) se utiliza para transmitir datos de radioteletipo utilizando códigos de caracteres ITA2 de 5 bits o ASCII de 8 bits . Se utiliza un pequeño cambio de frecuencia de 30 a 50 hercios debido al pequeño ancho de banda de la antena.
En los transmisores VLF de alta potencia, para aumentar la velocidad de datos permitida, se utiliza una forma especial de FSK llamada manipulación por desplazamiento mínimo (MSK). Esto es necesario debido al alto Q de la antena. [8] : 3.2–3.4, §3.1.1 La enorme antena cargada capacitivamente y la bobina de carga forman un circuito sintonizado con Q alto , que almacena energía eléctrica oscilante. El Q de las grandes antenas VLF suele ser superior a 200; esto significa que la antena almacena mucha más energía (200 veces más) de la que se suministra o irradia en cualquier ciclo de la corriente del transmisor. La energía se almacena alternativamente como energía electrostática en el sistema de carga superior y tierra, y energía magnética en los cables verticales y la bobina de carga. Las antenas VLF normalmente funcionan "con voltaje limitado", con el voltaje en la antena cerca del límite que soportará el aislamiento, por lo que no tolerarán ningún cambio abrupto en el voltaje o la corriente del transmisor sin formación de arcos u otros problemas de aislamiento. Como se describe a continuación, MSK puede modular la onda transmitida a velocidades de datos más altas sin provocar picos de voltaje en la antena.
Los tres tipos de modulación que se han utilizado en los transmisores VLF son:
Históricamente, esta banda se utilizó para comunicaciones de radio transoceánicas de larga distancia durante la era de la telegrafía inalámbrica entre aproximadamente 1905 y 1925. Las naciones construyeron redes de estaciones de radiotelegrafía LF y VLF de alta potencia que transmitían información de texto mediante código Morse , para comunicarse con otros países, sus colonias y flotas navales. Se hicieron primeros intentos de utilizar radioteléfono utilizando modulación de amplitud y modulación de banda lateral única dentro de la banda a partir de 20 kHz, pero el resultado no fue satisfactorio porque el ancho de banda disponible era insuficiente para contener las bandas laterales .
En la década de 1920, el descubrimiento del método de propagación de radio por onda celeste (salto) permitió a transmisores de menor potencia que operaban a alta frecuencia comunicarse a distancias similares reflejando sus ondas de radio en una capa de átomos ionizados en la ionosfera , y estaciones de comunicación por radio de larga distancia conmutadas. a las frecuencias de onda corta . El transmisor Grimeton VLF en Grimeton cerca de Varberg en Suecia , uno de los pocos transmisores que quedan de esa época y que se ha conservado como monumento histórico, puede ser visitado por el público en determinados momentos, como el Día de Alexanderson .
Debido a sus largas distancias de propagación y características de fase estable, durante el siglo XX la banda VLF se utilizó para sistemas de radionavegación hiperbólica de largo alcance que permitían a barcos y aviones determinar su posición geográfica comparando la fase de las ondas de radio recibidas de una baliza de navegación VLF fija. transmisores.
El sistema mundial Omega utilizaba frecuencias de 10 a 14 kHz, al igual que el ruso Alpha .
VLF también se utilizó para transmisiones de frecuencia y hora estándar . En los EE. UU., la estación de señales horarias WWVL comenzó a transmitir una señal de 500 W en 20 kHz en agosto de 1963. Utilizaba manipulación por desplazamiento de frecuencia ( FSK ) para enviar datos, cambiando entre 20 kHz y 26 kHz. El servicio WWVL se interrumpió en julio de 1972.
Los geofísicos utilizan las señales naturales en la banda VLF para localizar rayos de largo alcance y para investigar fenómenos atmosféricos como la aurora. Se emplean mediciones de silbidos para inferir las propiedades físicas de la magnetosfera . [10]
Los geofísicos utilizan receptores electromagnéticos VLF para medir la conductividad en la superficie cercana de la Tierra. [11]
Las señales VLF se pueden medir como un estudio electromagnético geofísico que se basa en corrientes transmitidas que inducen respuestas secundarias en unidades geológicas conductoras. Una anomalía VLF representa un cambio en la actitud del vector electromagnético que recubre los materiales conductores en el subsuelo.
VLF también puede penetrar el suelo y la roca a cierta distancia, por lo que estas frecuencias también se utilizan para sistemas de comunicaciones de minas a través de la tierra .
Los militares utilizan potentes transmisores VLF para comunicarse con sus fuerzas en todo el mundo. La ventaja de las frecuencias VLF es su largo alcance, alta confiabilidad y la predicción de que en una guerra nuclear las comunicaciones VLF se verán menos perturbadas por explosiones nucleares que las frecuencias más altas. Dado que puede penetrar el agua de mar, los militares utilizan VLF para comunicarse con submarinos cerca de la superficie, mientras que las frecuencias ELF se utilizan para submarinos profundamente sumergidos.
