Underwater Comunicação Rádio

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1 Underwater Comunicação Rádio por VK5BR Butler Lloyd (Originalmente publicado em Rádio Amador, Abril de 1987) Até onde podemos comunicar submerso no mar ou em um lago. Quão grande é a atenuação do sinal e qual a frequência pode ser usado? Poderíamos usar 1,8 MHz? Nos parágrafos seguintes, vamos tentar responder algumas dessas questões. INTRODUÇÃO Alguém poderia perguntar por que um entusiasta de rádio amador poderia estar interessado em cornmunications subaquática. Bem, ele poderia estar interessado em mergulho e gostaria de criar um elo de comunicação com a superfície, ou talvez ele poderia estar interessado em barcos de rádio controlado e quiser tentar sua mão em submarinos modelo! Por outro lado, ele poderia apenas estar interessado em outra área de experimentação, porque aqui é um campo relativamente intocado pela fraternidade amador, envolvendo técnicas de transmissão diferentes, projetos diferentes de antena e equipamentos diversos problemas ambientais. O escopo deste artigo diz respeito as características de transmissão de ondas de rádio subaquático e na medida em que o rádio amador pode fazer uso dessas características. O artigo inclui exame das opções de transmissão para o que era amador de frequências de rádio mais baixo (1.8MHz), quando o artigo foi publicado pela primeira vez. Naturalmente, alguns países têm agora uma banda amadora LF e menor atenuação na LF agora abre mais opções. ÁGUA CONDUCTIVITY Água em sua forma pura é um isolante, mas como se encontra no seu estado natural, contém sais dissolvidos e outras matérias que o torna um condutor parcial. Quanto maior a condutividade, maior a atenuação dos sinais de rádio que passam através dele. Condutividade (σ) varia de acordo com os salinidade e temperatura. A água do mar tem um alto teor de sal e alta condutividade variando de 2 mhos por metro na região ártica fria a 8 mhos por metro nas águas mornas e altamente salina Mar Vermelho. condutividade média do mar é normalmente considerada como cerca de 4 mhos por metro. O que isto significa é que um cubo de metros da água do mar tem uma condutividade de 4 mhos ou uma resistência de 0,25 ohm (que é recíproca).

2 Os chamados de água doce tem menor condutividade e como um guia para isso, uma análise da amostra de água colhida Adelaide, em 1983, tem sido utilizado. Esta amostra foi retirada de uma área essencialmente fornecidos pelo reservatório Barossa e da análise mostra o total de sais dissolvidos, aproximadamente, 300 mg / litro e condutividade mhos 0,0546 por metro. Como fechar essa é a média das águas nos rios e lagos da Austrália não é conhecido, mas como é a única água na mão, ela tem sido usada como referência. ATENUAÇÃO VK5BR Butler Lloyd Atenuação das ondas de rádio na água (e, de fato, em qualquer meio de condução), aumenta tanto com o aumento da condutividade elétrica e aumento da freqüência. Pode ser calculado a partir da fórmula seguir: Atenuação (α), em db / metro = (fσ) onde f = freqüência em hertz e σ = condutividade em mhos / metro A figura 1 ilustra a atenuação em função da frequência para a água do mar e água Adelaide. Atenuação da água do mar é muito alto e se comunicar em qualquer profundidade em tudo, é necessário o uso de muito baixas freqüências (10 a 30 khz), onde a atenuação é da ordem de 3,5 a 5 db por metro. Operação na menor freqüência de bandas amadoras (1,8 MHz) está fora de questão em 46 db por metro. Figura 1: Underwater Atenuação versus freqüência.

3 O potencial para a exploração de água doce é muito melhor. Usando o exemplo da água Adelaide, atenuação em 10 khz é de apenas 0,4 db por metro aumento de 5,4 db por metro a 1,8 MHz. Refracção ou PERDA DE INTERFACE na superfície Quando as ondas EM viajar de ar ou água para o ar, há uma perda de refração devido à mudança no meio. Esta perda pode ser calculada a partir da seguinte fórmula: Refração perda (db) = - 20 log ((7.4586/10 6) x (m / σ)) Na água do mar, esta perda é bastante elevada e na vizinhança de 60 db para as freqüências baixas, normalmente utilizados. Se a comunicação é necessária para o caminho da superfície, perda subaquática pode ser reduzida, ligando o equipamento de superfície para uma antena sob a superfície de modo que a perda de refração é eliminado. A figura 2 ilustra a perda de refração em função da frequência para a água do mar e água Adelaide. Pode ser visto que a perda de refração diminui com um aumento na freqüência e no caso da água doce, essa perda é até 27 db em 1,8 MHz que é bastante atraente do ponto de vista de rádio amador. Figura 2: Perda de refração do ar para a água como uma função da freqüência. Comprimento de onda em ÁGUA O comprimento de onda na água, mas é uma fração do que no espaço e é calculado a partir da seguinte fórmula: - Comprimento de onda (λ), em metros = 1000 (10 / (fσ))

