非常に低い周波数

非常に低い周波数
周波数範囲	3～ 30kHz
波長範囲	100-10キロ

超低周波（VLF）は、 ITU ^[1]における無線周波数（RF）の指定であり、3～30 kHzの範囲で、それぞれ100～10 kmの波長に相当します。この帯域は、波長が1～10ミリメートル（10キロメートルに等しい旧式のメートル法単位）に及ぶことから、ミリメートル帯域またはミリメートル波とも呼ばれます。帯域幅が限られているため、この帯域での音声伝送は非常に非実用的であり、そのため低データレートのコード化信号のみが使用されます。VLF帯域は、いくつかの無線航行サービス、政府の時刻ラジオ局（ラジオ時計をセットするための時刻信号を放送）、および安全な軍事通信に使用されています。VLF波は海水中に少なくとも40メートル（131フィート）浸透するため、潜水艦との軍事通信に使用されています。

伝播特性

VLF 電波は波長が長いため、大きな障害物の周りを回折して山脈に遮られることなく、地球の曲率に沿って地上波として伝播できるため、地平線に制限されません。地上波は地球の抵抗によって吸収され、数百から千キロメートル/マイルを超えるとそれほど重要ではなくなり、長距離伝播の主なモードは地球電離層導波機構です。[ 2 ^{]地球は、高度 60～90 km (37～56 マイル) の}電離層底部にある上層大気の電子とイオンの伝導層に囲まれており、^[3] VLF 電波を反射します。導電性の電離層と導電性の地球は、VLF 波長数個分の高さの水平「ダクト」を形成し、これが波を閉じ込めて宇宙に逃げないようにする導波管として機能します。波は地球の周りをジグザグに進み、横磁気(TM) モードで地球と電離層によって交互に反射されます。

VLF波の経路減衰は1,000 kmあたり2～3 dBと非常に低く、^{[2]高周波での「}フェーディング」はほとんど発生しません。^[3] これは、VLF波が電離層の底部で反射されるのに対し、高周波数の短波信号は電離層の高層、F1層とF2層から屈折プロセスによって地球に戻り、その移動のほとんどを電離層で過ごすため、電離勾配と乱流の影響をはるかに受けやすいためです。したがって、VLF送信は非常に安定しており信頼性が高く、長距離通信に使用されます。5,000～20,000 kmの伝搬距離が実現されています。^[2]ただし、この帯域では大気ノイズ（「スフェリックス」）が高く、^[3]雷によって引き起こされる「ホイッスラー」などの現象が含まれます。

VLF 波は、使用される周波数と水の塩分濃度に応じて、少なくとも 10 ～ 40 メートル (30 ～ 130 フィート) の深さまで海水を透過できるため、潜水艦との通信に使用されます。
特定の周波数の VLF 波は電子降下を引き起こすことがわかっています。
潜水艦との通信に使われるVLF波は、高エネルギー放射線粒子との相互作用によって地球を太陽フレアやコロナ質量放出から守ることができる人工バブルを地球の周りに作り出しました。 ^[4]

アンテナ

VLF 帯の主な実際上の欠点は、波の長さのために、物理的な高さの制限によりフルサイズの共振アンテナ (半波長ダイポールアンテナまたは1/4 波長モノポールアンテナ) を構築できないことです。^[5]^{: 14} VLF 波は垂直偏波で伝搬するため垂直アンテナを使用する必要がありますが、30 kHz (波長 10 km) の 1/4 波長垂直アンテナは 2.5 キロメートル (8,200 フィート) の高さになります。そのため、実際の送信アンテナは電気的に短く、自己共振する長さのごく一部になります。^[6]^[7]^{: 24.5–24.6}放射抵抗が低い (多くの場合 1 オーム未満) ため効率が悪く、最大でも送信電力の 10% ～ 50% しか放射せず、^[2]^[5]^{: 14}残りの電力はアンテナ/グランドシステムの抵抗で消費されます。長距離通信には非常に高出力の送信機（約 1 メガワット）が必要なので、アンテナの効率は重要な要素となります。

VLF送信アンテナ

高出力 VLF 送信所では、容量性トップロードモノポールアンテナが使用されています。これらは、長さが数キロメートルにもなる非常に大きなワイヤアンテナです。^[8]^{: 3.9–3.21}^[7]^{: 24.8–24.12}これらは、一連の鋼鉄製無線塔で構成され、上部はケーブルネットワークで接続されており、ケーブルは傘や物干しロープのような形をしています。^[5]^{: p.14}タワー自体または垂直ワイヤがモノポールラジエーターとして機能し、水平ケーブルが容量性トップロードを形成して垂直ワイヤの電流を増加させ、アンテナの放射電力と効率を高めます。高出力局では、傘アンテナのバリエーションである「デルタ」アンテナや「トリデコ」アンテナ、またはマルチワイヤフラットトップ(トライアティック) アンテナを使用します。[ 5 ^]^{: p.129-162}

