접지 쌍극자

Ground dipole
1982년 미국 해군 클램 레이크, 위스콘신 엘프 송신기. 교차된 두 개의 접지 쌍극 안테나로 구성된 송전선로의 통행권 구간이 왼쪽 아래 숲을 통과하는 것을 볼 수 있다.

무선 통신에서는 접지 쌍극 안테나, 전송선 안테나라고도 하며,[1][1] 기술 문헌에서는 수평 전기 쌍극자(HED)라고도 하며,[1][2][3] 극저주파(ELF) 전자파를 방사하는 거대하고 전문화된 형태의 무선 안테나다.[4][5] 흔히 ELF파라 불리는 3Hz~3kHz 주파수 범위에서 실질적인 전력량을 방사할 수 있는 유일한 송신 안테나 유형이다.[5] 접지 쌍극자는 지구에 매장된 두 개의 지상 전극으로 이루어져 있으며, 수십에서 수백 킬로미터로 분리되어 있으며, 그 사이에 위치한 발전소 송신기에 오버헤드 전송선에 의해 연결되어 있다.[1][5] 교류 전기는 지면을 통해 전극 사이에 거대한 고리 모양으로 흐르며 ELF 파동을 방사하므로 지면은 안테나의 일부분이다. 가장 효과적이기 위해, 지반 이중돌은 반드시 특정한 종류의 지하 암석 형태 위에 위치해야 한다.[5] 이 아이디어는 1959년 미국 국방 물리학자 니콜라스 크리스토필로스 학장이 제안한 것이다.[5]

비록 소형 지상 쌍각형은 지질학 및 지구물리학 연구에서 센서로서 수 년 동안 사용되어 왔지만, 안테나로서 유일하게 수중 잠수함과 통신하기 위한 몇몇 군용 엘프 송신기 시설에서 사용되었다. 작은 연구와 게다가 실험 antennas,[5][6]4본격적인 땅 쌍극자 설치됐다고 하는데 두 미국 해군 공화국, 미시건, 그리고 클램 레이크 Wisconsin,[2][7][8]에 하나를 러시아 해군에 의해 무르만스크, Russia,[8][9][10]근처의 콜라 반도에 인도에서 그리고 이민 귀화국 Kattabomman 해군 기지에 알려져 있다.[11][12] 미국의 시설은 1985년에서 2004년 사이에 사용되었지만 지금은 해체되었다.[8]

ELF 주파수의 안테나

초저주파수의 공식 ITU 정의는 3Hz~30Hz이지만, 해당 파장의 3Hz~3kHz의 넓은 주파수 대역은 10만km에서 100km까지 [1]ELF 통신에 사용되며 흔히 ELF파라고 불린다.[13] 미국과 러시아 송신기에서 사용되는 주파수(약 80Hz)[1][14]는 지구 지름의 약 4분의 1인 3750km(2300마일) 길이의 파동을 발생시킨다.[a][15] ELF 파동은 그러한 긴 파도에 대한 효율적인 안테나를 구축하기 어렵기 때문에 매우 적은 수의 인공 통신 시스템에서 사용되어 왔다. 일반적인 유형의 안테나(반파 쌍극자 및 4파 단극자)는 크기 때문에 이렇게 극히 긴 파도에 대해서는 제작할 수 없다. 80Hz의 반파 쌍극자는 길이가 1162마일이다. 그래서 ELF 주파수를 위한 가장 큰 실용적인 안테나조차도 그들이 방사하는 파장의 파장보다 훨씬 작은 전기적으로 매우 짧다.[1] 이것의 단점은 안테나의 크기가 파장 이하로 줄어들면서 효율이 떨어진다는 것이다.[1] 한 안테나의 방사선 저항하고 그것이 양,(.mw-parser-output .frac{white-space:nowrap}.mw-parser-output.frac.num,.mw-parser-output.frac .den{:80%;line-height:0;vertical-align:슈퍼 font-size}.mw-parser-output.frac .den{vertical-align:서브}.mw-parser-output .sr-only{에 비례한다.국경:0;클립:rect(0,0,0,0), 높이:1px, 마진:-1px, 오버 플로: 숨어 있었다. 패딩:0;위치:절대, 너비:L은 길이와 λ은 파장 1px}L⁄λ)². 그래서 물리적으로 큰 ELF 안테나라도 방사선 저항이 매우 작아서 입력 전력의 극히 일부분만 ELF 파동으로 방출한다; 그것에 적용되는 대부분의 전력은 안테나 내의 다양한 저항에서 열로 소멸된다.[5] ELF 안테나는 수십에서 수백 킬로미터의 길이여야 하며, 몇 와트의 ELF 방사라도 생성하려면 메가와트 범위의 강력한 송신기에 의해 구동되어야 한다. 다행히 거리에 따른 ELF 파형의 감쇠가 너무 낮아서(1000km당 1–2dB)[5] 몇 와트의 복사력은 전 세계적으로 통신하기에 충분하다.[2]

