Frecuencia muy baja

La banda de frecuencias muy bajas o VLF es la designación de la UIT ^[1] para las frecuencias de radio (RF) en el rango de 3–30  kHz , correspondientes a longitudes de onda de 100 a 10 km, respectivamente. La banda también se conoce como banda de miriámetros u onda miriátrica , 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 altamente impráctica en esta banda y, por lo tanto, solo se utilizan señales codificadas de baja velocidad de datos . La banda VLF se utiliza para algunos servicios de navegación por radio , estaciones de radio de tiempo 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 son 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 60-90 km (37-56 millas) de altitud, ^[3] que refleja las ondas de radio VLF. La ionosfera conductora y la Tierra conductora forman un "conducto" horizontal a 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 una trayectoria en zigzag alrededor de la Tierra, reflejándose alternativamente en la Tierra y la ionosfera, en modo magnético transversal (TM).

Las ondas VLF tienen una atenuación de trayectoria muy baja, 2-3 dB por 1.000 km, ^[2] con poco del " desvanecimiento " experimentado a frecuencias más altas. ^[3] Esto se debe a que las ondas VLF se reflejan desde la parte inferior de la ionosfera, mientras que las señales de onda corta de mayor frecuencia son devueltas a la Tierra desde capas más altas en la ionosfera, las capas F1 y F2 , por un proceso de refracción, y pasan la mayor parte de su viaje en la ionosfera, por lo que se ven mucho más afectadas por los gradientes de ionización y la turbulencia. Por lo tanto, las transmisiones VLF son muy estables y confiables, y se utilizan para la comunicación de larga distancia. Se han realizado distancias de propagación de 5.000-20.000 km. ^[2] Sin embargo, el ruido atmosférico (" esferics ") es alto en la banda, ^[3] incluyendo fenómenos como los " silbatos ", causados ​​por los rayos .

• Las ondas VLF pueden penetrar el agua de mar hasta una profundidad de al menos 10 a 40 metros (30 a 130 pies), dependiendo de la frecuencia empleada y la salinidad del agua, por lo que se utilizan para comunicarse con los submarinos.
• Se ha descubierto que las ondas VLF en ciertas frecuencias provocan la precipitación de electrones .
• Las ondas VLF utilizadas para comunicarse con los submarinos han creado una burbuja artificial alrededor de la Tierra que puede protegerla de las erupciones solares y las eyecciones de masa coronal ; esto ocurrió a través de la interacción con partículas de radiación de alta energía. ^[4]

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 cuarto de onda ) debido a su altura física. ^{[5] : 14} Se deben utilizar antenas verticales porque las ondas VLF se propagan en polarización vertical, pero una antena vertical de cuarto de onda a 30 kHz (longitud de onda de 10 km) tendría 2,5 kilómetros (8200 pies) de altura. Por lo tanto, las antenas de transmisión prácticas son eléctricamente cortas , una pequeña fracción de la longitud en la que serían auto-resonantes. ^{[6] [7] : 24.5–24.6} Debido a su baja resistencia a la radiación (a menudo menos de un ohmio) son ineficientes, irradiando solo del 10% al 50% de la potencia del transmisor como máximo, ^{[2] [5] : 14} con el resto de la potencia disipada en las resistencias del sistema antena/tierra. Para las comunicaciones a larga distancia se requieren transmisores de muy alta potencia (~1 megavatio), por lo que la eficiencia de la antena es un factor importante.

Las estaciones transmisoras VLF de alta potencia utilizan antenas monopolares con 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 propias torres o los cables verticales sirven como radiadores monopolares , 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 paraguas, como las antenas "delta" y " trideco ", o antenas multihilo de superficie plana (triáticas). ^{[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 conexión 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, solo unos pocos centímetros en el suelo, y la superficie del suelo cerca de la antena a veces está protegida por pantallas de cobre. También se han utilizado sistemas de contrapeso , que consisten en redes radiales de cables de cobre sostenidos varios pies por encima 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 en la frecuencia de RF de operación, alta Q , debe manejar corrientes muy altas y debe soportar el voltaje extremadamente alto en la antena. Estas suelen ser enormes bobinas con núcleo de aire de 2 a 4 metros de alto enrolladas en un marco no conductor, con resistencia de RF reducida mediante el uso de un cable litz grueso de varios centímetros de diámetro, que consta de miles de hebras aisladas de cable fino trenzadas entre sí. ^{[5] : p.95}

