Propagatie van LF en VLF golven 1
Inleiding
In amateurhandboeken en -tijdschriften vormen de VLF-frequentiebanden een witte vlek op de kaart. Dit komt natuurlijk doordat we geen frequenties tot onze beschikking hebben om er te zenden, maar dat wil nog niet zeggen dat er niets te horen is wat interessant kan zijn. Temeer omdat er onder andere facsimile en RTTY signalen voorkomen, is het wellicht aardig om eens in te gaan op het waarom van de VLF en LF uitzendingen.
Er is niet alleen een traditie op die frequenties, omdat ze het eerst door de vroege zendapparatuur gebruikt werd. Een goede radiopropagatie is een duidelijk pluspunt voor de toepassing van LF en VLF systemen, in tegenstelling tot de HF systemen. Vooral nauwkeurige tijdzenders en navigatieketens moeten het hebben van een stabiele, of in elk geval nauwkeurig voorspelbaar gedrag van de radiopropagatie op de werkfrequenties.
Militaire toepassingen zijn er eveneens: de doordringing van de VLF radiogolf is vrij groot. Dat wil zeggen dat de radiogolf vrij ver kan doordringen in een geleider, zoals bijvoorbeeld zeewater. Onderzeeërs kunnen zo bereikt worden vanaf de wal, terwijl ze enige tientallen meters diep onder water varen. Zout water is een tamelijk goede geleider, zodat de golf al snel gedempt wordt; voor een frequentie van 10 kHz is de demping ca 3,5 dB per meter. Zoet water is een veel slechtere geleider en daar is de demping slechts 0,07 dB per meter (f = 10 kHz). Niettemin is voor toepassingen boven water de geleidbaarheid van de ondergrond van belang; zee is een goede geleider en vormt dus een "goede" aarde voor de golven in de VLF en LF band. Land, zoet water en vooral ijsmassa's hebben invloed op de propagatie en het aldaar ontvangen signaal, omdat zij geen goede geleiders zijn. Niettemin is vooral de VLF propagatie erg verliesarm. Andere nadelen die aan de VLF band (en in mindere mate de LF band) kleven zijn de grote antennes, de lage efficiëntie van de zendantennes, een smalle band vol met zenders en een fikse hoeveelheid static. Voor VLF geldt dat het gebied tussen 10 en 14,5 kHz aan navigatieinstrumenten is voorbehouden. De communicatiezenders zenden uit tussen 15 en 25 kHz, om redenen van propagatie wordt er tussen 25 en 40 kHz vrijwel niet uitgezonden.
Kortom: iedere gebruiker van de VLF band moet zijn stekje vinden in een bandje van 10 kHz breedte. De bandbreedte van de zenders is dus noodzakelijkerwijs erg smal en dat houdt in dat de informatietransmissiesnelheid (de baudrate) erg laag moet zijn. De bandbreedte van een signaal is namelijk minimaal gelijk aan de hoeveelheid informatie die per sekonde wordt verstuurd. Het duurt dus lang om gegevens uit te zenden (de baudrate zal in de orde van 50 tot 100 bits zijn bij de VLF stations).
Toch worden er nog steeds toepassingen bedacht voor de VLF band en LF band. Dat komt door de propagatie daar en hoe dat zit volgt nu.
1. De aarde-ionosfeer golfpijp
Hoewel het niet zo voor de hand liggend lijkt, heeft de propagatie van radiogolven met frequenties onder 100 kHz heel veel te maken met de ionosfeer. De golven worden door de ionosfeer namelijk nog vrij goed gereflekteerd, ondanks de grote golflengte. Op HF-banden merken we dit direkt in de vorm van "skip", waarbij de Een F lagen in de ionosfeer dienst doen als een soort spiegel. De golven worden echter niet echt gespiegeld, maar afgebogen. Is de invalshoek van de radiogolf niet erg groot en de golflengte klein ten opzichte van de dikte van de ionosferische lagen, dan volgt het signaal een kromme baan in de ionosfeer om er vervolgens weer uit te komen en dan terug naar de aarde komt. Op de VLF band echter is de golflengte zeer groot (meer dan 100 km) en gedraagt de ionosfeer zich anders. De golflengte is dan veel langer dan de dikte van de onderste laag in de ionosfeer, de D-laag. Voor VLF golven is de D-laag een scherpe begrenzing van de ionosfeer. Het gevolg hiervan is dat de golf gereflekteerd wordt tegen de D-laag en dus de E- en F-lagen niet of nauwelijks invloed hebben op de voortplanting van de VLF golven. Doordat de D-laag vrij abrupt begint op ca 90 km hoogte en doordat de ionosfeer een redelijk goede geleider is, vindt er een goede reflektie plaats van de VLF golven tegen de D-laag. De LF golven, vooral boven ca 60 kHz, worden minder goed door de D-laag gereflekteerd. Ze dringen er beter doorheen en worden dan tegen de E- of F-laag afgebogen.
