PROBLEM ODBIERANIA FAL ULTRADŁUGICH
PRZEZ ZANURZONE ŁODZIE PODWODNE.

WSTĘP [1]

Bardzo długie fale radiowe są typową falą elektromagnetyczną, jednak fakt bardzo dużej wartości długości fali (niskiej częstotliwości)
skutkuje ich nietypowymi właściwościami, czyniąc z nich obiekt zainteresowania zarówno badaczy cywilnych,
jak i służb mundurowych, zwłaszcza wojskowych.

W wyniku bardzo małego tłumienia i dużej dyfrakcji, czyli ugięcia na przeszkodach (głównie naturalnych)
fale bardzo długie rozchodzą się na bardzo duże odległości, rzędu 1000 – 2000 km za pomocą fali powierzchniowej
(rozchodzącej się wzdłuż powierzchni ziemi na granicy ziemia – powietrze).
W przypadku większych odległości od nadajnika zaczyna przeważać natężenie fali odbitej od dolnej warstwy jonosfery,
czyli naelektryzowanej warstwy atmosfery (występującej powyżej 50–60 km nad powierzchnią Ziemi).
Zasięg tych fal sięga wówczas już kilku tysięcy kilometrów, co sprawia, że są one idealnym medium 
do przesyłania informacji na dalekie odległości. Co więcej warunki propagacji fal długich ulegają małym i powolnym zmianom w czasie.

Fale z tego zakresu widmowego charakteryzują się również możliwością przenikania przez morską wodę oraz,
choć tu odległości nie są zbyt imponujące, bo sięgają zaledwie kilkudziesięciu metrów.
Daje to jednak szansę komunikowania się z zanurzonymi okrętami podwodnymi, co ma niebagatelne znaczenie
na współczesnym polu walki. W praktyce sygnał ten jest głównie wykorzystywany do przesłania informacji o konieczności
wynurzenia się okrętu, bądź wystawienia anteny powyżej poziomu wody i odebrania w krótkim czasie właściwego meldunku.

ISTOTA PROBLEMU.

Do zajęcia się tym tematem zdopingowało mnie lakoniczne objaśnienie, jakie usłyszałem w audycji radiowej
dotyczące za pomocą jakiej anteny odbierano sygnały, wysyłane z Nadajnika Babice w zanurzonych łodziach podwodnych.
Stwierdzono, że dwie rury spięte kondensatorem odbierały bardzo krótki sygnał radiotelegraficzny, na falach ultra długich,
a więc małej częstotliwości, zapowiadający przesyłanie wiadomości właściwej.
Wówczas łódź wynurzała się o kreślonym czasie i na znanej częstotliwości odbierała wiadomość.
Wg mnie zakodowaną i prawdopodobnie skompresowaną, a więc nadawaną z bardzo dużą szybkością, czyli w bardzo krótkim czasie.
Taki sposób komunikowania się znacznie utrudniał wykrycie łodzi podwodnej.

Wydaje się, że będzie pożyteczne poświęcić kilka zdań dlaczego fale elektromagnetyczne ultra długie,
umożliwiają komunikowanie się z zanurzonymi w wodzie morskiej łodziami podwodnymi. Należy zaznaczyć,
że podstawowym problemem oprócz zachowania się tych fal w wodzie morskiej jest problem ich odbioru.

PODSTAWOWE WIADOMOŚCI O ANTENACH ODBIORCZYCH.

Zadaniem anteny odbiorczej jest przekształcenie energii pola elektromagnetycznego na sygnał elektryczny.
Jakość tego przekształcania może być określona "skuteczną wysokością" h anteny,
współczynnikiem łączącym natężenia pola elektrycznego E z wartością SEM - e wytwarzanej przez antenę.
Jak wiadomo skuteczna wysokość zależy od stosunku wymiarów geometrycznych anteny do długości fali odbieranej;
wyraża się ją w jednostkach długości. Najprostszym modelem anteny jest dipol Hertza, rys. 1.

Rys. 1 Dipol Hertza.