두 번째 문제는 파도의 필수적 양극화에서 비롯된다. 엘프파는 자기장 라인의 방향이 수평이고 전기장 라인이 수직인 수직 양극화 속에서만 장거리를 전파한다.[1] 수직 편광 파동을 발생시키기 위해서는 수직 방향 안테나가 필요하다. 충분히 큰 재래식 안테나가 지구 표면에 만들어질 수 있다고 해도, 이것들은 수직으로 편광된 파동이 아니라 수평으로 편광된 파동을 발생시킬 것이다.

역사

잠수함이 물에 잠길 경우 모든 일반 전파신호에서 바닷물에 가려져 군 지휘당국과의 통신이 차단된다. VLF 전파는 바닷물에 50~75피트까지 침투할 수 있고 2차 세계대전 이후 잠수함과 교신하는데 사용됐지만 잠수함은 수면 가까이 올라가야 해 탐지에 취약하다. 1958년 ELF 파동이 바닷물 속으로 더 깊이 침투할 수 있다는 깨달음은 미 물리학자 니콜라스 크리스토필로스로 하여금 미 해군이 이를 이용해 잠수함과 교신할 것을 제안하게 했다.[7][15] 미군은 ELF 주파수에서 사용하기 위해 많은 종류의 안테나를 연구했다. 크리스토필로스는 수직 루프 안테나를 만들기 위해 지구에 전류를 적용하자고 제안했고, 이것이 가장 실용적인 디자인임이 분명해졌다.[1][15] 지상 쌍극형 아이디어의 실현가능성은 1962년 와이오밍에서 42km의 임대 전력선으로, 1963년에는 웨스트 버지니아에서 노스캐롤라이나까지 연장된 176km의 원형 와이어 안테나를 가지고 시험되었다.[5][15]

접지 쌍극의 작동 방식

미국의 클램 레이크 안테나와 비슷한 지상 쌍극 안테나로 작동 방식을 보여준다. 교류, I는 명확성을 위해 루프를 통해서만 한 방향으로 흐르는 것을 보여준다.

접지 쌍극자는 수직 방향의 거대한 루프 안테나[5][16] 역할을 한다(그림, 오른쪽 참조). 그것은 두 개의 넓게 분리된 전극(G)이 지면에 묻혀 있고, 그 사이에 위치한 송신기(P)에 오버헤드 전송 케이블로 연결되어 있다. 송신기(I)에서 나오는 교류는 한 전송선을 통해 순환하며, 한 접지 전극에서 다른 전송선에 이르는 암반 깊숙한 곳까지, 그리고 다른 전송선을 통해 다시 돌아간다. 이것은 루프를 통해 교대 자기장(H)을 생성하며, ELF 파동을 방사한다. ELF파는 주파수가 낮기 때문에 피부 깊이가 크고 지구를 통해 상당한 거리를 관통할 수 있기 때문에 안테나의 절반이 땅 밑에 있는 것은 문제가 되지 않는다. 생성되는 자기장의 축은 수평이기 때문에 수직으로 편극되는 파동을 발생시킨다. 안테나의 방사선 패턴은 방향, 쌍극자 패턴으로, 송신선 끝에서 떨어진 루프 평면에 2개의 로브(최대)가 있다.[3][5] 미국의 설비에서는 안테나에서 전류의 상대 위상을 변경하여 빔을 어떤 방향으로든 조향할 수 있도록 서로 수직으로 향하게 하는 두 개의 접지 쌍극이 사용된다.