La alta capacitancia e inductancia y la baja resistencia de la combinación de antena y bobina de carga hacen que actúe eléctricamente como un circuito sintonizado de alto Q. 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 solo 50-100 hercios. El alto Q da como resultado voltajes muy altos (hasta 250 kV) ^{[5] : p.58} en la antena y se requiere un aislamiento muy bueno. ^{[5] : p.14,19} Las antenas VLF grandes generalmente operan en modo "limitado por voltaje": la potencia máxima del transmisor está limitada por el voltaje que la antena puede aceptar sin ruptura de aire , corona y arco eléctrico de la antena.

El ancho de banda de las antenas VLF grandes cargadas capacitivamente es tan estrecho (50–100 Hz) que incluso los pequeños cambios de frecuencia de la modulación FSK y MSK pueden superarlo, sacando a la antena de resonancia , lo que hace que la antena refleje algo de potencia hacia la línea de alimentación. La solución tradicional es utilizar una "resistencia de ancho de banda" en la antena que reduce la 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 de resonancia 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 . Este es un inductor de núcleo ferromagnético con un segundo devanado de control a través del cual fluye una corriente CC, que controla la inductancia magnetizando el núcleo, cambiando su permeabilidad . El flujo de datos de manipulación se aplica al devanado de control. Entonces, cuando la frecuencia del transmisor 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 frecuencias VLF, el ruido atmosférico de radio es muy superior al ruido del receptor introducido por el circuito 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. Las antenas de bucle de ferrita se utilizan generalmente para la recepción.

Debido al pequeño ancho de banda de la banda, y al ancho de banda extremadamente estrecho de las antenas utilizadas, es poco 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 significativamente, 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 serían enormes en tamaño. Por lo tanto, solo se pueden transmitir datos de texto, a bajas velocidades de bits . En las redes militares se utiliza la modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK) para transmitir datos de radioteletipo utilizando códigos de caracteres ITA2 de 5 bits u ASCII de 8 bits . Se utiliza un pequeño desplazamiento 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 modulación 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 de alto Q , que almacena energía eléctrica oscilante. El Q de las antenas VLF grandes 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 individual 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 suelen funcionar "limitadas por voltaje", 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 arcos eléctricos 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:

Onda continua (CW), onda continua interrumpida (ICW) o modulación de encendido y apagado

Transmisión radiotelegráfica en código Morse con portadora no modulada. La portadora se activa y desactiva, representando la portadora activada los "puntos" y "rayas" del código Morse y la portadora desactivada los espacios. Esta es la forma más simple y antigua de transmisión de datos por radio, y se utilizó desde principios del siglo XX hasta la década de 1960 en estaciones VLF comerciales y militares. Debido a la alta Q de la antena, la portadora no se puede activar y desactivar de manera abrupta, sino que requiere una constante de tiempo prolongada, muchos ciclos, para acumular la energía oscilante en la antena cuando se activa la portadora, y muchos ciclos para disipar la energía almacenada cuando se desactiva. Esto limita la velocidad de datos que se puede transmitir a 15-20 palabras por minuto. La CW ahora solo se utiliza en pequeños transmisores activados manualmente y para probar transmisores grandes.

Modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK)

FSK es la segunda forma más antigua y más simple de modulación de datos de radio digital, después de CW. Para FSK, la portadora se desplaza entre dos frecuencias, una que representa el dígito binario '1' y la otra que representa el binario '0'. Por ejemplo, se podría utilizar una frecuencia de 9070 Hz para indicar un '1' y la frecuencia de 9020 Hz, 50 Hz más baja, para indicar un '0'. Las dos frecuencias son generadas por un sintetizador de frecuencia de funcionamiento continuo . El transmisor cambia periódicamente entre estas frecuencias para representar códigos ASCII de 8 bits para los caracteres del mensaje. Un problema en VLF es que cuando se cambia la frecuencia, las dos ondas sinusoidales suelen tener fases diferentes , lo que crea un transitorio de cambio de fase repentino que puede provocar arcos en la antena. Para evitar arcos, FSK solo se puede utilizar a velocidades lentas de 50 a 75 bit/s.