Skuteczna jego wysokość jest równa jego długości 2l, a SEM na jego wyjściu określa prosty wzór e = E x h = Ex 2l.
Zdolność dipola do odbiorów fal radiowych jest niejednakowa dla różnych kierunków, co ilustruje charakterystyka kierunkowa,
rys. 2, wskazująca stosunek SEM anteny wzbudzonej przez falę z danego kierunku do maksymalnej SEM wzbudzonej przy odbiorze
z kierunku głównego. Główne kierunki odbioru przez dipol Hertza znajdują się w płaszczyźnie równikowej,
tzn. w płaszczyźnie prostopadłej do osi dipola i przechodzącej przez jego środek, rys. 2.

Rys. 2 Pozioma charakterystyka kierunkowa dipola Hertza.

Oprócz anten w postaci pionowego dipola używa się również antenę w postaci pętli, zwaną antenę ramową, rys. 3.

Rys. 3  Dipol magnetyczny w postaci anteny ramowej.

Zwykle antena ramowa ma bardzo małe rozmiary, dużo razy mniejsze od długości fali.
W takiej antenie fala elektromagnetyczna docierając do płaszczyzny ramy prostopadle,
powoduje że w tym samym czasie w jej ramionach indukują  się prądy o przeciwnych kierunkach,
praktycznie ich wpływ wzajemnie znosi się, jej czułość jest najmniejsza.
Im większa jest różnica dróg docierania fali do pionowych części ramy, tym mniejsza jest wzajemna kompensacja indukowanych prądów
w przeciwnych gałęziach i powstają na jej wyjściu większe prądy. Tak więc antena ramowa ma największą czułość w poziomie
w płaszczyźnie zwoju. Jej charakterystyka kierunkowa ma w płaszczyźnie poziomej kształt ósemki, rys. 4.
Jednak jej czułość ze względu na krótkie boki i małą odległość między przeciw fazowymi jej elementami jest znacznie mniejsza
od czułości dipola Hertza. Z tego względu anteny ramowe są rzadko używane jako odbiorcze na powierzchni ziemi.
Jednak mają zalety przy ich wykorzystaniu do odbioru sygnałów w wodzie morskiej.

Rys. 4 Pozioma charakterystyka kierunkowa  dipola magnetycznego.

Należy zauważyć, że w przypadku komunikowania się z łodziami podwodnymi, z konieczności do odbioru fal ultra długich
muszą być wykorzystywane anteny bardzo małe w stosunku do ich długości.
Jest to trudny problem nawet dla komunikowania się w powietrzu, który pogłębia się,
gdy mała antena znajduje się w ośrodku przewodzącym, jakim jest woda morska.

FALA ELEKTROMAGNETYCZNA NA GRANICY DIELEKTRYK - WODA MORSKA.

Dla wprowadzenia w temat rozpatrzymy płaską falę elektromagnetyczną rozprzestrzeniającą się z dielektryka,
jakim jest powietrze, do ośrodka przewodzącego, jakim jest woda morska i w niej się przemieszcza, rys. 5.

Rys. 5 Wektory elektryczny E i magnetyczny H płaskiej fali elektromagnetycznej padającej na granicę dielektryk ośrodek przewodzący.

Traktując morze jako obszar nieskończenie rozległy, a padająca fala wewnątrz ośrodka przewodzącego nie napotyka na przeszkodę,
więc nie pojawia się fala odbita. Teoretyczne rozważania wykazują, że podczas przemieszczania się w głąb przewodzącego ośrodka,
amplitudy jej składowych: elektrycznej E i magnetycznej H maleją wykładniczo z argumentem w postaci funkcji sinusoidalnej.
Argument sinusa zależy od t i od współrzędnej z. Jednak mają one nadal takie same kierunki jak w dielektryku,
czyli są prostopadłe do kierunku padania fali i równoległe do powierzchni rozdziału dielektryka i ośrodka przewodzącego.

Dla orientacyjnego określenia jak szybko maleje amplituda fali w ośrodku przewodzącym, wprowadzono pojęcie głębokości wnikania .
Pod tym pojęciem rozumie się malenie, składowej elektrycznej E lub magnetycznej H,  przemieszczającej się fali,
o jeden neper czyli e= 2,7183 razy, (8.7 decybeli). Wtedy wykładnik określający intensywności malenia fali jest równy jedności k= 1,
gdzie k jest współczynnikiem załamania. Głębokość wnikania zależy od własności ośrodka przewodzącego: - względnej przewodności
i - względnej przenikalności magnetycznej oraz pulsacji  =  6.28 f, gdzie f jest częstotliwością fali.
Dla średniej przewodności wody morskiej 1mo/m i dla częstotliwości 15 kH, czyli długości fali 20 km,
głębokość wnikania jest równa ok. = 2 m.