4 Figura 3 parcelas de comprimento de onda versus freqüência. Na água do mar, onda a 10 khz é apenas 15,8 metros em comparação com 30 km no espaço. Na água doce a redução no comprimento de onda não é tão dramático, mas ainda é bastante considerável. Em 1,8 MHz, 10,1 metros de comprimento de onda é comparado a 167 metros de espaço. Esta redução é de comprimento de onda leva a algumas diferenças consideráveis em engenharia antena dipolo com um submarino de 1,8 MHz a apenas alguns metros de comprimento. Figura 3: Freqüência de comprimento de onda versos OPÇÕES DE TRANSMISSÃO Quanto menor a freqüência, menor a atenuação na água e melhor o potencial das comunicações. A menos que uma faixa de freqüências pode ser aprovado para uso amador na região VLF, as opções de rádio amador são limitados a 1,8 MHz e de comunicação em água doce. A transmissão de alguns exemplos para esta aplicação será discutida e serão baseadas nos seguintes pressupostos: Uma potência radiada é 0 dbw (referido a um watt desenvolvido em um dipolo de meia onda). Todas as outras medidas estão em decibéis refere a esse nível. 2 banda Receptor = 3 khz. 3 mínimos perceptíveis receber nível receber antena = 10 db acima do ruído térmico (KTB) é -153 dbw (khz de largura de banda para 3). 4 O ruído atmosférico de 1,8 MHz = 35 db acima KTB (tomada de cartas de ruído publicado) -128 dbw ou seja, de 3 khz de largura de banda. 5 Atenuação em água doce = 5,4 db / m (a partir da Figura 1 a 1,8 MHz). 6 / Água perda de refração do ar = 27 db (a partir de Figura 2) A Figura 4 mostra o receptor eo transmissor submersa acima da superfície. O caminho do sinal é sujeito a ar 27 db / perda interface água. O ruído atmosférico é também atenuada pela interface e perda de caminho mínimo e recebem nível é definido pela sensibilidade do sistema de receber (não afetado por ruído atmosférico). O comprimento máximo do caminho de transmissão de água funciona a 23 metros.

5 Figura 4: Caminho de Transmissão - Ar de água doce. Figura 5: Caminho de Transmissão - Água Doce para o ar. Figura 5 inverte a direção de transmissão de modo que o transmissor está submersa eo receptor está acima da superfície. Neste caso, o nível mínimo de receber é definido pelo ruído atmosférico (bem acima do recebimento do sistema de sensibilidade). Por isso, o comprimento máximo do caminho de transmissão de água é reduzida para 18,7 metros. Figura 6 submerge o transmissor eo receptor, eliminando a interface ar para a perda de água de 27 db. Assim, prolonga a duração máxima do caminho de transmissão de água para 28 metros Figura 6: caminho de transmissão - de água doce, Transmissor eo receptor possuem submerso. Figura 7: transmissão através de uma grande distância acima

6 a superfície de um receptor submerso. Agora voltamos nossa atenção para a transmissão no espaço. Além de um comprimento de onda da antena de transmissão de força de campo, no espaço varia inversamente com a distância, ou seja, o sinal é atenuado 6 db cada vez que a distância é duplicada e atenuação de um ponto de um comprimento de onda da antena a uma distância d é igual a 20 log ( d / λ). Referindo-se agora a Figura 7, temos um transmissor com uma potência de referência a 0 dbw em um comprimento de onda e este ponto é de 1000 metros (ou seis comprimentos de onda) da superfície da água. Níveis de energia na interface ar / água é de -20 log = 6-15,6 dbw e transmissão por mais de 20 metros debaixo d'água ainda é possível. Tendo este tipo de transmissão um pouco mais, temos agora analisar a Figura 8. Aqui temos o transmissor eo receptor abaixo da superfície da água, mas mil metros de distância. Comunicação sobre a distância através do caminho da água é impossível, mas o sinal pode sair da água perto do transmissor, viagem através do caminho de ar e voltar a entrar na água perto do receptor. O sinal sofre a perda interface duas vezes (ou seja, 54 db), mas a atenuação ao longo dos 1000 metros é limitado para que o caminho do ar. Então aqui é uma outra técnica em que duas estações submarinas podem se comunicar através de uma distância muito grande, limitado, essencialmente, pela profundidade na água em que as estações estão situadas. Figura 8. Comunicação entre duas estações de caminho Submerso via aérea. Nos exemplos dados, a distância de transmissão subaquática real é limitado metros. Essa distância pode ser aumentada pelo poder de aumentar ou diminuir de frequência. Aumentar a potência radiada para 100 watts daria ganho de 20 db ou um submarino distância extra de 3,7 metros (não é um grande aumento). Se uma freqüência de 100 khz estavam disponíveis, atenuação, de 1,28 db / metro, e tomando o exemplo da Figura 6, a distância seria recalcular o valor maior de 120 metros. Nesta freqüência, no entanto, aumenta perda de interface de 40 db e no exemplo da Figura 4 (que inclui perda de interface), a distância seria menor 88 metros, mas ainda superior a 1,8 MHz.