Modulación por desplazamiento mínimo (MSK)

Una versión de fase continua de FSK diseñada específicamente para anchos de banda pequeños, fue adoptada por estaciones VLF navales en la década de 1970 para aumentar la velocidad de datos y ahora es el modo estándar utilizado en transmisores VLF militares. Si las dos frecuencias que representan '1' y '0' están separadas por 50 Hz, el cambio de frecuencia estándar utilizado en estaciones VLF militares, sus fases coinciden cada 20 ms. En MSK, la frecuencia del transmisor se cambia solo cuando las dos ondas sinusoidales tienen la misma fase, en el punto en que ambas ondas sinusoidales cruzan el cero en la misma dirección. Esto crea una transición continua suave entre las ondas, evitando transitorios que pueden causar tensión y arcos eléctricos en la antena. MSK se puede utilizar a velocidades de datos de hasta 300 bit/s, o aproximadamente 35  caracteres ASCII (8 bits cada uno) por segundo, aproximadamente 450 palabras por minuto.

Históricamente, esta banda se utilizó para la comunicación por radio transoceánica 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 la radiotelefonía utilizando modulación de amplitud y modulación de banda lateral única dentro de la banda a partir de 20 kHz, pero el resultado fue insatisfactorio 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 ondas ionosféricas (salto) permitió que los transmisores de menor potencia que operaban a alta frecuencia se comunicaran a distancias similares reflejando sus ondas de radio en una capa de átomos ionizados en la ionosfera , y las estaciones de comunicación por radio de larga distancia cambiaron a las frecuencias de onda corta . El transmisor VLF de Grimeton en Grimeton cerca de Varberg en Suecia , uno de los pocos transmisores restantes de esa época que se ha conservado como monumento histórico, puede ser visitado por el público en ciertos 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 los barcos y aviones determinar su posición geográfica comparando la fase de las ondas de radio recibidas de los transmisores de balizas de navegación VLF fijas .

El sistema mundial Omega utilizó frecuencias de 10 a 14 kHz, al igual que el Alpha de Rusia .

La frecuencia VLF también se utilizó para transmisiones de frecuencia y horario 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 modulación 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 a larga distancia y para la investigación de fenómenos atmosféricos como la aurora. Las mediciones de silbidos se emplean 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.

Las frecuencias VLF también pueden penetrar el suelo y la roca a cierta distancia, por lo que estas frecuencias también se utilizan para sistemas de comunicaciones mineras 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, su alta fiabilidad 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 pueden penetrar el agua de mar, los militares utilizan las frecuencias VLF para comunicarse con submarinos cerca de la superficie, mientras que las frecuencias ELF se utilizan para submarinos sumergidos a gran profundidad.

Ejemplos de transmisores VLF navales son

• Estación de transmisión Skelton de Gran Bretaña en Skelton, Cumbria
• El DHO38 de Alemania en Rhauderfehn , que transmite en 23,4 kHz con una potencia de 800 kW
• Estación de radio naval estadounidense Jim Creek en Oso, estado de Washington, que transmite en 24,8 kHz con una potencia de 1,2 MW
• Estación de radio naval estadounidense Cutler en Cutler, Maine , que transmite en 24 kHz con 1,8 MW.

Desde 2004, la Armada de Estados Unidos ha dejado de utilizar transmisiones ELF, con la afirmación de que las mejoras en la comunicación VLF las han hecho innecesarias, por lo que es posible que haya desarrollado tecnología para permitir que los submarinos reciban transmisiones VLF mientras están en profundidad operativa.