Zoals de ionosfeer de "bovenkant" van de radiogolf begrenst, doet de aarde dienst als "onderkant". De aarde is voor VLF golven een redelijk goede geleider (vooral de oceanen) en de radiogolf zal op de aarde gereflekteerd worden.
Het blijkt dus dat de radiogolven zijn opgesloten tussen twee concentrische bollen: de kleinste bol is de aarde en de grotere bol is de ionosfeer, vooral de D-laag is daar van belang. Men kan deze opsluiting van radiogolven ook waarnemen bij golfpijpen, zoals die b.v. voor 10 GHz bestaan. Binnen een "echte" golfpijp wordt de radiogolf aan twee kanten begrensd door gladde metalen wanden en naar analogie hiervan mogen we de VLF propagatie beschrijven in termen van staande golven in een bolvormige golfpijp, de aarde-ionosfeer golfpijp. De golven kunnen zich slechts voortplanten als een soort "vertikale" staande golven tussen de wanden en deze staande golven worden "modi" van de golfpijp genoemd. Daar de golflengte van de VLF golven in de orde van grootte is van de hoogte van de D-laag, komen er op VLF maar een paar van die modi voor.
De opsluiting van VLF signalen binnen de aarde-ionosfeer golfpijp verklaart een aantal belangrijke ervaringsfeiten van VLF banden. Allereerst is de demping van de radiogolf erg klein: ergens tussen de 3 en 10 dB per 1000 km. Zeer lage waarde, die plotsklaps logisch wordt als we bedenken dat de signalen binnen de golfpijp zijn ingesloten. Een subtieler effekt heeft te maken met de faseverschuiving die een VLF signaal laat zien. Dagelijks varieert de fase van een ontvangen signaal en vrijwel geheel volgens een vast patroon. Dat is alleen goed verklaarbaar met de golfpijp-theorie: 's nachts ligt de D-laag hoger dan overdag en die hoogtevariatie houdt dus in dat de golfpijp overdag iets dunner is dan 's nachts. De voortplantingssnelheid van de modi en de sterkte van de verschillende modi variëren allemaal iets door deze "ademhaling" van de ionosfeer-aarde golfpijp en geven zodoende een dagelijks ritme aan de faseverschuiving van een VLF golf.
Omdat de modi voor de VLF, LF en ULF banden verschillen, kunnen we die indeling gemakkelijk gebruiken:
| LF (Low Frequencies) | 30 - 300 kHz |
| VLF (Very Low Frequencies) | 3 - 30 kHz |
| ULF (Ultra Low Frequencies) | 0,3 - 3 kHz |
Achtereenvolgens worden de ULF, de VLF en de LF banden nader bekeken.
Figuur 1 laat de optredende modi zien. Elke band heeft zijn overheersende modus en het aantal modi dat optreedt neemt sterk toe bij toename van de frequentie. Op LF zijn er al zoveel modi, dat het zinniger wordt om daar de som van al die modi te nemen en dan kom je uit op een grondgolf en een ruimtegolf.
2.1. De ULF band
Voor deze band is de golflengte groter dan 100 km. De D-laag ligt echter op ca 90 km hoogte, zodat de golflengte groter is dan de dikte van de afstand tussen de wanden van de golfpijp aarde-ionosfeer. Er treedt daarom slechts een modus op in de golfpijp, de zogenaamde quasi-TEM modus. Dit stelt een golf voor met een vertikale elektrische komponent, wat in figuur 1 met pijltjes is getekend.
Fig. 1. Golfpijpmodi in de aarde-ionosfeer golfpijp.
De ULF band wordt nauwelijks gebruikt. Dit komt door de grote golflengte en de daarbij horende kolossale antennes. Zelfs op VLF kan een antenne al een oppervlakte beslaan van een vierkante kilometer, laat staan op ULF.
Deel 1 - Deel 2
PE1CUX, Henk Mol.