Ejemplos de transmisores VLF navales son
Desde 2004, la Marina de los EE. UU. ha dejado de utilizar transmisiones ELF, con la afirmación de que las mejoras en las comunicaciones VLF las han hecho innecesarias, por lo que es posible que haya desarrollado tecnología para permitir que los submarinos reciban transmisiones VLF mientras se encuentran en profundidad operativa.
Los transmisores terrestres y aéreos de alta potencia en los países que operan submarinos envían señales que pueden recibirse a miles de kilómetros de distancia. Los sitios de transmisión suelen cubrir grandes áreas (muchos acres o kilómetros cuadrados), con una potencia transmitida entre 20 kW y 2000 kW. Los submarinos reciben señales de transmisores terrestres y aéreos utilizando algún tipo de antena remolcada que flota justo debajo de la superficie del agua, por ejemplo, una antena flotante por cable (BCAA).
Los receptores modernos utilizan sofisticadas técnicas de procesamiento de señales digitales para eliminar los efectos del ruido atmosférico (causado en gran medida por los rayos en todo el mundo) y las señales de los canales adyacentes, ampliando el rango de recepción útil. Los bombarderos nucleares estratégicos de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos reciben señales VLF como parte de operaciones nucleares reforzadas.
Se pueden utilizar dos juegos de caracteres alternativos: ITA2 de 5 bits o ASCII de 8 bits . Como se trata de transmisiones militares, casi siempre están cifradas por razones de seguridad. Aunque es relativamente fácil recibir las transmisiones y convertirlas en una cadena de caracteres, los enemigos no pueden decodificar los mensajes cifrados; Las comunicaciones militares suelen utilizar cifrados irrompibles de un solo uso, ya que la cantidad de texto es muy pequeña.
El rango de frecuencia por debajo de 8,3 kHz no está asignado por la Unión Internacional de Telecomunicaciones y en algunos países se puede utilizar sin licencia. A los radioaficionados de algunos países se les ha concedido permiso (o han asumido permiso) para operar en frecuencias inferiores a 8,3 kHz. [12]
Las operaciones tienden a congregarse alrededor de las frecuencias 8,27 kHz, 6,47 kHz, 5,17 kHz y 2,97 kHz. [13] Las transmisiones suelen durar desde una hora hasta varios días y tanto el receptor como el transmisor deben tener su frecuencia fijada a una referencia estable, como un oscilador disciplinado GPS o un estándar de rubidio para soportar una detección y decodificación coherente de larga duración.
La potencia radiada por las estaciones de aficionados es muy pequeña, oscilando entre 1 μW y 100 μW para antenas de estaciones base fijas, y hasta 10 mW para antenas de cometas o globos. A pesar de la baja potencia, la propagación estable con baja atenuación en la cavidad de la ionosfera terrestre permite utilizar anchos de banda muy estrechos para alcanzar distancias de hasta varios miles de kilómetros. Los modos utilizados son QRSS , MFSK y BPSK coherente .
El transmisor generalmente consta de un amplificador de audio de unos pocos cientos de vatios, un transformador de adaptación de impedancia, una bobina de carga y una antena de alambre grande. Los receptores emplean una sonda de campo eléctrico o una antena de bucle magnético, un preamplificador de audio sensible, transformadores de aislamiento y una tarjeta de sonido de PC para digitalizar la señal. Se requiere un procesamiento exhaustivo de señales digitales para recuperar las señales débiles que se encuentran debajo de la interferencia de los armónicos de las líneas eléctricas y la atmósfera de radio VLF . Las intensidades útiles de la señal recibida son tan bajas como3 × 10 −8 voltios/metro (campo eléctrico) y1 × 10 −16 tesla (campo magnético), con velocidades de señalización normalmente entre 1 y 100 bits por hora.
Las señales VLF suelen ser monitoreadas por radioaficionados que utilizan simples receptores de radio VLF caseros basados en computadoras personales (PC). [14] [15] Una antena en forma de bobina de cable aislado se conecta a la entrada de la tarjeta de sonido del PC (a través de un conector jack) y se coloca a unos metros de ella. El software de transformada rápida de Fourier (FFT) en combinación con una tarjeta de sonido permite la recepción de todas las frecuencias por debajo de la frecuencia de Nyquist simultáneamente en forma de espectrogramas .
Debido a que los monitores CRT son fuertes fuentes de ruido en el rango VLF, se recomienda registrar los espectrogramas con cualquier monitor CRT de PC apagado. Estos espectrogramas muestran muchas señales, que pueden incluir transmisores VLF y la desviación horizontal del haz de electrones de los televisores. La intensidad de la señal recibida puede variar ante una perturbación ionosférica repentina . Estos hacen que el nivel de ionización aumente en la ionosfera produciendo un cambio rápido en la amplitud y fase de la señal VLF recibida.
Para obtener una lista más detallada, consulte Lista de transmisores VLF
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