Los transmisores terrestres y aéreos de alta potencia en 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 de entre 20 kW y 2000 kW. Los submarinos reciben señales de transmisores terrestres y aéreos mediante algún tipo de antena remolcada que flota justo debajo de la superficie del agua, por ejemplo, una antena de matriz de cables flotante (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 que caen en todo el mundo) y las señales de los canales adyacentes, lo que amplía el alcance útil de recepción. Los bombarderos nucleares estratégicos de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos reciben señales VLF como parte de operaciones reforzadas de resistencia nuclear.

Se pueden utilizar dos conjuntos 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 descifrar los mensajes cifrados; las comunicaciones militares suelen utilizar códigos de un solo uso irrompibles, ya que la cantidad de texto es muy pequeña.

La Unión Internacional de Telecomunicaciones no ha asignado el rango de frecuencias por debajo de los 8,3 kHz y en algunos países puede utilizarse sin necesidad de licencia. En algunos países, a los radioaficionados se les ha concedido permiso (o se les ha concedido permiso) para operar en frecuencias inferiores a los 8,3 kHz. ^[12]

Las operaciones tienden a concentrarse alrededor de las frecuencias de 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 bloqueada en una referencia estable, como un oscilador disciplinado por GPS o un estándar de rubidio, para soportar una detección y decodificación coherentes de tan larga duración.

La potencia radiada por las estaciones de radioaficionados es muy pequeña, oscilando entre 1 μW y 100 μW para antenas de estaciones base fijas, y hasta 10 mW para antenas tipo cometa o globo. A pesar de la baja potencia, la propagación estable con baja atenuación en la cavidad tierra-ionosfera 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 gran antena de cable. 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 amplio procesamiento de señales digitales para recuperar las señales débiles de debajo de la interferencia de los armónicos de la línea eléctrica y las atmósferas de radio VLF . Las intensidades de señal recibidas útiles son tan bajas como3 × 10 ⁻⁸  voltios/metro (campo eléctrico) y1 × 10 ⁻¹⁶  tesla (campo magnético), con velocidades de señalización típicamente entre 1 y 100 bits por hora.

Las señales VLF son monitoreadas frecuentemente por radioaficionados usando receptores de radio VLF caseros simples 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 de la 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 fuentes importantes 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 con una perturbación ionosférica repentina . Estas hacen que el nivel de ionización aumente en la ionosfera, lo que produce un cambio rápido en la amplitud y la fase de la señal VLF recibida.

Para obtener una lista más detallada, consulte Lista de transmisores VLF

• Comunicación con submarinos
• Sistema de navegación OMEGA , 1971–1997
• Radio atmosférica

• Romero, R. (2006). Radio Natura (en italiano). Albino, Italia: SANDIT Srl
• Klawitter, G.; Oexner, M.; Herold, K. (2000). Langwelle und Längstwelle (en alemán). Meckenheim, Alemania: Siebel Verlag GmbH. ISBN 978-3-89632-043-8.
• Friese (enero de 2006). "Recepción de ondas muy bajas con antenas de ferrita de 5-50 kHz" (PDF) .

• Club de onda larga de América
• Ondas de radio por debajo de 22 kHz
• Grupo de discusión VLF
• Tomislav Stimac, " Definición de bandas de frecuencia (VLF, ELF... etc.) ".
• Recepción VLF basada en PC
• Galería de señales VLF
• Transmisión en vivo de la NASA: Receptor ELF -> VLF NOTA: A partir del 03/05/2014, los enlaces "Escuchar en vivo" están inactivos, pero el sitio tiene algunos ejemplos grabados previamente para escuchar.
• Red mundial de localización de rayos
• Grupo VLF de la Universidad de Stanford
• Monitor VLF de la Universidad de Louisville
• El sitio de frecuencias muy bajas de Larry
• Receptor VLF en vivo en línea de Mark, Reino Unido Archivado el 28 de febrero de 2009 en Wayback Machine.
• Receptor de tubo VLF IW0BZD
• Guía de escucha de VLF basada en Internet con lista de servidores
• Lista de transmisores VLF