Sytuacja się zmienia radykalnie, gdy fala z dielektryka, (powietrza) porusza się do powierzchni rozdziału dielektryk
- ośrodek przewodzący (woda morska) pod pewnym kątem, rys. 6.

Rys. 6 Proces załamania skośnej fali elektromagnetycznej na granicy dielektryka i ośrodka przewodzącego.

Wówczas bowiem, ponieważ przewodność wody morskiej jest dużo większa od powietrza, fala doznaje załamania
w kierunku zbliżonego do pionu, na głębokość wnikania. Poruszając się w wodzie jest tłumiona, traci energię,
podobnie jak to miało miejsce w  przypadku fali płaskiej. Współczynnik załamania k dla wody morskiej jest równy ok. 1600,
co powoduję, że odchylenie fali jest tak duże, iż fala porusza się prawie pionowo, prostopadle do powierzchni morza.
Tak więc wektory pól: elektrycznego E i magnetycznego H, znajdują się prawie w płaszczyźnie równoległej do powierzchni morza.

ANTENY ODBIORCZE W WODZIE MORSKIEJ.

Przemieszczanie się fali elektromagnetycznej w wodzie morskiej pionowo, a więc gdy jej składowe elektryczna E i magnetyczna H
skierowane są poziomo, uniemożliwia stosowanie elektrycznych lub magnetycznych pionowych dipoli,
reagujących na pionowe jej składowe, jakie są powszechnie stosowane w powietrzu nad powierzchnią ziemi.
Wówczas jako anteny odbiorcze mogą być wykorzystywane jedynie dipole z poziomymi osiami: magnetyczny w postaci cewki
lub ramki z poziomymi osiami, a więc ze zwojami prostopadłymi do granicy rozdziału ośrodków, zaopatrzony w osłonę izolującą je od wody,
rys. 7, lub poziome dipole rurowe bezpośrednio zanurzone w wodzie.

Rys. 7 Schemat dipola magnetycznego w postaci cewki, dla odbioru prawie pionowych sygnałów w ośrodku przewodzącym.

Rozważania teoretyczne wskazują [2], że osłona izolująca zwoje powinna mieć jak najmniejsze rozmiary.
Bowiem wypromieniowana lub odbierana przez zwój moc jest odwrotnie proporcjonalna do jej średnicy.
Wspomniane anteny mają zalety i wady. Wskutek tego, że magnetyczne właściwości wody i powietrza są jednakowe,
antena w postaci cewki, będzie jednakowo pracować w wodzie i na powierzchni. Ma ona jeszcze dodatkową zaletę,
gdyż może być obracana i służyć do pelengacji kierunku docierania sygnału.
Natomiast w przypadku stosowania jako anteny dipola elektrycznego, ponieważ własności przewodzące wody i powietrza różnią się znacznie,
więc i kierunki fali w powietrzu i w wodzie są różne, są do siebie prawie prostopadłe,
co uniemożliwia wykorzystanie dipoli elektrycznych przystosowanych do pracy w wodzie, do odbioru sygnałów na powierzchni.

Źródła:

[1] http://www.kopernik.org.pl/bazawiedzy/artykuly/emvlf-bardzo-dlugie-fale-radiowe/

[2] Rasprosrtanienije dlinnych i swierchdlinnych radiowołn. Zbornik statii.
(Rozprzestrzenianie długich i bardzo długich fal radiowych, Zbiór prac.) Wydawnictwo zagranicznych artykułów, Moskwa 1960.

[3] Teorieticzeskije osnowy eliektrotiechniki, L. A. Bessonow , Wydatwnictwo „Wyższa Szkoła” Moskwa 1967.

[4] Anteny i ich zasilanie, D.P. Linde, Warszawa 1955 PWT.

Ireneusz Dobiech, 4 sierpnia 2016 roku (opublikowano 20.10.2016.)

ZAPOZNAJ SIĘ TEŻ Z NOWĄ, DOŚWIADCZALNĄ STRONĄ PT.

ZNAJDZIESZ JĄ POD ADRESEM: http://dobiech-ireneusz.jimdo.com

CIĄG DALSZY NASTĄPI