7 Outro ponto a considerar, é que a água Adelaide não é reconhecido pela sua pureza de dissolução (ou dissolvido) importa e é possível que a água em lagos e rios em outro lugar poderia ter baixa condutividade do que a amostra de Adelaide. ANTENAS Design de antenas subaquática está além do escopo deste artigo, mas alguns detalhes interessantes podem ser discutidos. Publicado referências indicam que antenas loop, fios longos e dipolos têm sido utilizados com sucesso subaquática a baixas frequências muito, as suas dimensões física, em termos de comprimento de onda espaço, sendo muito menos do que seus equivalentes no espaço. Antena condutores são isolados da água para evitar a fuga de corrente contínua para o suporte de condução, mas ainda há acoplado a condução no meio que faz com que a resistência à radiação a ser consideravelmente menor do que a antena equivalente no espaço. A resistência de radiação de alguns ohms pode ser esperado para um dipolo halfwave. Há também a questão da polarização e diretividade. Segundo Moore (ref.2), um dipolo elétrico horizontal submerso é equivalente em seu campo para um mais fraco da antena vertical à superfície. da energia irradiada para cima maioria da antena, é refratada na superfície em um polarizado verticalmente, quase horizontalmente de ondas, acima da superfície. Esse fenômeno ajuda a explicar a técnica utilizada na Figura 8 para transmitir sinais horizontalmente acima da superfície da água e para recebê-los no processo inverso. Moore também aponta que a atenuação entre um lado da antena submersa e os outros, é tão grande que uma grande contribuição para o campo em qualquer ponto é principalmente devido ao ponto mais próximo da antena. Assim, as coordenadas de um padrão de antena em um meio condutor não fazem sentido. Há, naturalmente, um nulo fora da extremidade de uma horizontal e, portanto, dipolos dipolo são mais satisfatórios do que dipolos verticais para a comunicação através da superfície. Antenas usadas no mar têm feito uso do mar como a realização de irradiação elemento real. O sinal é acoplado tanto ao mar através de eletrodos de conexão ou acoplamento indutivo de um loop isolado. Estas técnicas são possivelmente impraticável para água doce com muito baixa condutividade. Água do Mar VK5BR Butler Lloyd Como discutido anteriormente, a atenuação de sinais de rádio na água do mar é tão grande que a comunicação mais do que apenas abaixo da superfície não é possível muito baixas freqüências a menos (10 a 30 khz) são usados. Mesmo que a permissão pode ser obtida de utilização de frequências nesta faixa, há outras dificuldades que enfrentam os entusiastas amadores: 1 Ar à perda de refração da água nessa banda é da ordem de 60 a 70 db.

8 Duas dimensões da antena Massive são necessários, especialmente para o acima da superfície da antena. (Mesmo a 30 khz, um comprimento de onda é de 10 km). Grandes potências de transmissão são normalmente necessários para compensar as perdas inerentes a antena de alta freqüência baixa antena encurtada. 3 Atmospheric picos de ruído para cerca de 160 db acima do ruído térmico (KTB) a 10 khz, limitando de forma perceptível receber nível mínimo. Outros meios REALIZAÇÃO Embora o debate tem se concentrado na transmissão através da água, as teorias descritas pode ser igualmente aplicado para outros meios, tais como realização de terra da crosta. Aplicações típicas incluem comunicações por rádio em poços subterrâneos e cavernas. A condutividade da crosta terrestre varia muito com o condutor ao longo de encargos entre 10-4 e quase 1 metro e mhos rock baixa condutividade inferior a 10-5 mhos por metro. Muito claramente, o sucesso da comunicação depende do underground fazer geológica acima do terreno circundante. CONCLUSÕES VK5BR Butler Lloyd Rádio de comunicação sob o mar não é uma opção atraente para a experiência do rádio amador, uma vez que requer o uso de muito baixas freqüências, os sistemas de grande antena e alto poder muito. lagos de água doce e rios têm muito mais baixos de condutividade elétrica do que o mar e as distâncias de transmissão subaquática (ou profundidade) de até 30 metros parece ser viável com o menor banda de freqüência de 1,8 MHz amadores. Mesmo distâncias maiores (ou profundidade) poderia ser alcançado se uma freqüência menor alocação de banda disponível. (* Atenuação em 180 khz é reduzido para cerca de 18 db por metro de água do mar e cerca de 2,2 db por metro de água doce). A comunicação entre as estações submarinas, ou entre uma estação de superfície e uma estação subaquática pode ser atingido ao longo de distâncias muito maiores, utilizando um caminho de transmissão acima da superfície e do ar tolerar a perda de refração da água. comunicações semelhantes poderiam ser realizadas a partir de metro, dependendo da condutividade das imediações sobrecarregar ou rock. * Nota Uma vez que este artigo foi publicado pela primeira vez, um certo número de países já afectados bandas amadoras da região de khz proporcionando uma melhor meio de transmissão submarina de 1,8 MHz.