루프 안테나에 의해 방사되는 전력량은 (IA)에 비례하며,2 여기서 나는 루프에 있는 AC 전류이고 A는 폐쇄된 영역이다.[5] ELF 주파수에서 실제 전력을 방출하기 위해서는 루프는 수백 암페어의 전류를 운반하고 적어도 몇 평방마일의 면적을 둘러싸야 한다.[5] 크리스토필로스는 밑에 있는 바위의 전기 전도도가 낮을수록 전류가 더 깊이 흐를 것이고, 유효 루프 면적이 더 크다는 것을 발견했다.[2][5] 무선 주파수 전류는 그 주파수에서 지면의 피부 깊이와 동일한 깊이까지 지면으로 침투할 것이며, 이는 지면 전도도 σ의 제곱근에 반비례한다. 땅은 쌍극자 A=.mw-parser-output .sfrac{white-space:nowrap}.mw-parser-output.sfrac.tion,.mw-parser-output.sfrac .tion{디스플레이:inline-block, vertical-align:-0.5em, font-size:85%;text-align:센터}.mw-parser-output.sfrac .num,.mw-parser-output.sfrac .den{디스플레이:블록, line-height:1em, 마진:00.1em}.mw-par의 효과적인 면적과 루프를 형성한다.그 전선의 L은 총 길이와 δ는 피부 깊이 나는 δ, .sr-only{국경:0;클립:rect(0,0,0,0), 높이:1px, 마진:-1px, 오버 플로: 숨어 있었다. 패딩:0;위치:절대, 너비:1px}1/√2 Ser-output.sfrac .den{border-top:1px 고체}.mw-parser-output.[5][14] 따라서 접지 쌍극은 저전도도 지하 암석 형성 위에 위치한다(이는 송신기의 저저항 접지 연결을 위해 양호한 접지 전도성이 필요한 일반 무선 안테나와는 대조적이다). 두 개의 미 해군 안테나는 2×10−4 지멘스/m의 전도도가 비정상적으로 낮은 캐나다 방패(로렌티안 방패) 대형 미시간주 어퍼 반도에 위치했다.[2][17][5] 안테나 효율이 20dB 증가.[3] 러시아 송신기 부위의 지구 전도도는 더욱 낮다.[14]

민간 응용 프로그램이 없기 때문에 안테나 기술 문헌에는 지상 쌍극점에 대한 정보가 거의 없다.

미국 해군 ELF 안테나

주요 기사: 프로젝트 상그린
미국 해군 ELF 송신기의 위치를 보여주는 지도. 빨간색 선은 접지 쌍극 안테나 경로를 보여준다. 클램 레이크 시설(왼쪽)에는 지상 2중창 2개가 교차했다. 공화국 시설은 동서 방향으로 2개의 14마일의 쌍극점, 남북 방향으로 1개의 28마일의 쌍극점이 있었다. 이중의 다른 형태는 토지 이용가능성에 의해 결정되었으며, 설계상의 차이를 나타내지 않았다.

미 해군은 당초 몇 개의 대형 시스템(프로젝트 상그린)을 검토한 뒤 위스콘신 주 클램 레이크에 ELF 송신기 2대를 건설했고, 나머지 1대는 145마일 떨어져 있는 공화국의 미시건 주에 건설해 76Hz로 전송했다.[2][4] 그것들은 독립적으로 작동하거나 더 큰 출력 전력을 위해 하나의 안테나로서 위상 동기화될 수 있다.[4] 최초의 시험시설인 클램 레이크 부지는 1982년[4] 첫 신호를 전송해 1985년부터 운영을 시작했으며, 공화국 부지는 1989년에 가동됐다. 2.6메가와트의 입력 전력으로, 두 사이트가 함께 작동하는 총 복사 엘프 출력 전력은 8와트였다.[2] 그러나, ELF파의 낮은 감쇠로 인해 이 작은 복사력은 지구 표면의 약 반을 넘는 잠수함들과 통신할 수 있었다.[18]

