Bardzo długie fale radiowe są typową falą elektromagnetyczną, jednak fakt bardzo dużej wartości długości fali (niskiej częstotliwości) skutkował ich nietypowymi właściwościami, czyniąc z nich obiekt zainteresowania zarówno badaczy cywilnych, jak i służb mundurowych, zwłaszcza wojskowych. Bowiem fale te w wyniku bardzo małego tłumienia i dużej dyfrakcji, czyli ugięcia na przeszkodach (głównie naturalnych) rozchodzą się za pomocą fali powierzchniowej (rozchodzącej się wzdłuż powierzchni ziemi na granicy ziemia – powietrze) na odległości, rzędu 1000 – 2000 km.

 Natomiast znacznie większe odległości od nadajnika, osiągane są w przypadku 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. Bardzo cenną zaletą tych fal są małe i powolne zmiany odbieranego sygnału  w czasie oraz możliwość  przenikania przez morską wodę. Nie są to odległości imponujące, bo sięgają zaledwie kilkunastu metrów, jednak stwarzają możliwość komunikowanie się z zanurzonymi okrętami podwodnymi, co może mieć niebagatelne znaczenie na  polu walki. W praktyce sygnał ten był głównie wykorzystywany do przesłania informacji o konieczności wynurzenia się okrętu, bądź wystawienia anteny powyżej poziomu wody i odebrania w krótkim czasie właściwego meldunku.

 Do zajęcia się tym tematem zdopingowały mnie lakoniczne wzmianki, jakie można spotkać, że do komunikowania się z łodziami podwodnymi Niemcy podczas II Wojny Światowej wykorzystywali Nadajnik Babice posługujący się falą o długości ok.20.000 m. Nigdzie nie spotkałem informacji, dlaczego fale elektromagnetyczne ultradługie, umożliwiają komunikowanie się z zanurzonymi w wodzie morskiej łodziami podwodnymi. Należy zaznaczyć, że podstawowym zagadnieniem, oprócz opisu zachowania się tych fal w wodzie morskiej, jest również problem, za pomocą jakich anten mogły być odbierane sygnały z naziemnych nadajników w zanurzonych łodziach. Wydaje się, że będzie pożyteczne poświęcić kilka zdań temu zagadnieniu. 

 Zadaniem anteny odbiorczej jest przekształcenie energii pola elektromagnetycznego na sygnał elektryczny. W najprostszej postaci jakość tego przekształcania może być opisana „skuteczną wysokością” h anteny, współczynnikiem łączącym natężenia pola elektrycznego E z wartością SEM - e wytwarzanej przez antenę. 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 zatem jego wartość SEM określa prosty wzór e = E x h = Ex 2l. Zdolność dipola do odbioru fal radiowych jest niejednakowa dla różnych kierunków, co ilustruje pozioma 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, zwanej anteną ramową, rys. 3, reagującą na składową magnetyczną H fali. 

 Rys. 3  Dipol magnetyczny w postaci anteny ramowej.

 Antena ramowa ma zwykle 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 większe są w zwoju 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 mogą mieć 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 ultradługich 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.

 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 pulsacji (omega) razy czas (t) i od współrzędnej z. Jednak mają one 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 (delta).

 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 razy (delta) = 1, gdzie k jest współczynnikiem załamania. Głębokość wnikania zależy od własności ośrodka przewodzącego: (kappa) - względnej przewodności i (mi) - względnej przenikalności magnetycznej oraz pulsacji (omega)  =  6.28 f, gdzie f jest częstotliwością fali. Dla średniej przewodności wody morskiej 1 mo/m i dla częstotliwości 15 kH, czyli długości fali 20 km, głębokość wnikania jest równa ok. (delta) = 2 m. Sytuacja się zmienia radykalnie, gdy fala z dielektryka, (powietrza) porusza się do powierzchni rozdziału dielektryk – ośrodek przewodzący (woda morska) nie prostopadle, a 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 mo/m, 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 w płaszczyźnie równoległej do powierzchni morza.

 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, zaopatrzone 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 sygnału 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 odbiorczej dipola elektrycznego, ponieważ własności przewodzące wody i powietrza różnią się bardzo 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 , Wydawnictwo „Wyższa Szkoła” Moskwa 1967.

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

 Ireneusz Dobiech. 2016.08.