두 송신기는 2004년에 모두 정지되었다.[8][19] 공식적인 해군의 설명은 VLF 통신 시스템의 발전이 그들을 불필요하게 만들었다는 것이었다.[8]

러시아 해군 ZEVS 안테나

주요기사 : ZEVS(송신기)

러시아 해군은 러시아 북부 콜라 반도의 무르만스크 남동쪽 30km 지점에 위치한 잠수함과의 통신을 위해 ZEVS("Zeus")라는 이름의 ELF 송신기를 운영하고 있다.[9][10] 1990년대 스탠퍼드대 등에서 이 신호들이 포착됐다.[10][14] 일반적으로 MSK(최소 변속 키잉) 변조를 사용하여 82Hz에서 작동한다.[10] 20–250 Hz의 주파수 범위를 커버할 수 있다고 알려져 있지만.[9][14] 그것은 200~300암페어의 전류로 구동되는 60km 길이의 평행 지상 쌍극 안테나 2개로 구성되어 있다고 한다.[10][14] 인터셉트된 신호에서 계산한 결과, 미국 송신기보다 10dB 더 강력하다는 것을 알 수 있다.[14] 그것들과 달리 그것은 군사 통신 외에 지구 물리학 연구에 사용된다.[9][10]

인도 해군 안테나

주요 기사: INS 카타봄만

인도 해군은 타밀나두의 INS 카타봄만 해군기지에 아리한트급 및 아쿨라급 잠수함과 교신할 수 있는 작전 ELF 통신시설을 갖추고 있다.[11][12]

복사력

접지[5] 쌍극자에 의해 방사되는 총 전력은

여기서 f는 주파수, I는 루프에 있는 RMS 전류, L은 송신선의 길이, c는 빛의 속도, h는 전리권의 D층 지상고, σ은 지상 전도도다.

전기적으로 작은 루프 안테나의 복사 전력은 보통 주파수의 네 번째 전원으로 스케일링하지만 ELF 주파수에서 전리층의 영향은 주파수 제곱에 비례하는 전력의 덜 심각한 감소를 초래한다.

수신 안테나

일부 라디오 아마추어는 이러한 목적을 위해 작은 것을 사용하지만, 그라운드 쌍극점은 ELF 신호의 수신을 위해 필요하지 않다. 대신 수신에는 다양한 루프와 페라이트 코일 안테나가 사용됐다.

ELF 주파수에서 안테나를 수신하는 요건은 송신 안테나보다 훨씬 덜 엄격하다.[b] ELF 수신기에서 신호의 노이즈는 대역의 큰 대기 소음이 지배한다. 심지어 작고 비효율적인 수신 안테나가 포착한 작은 신호에도 수신기 자체에서 발생하는 소량의 소음을 크게 초과하는 소음이 포함되어 있다.[c] 외부 소음이 수신을 제한하는 것이기 때문에 차단된 신호가 내부 소음을 압도하기 위해서는 안테나로부터의 전력이 거의 필요하지 않기 때문에 소형 수신 안테나를 단점 없이 사용할 수 있다.

참고 항목

각주

  1. ^ λ = c/f = 3×10m8/s/80Hz = 3750km
  2. ^ 신호 대 소음 비율(SNR)은 모든 무선 수신의 제한 요소로서, 제한 소음은 수신기 외부와 수신기 자체 회로 내부에서 모두 발생한다. 수신 안테나의 제약조건은 외부 및 내부 배경 소음으로부터 두드러질 정도로 강한 신호를 차단해야 한다는 것이다.
  3. ^ 대기 소음은 약 1,500kHz 이하의 모든 주파수에서 우세하다.

참조

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