放射抵抗が低いため、地面で消費される電力を最小限に抑えるために、これらのアンテナには、アンテナの下に埋設された銅線の放射状ネットワークで構成される、極めて抵抗の低い接地(アース) システムが必要です。土壌での誘電損失を最小限に抑えるために、接地導体は地面に数インチだけ浅く埋められ、アンテナ近くの地面は銅の接地スクリーンで保護されることがあります。アンテナの下の地面から数フィート上に支えられた銅ケーブルの放射状ネットワークで構成されるカウンターポイズシステムも使用されています。

アンテナの給電点には、アンテナの容量性リアクタンスを打ち消して共振させるため、大きなローディングコイルが必要です。VLF では、このコイルの設計は困難です。動作 RF 周波数での抵抗が低く、 $Q$ が高く、非常に高い電流を流す必要があり、アンテナにかかる非常に高い電圧に耐える必要があります。これらは通常、高さ 2～4 メートルの巨大な空芯コイルで、非導電性のフレームに巻かれており、数千本の絶縁された細いワイヤを編み合わせた直径数センチの太いリッツ線を使用して RF 抵抗が低減されています。^[5]^{: p.95}

アンテナと負荷コイルの組み合わせは、静電容量とインダクタンスが高く、抵抗が低いため、電気的に高 $Q$ の同調回路のように動作します。VLF アンテナは帯域幅が非常に狭いため、送信周波数を変更するには、アンテナを調整するための可変インダクタ (バリオメータ) が必要です。高出力送信機に使用される大型 VLF アンテナの帯域幅は通常 50～100 ヘルツです。Q $が$ 高いため、アンテナに非常に高い電圧 (最大 250 kV) ^[5]^{: p.58 が}かかるため、非常に優れた絶縁が必要です。^[5]^{: p.14,19}大型 VLF アンテナは通常、「電圧制限」モードで動作します。つまり、送信機の最大出力は、アンテナが空気破壊、コロナ、アーク放電を起こさずに受け入れることができる電圧によって制限されます。

ダイナミックアンテナチューニング

容量負荷された大型の VLF アンテナの帯域幅は非常に狭い (50～100 Hz) ため、 FSK および MSK 変調の小さな周波数シフトでも帯域幅を超え、アンテナが共振から外れ、アンテナが給電線にいくらかの電力を反射する原因になります。従来の解決策は、アンテナに「帯域幅抵抗器」を使用して $Q を$ 下げ、帯域幅を増やすことです。ただし、これにより出力も低下します。一部の軍用 VLF 送信機で使用されている最近の代替手段は、変調によってアンテナの共振周波数を2 つの出力周波数間で動的にシフトする回路です。 ^[7]^{: 24.7}^[8]^{: 3.36}これは、アンテナ負荷コイルと直列に接続された飽和リアクタによって実現されます。これは、 DC 電流が流れる第 2 の制御巻線を備えた強磁性コアインダクタで、コアを磁化して透磁率を変更することでインダクタンスを制御します。キーイングデータストリームは制御巻線に適用されます。したがって、送信機の周波数が「1」周波数と「0」周波数の間でシフトされると、飽和リアクタはアンテナ共振回路のインダクタンスを変更し、アンテナ共振周波数を送信機の周波数に追従するようにシフトします。

VLF受信アンテナ

受信アンテナの要件は、帯域内の自然大気ノイズのレベルが高いため、それほど厳しくありません。VLF 周波数では、大気無線ノイズは受信回路によってもたらされる受信機ノイズをはるかに上回り、受信機の信号対ノイズ比を決定します。そのため、小さくて非効率的な受信アンテナを使用でき、アンテナからの低電圧信号は、大きなノイズを発生させることなく、受信機によって単純に増幅できます。受信には、通常、フェライトループアンテナが使用されます。

変調

帯域の帯域幅が狭く、使用するアンテナの帯域幅も極めて狭いため、音声信号（AMまたはFM 無線電話）を送信するのは非現実的である。^[9]帯域幅が10kHzの一般的なAM無線信号は、VLF帯域の3分の1を占める。さらに重要なことは、現在のVLFアンテナの100倍の帯域幅を持つアンテナが必要になるため、距離を伸ばすことが困難であり、チュー・ハリントン限界によりサイズが巨大になる。したがって、低ビットレートではテキストデータしか送信できない。軍事ネットワークでは、 5ビットのITA2または8ビットのASCII文字コードを使用して無線テレタイプデータを送信するために周波数偏移変調（FSK）が使用されている。アンテナの帯域幅が狭いため、30～50ヘルツの小さな周波数偏移が使用される。

高出力 VLF 送信機では、許容データレートを上げるために、最小シフトキーイング(MSK) と呼ばれる特殊な形式の FSK が使用されます。これは、アンテナの $Q 値$ が高いために必要です。 ^[8]^{: 3.2–3.4、§3.1.1}容量負荷の巨大なアンテナと負荷コイルは、振動する電気エネルギーを蓄える高 $Q$ の同調回路を形成します。大型 VLF アンテナの $Q 値$ は通常 200 を超えます。これは、アンテナが送信機電流の 1 サイクルで供給または放射されるエネルギー (200 倍) よりもはるかに多くのエネルギーを蓄えることを意味します。エネルギーは、トップロードとグランドシステムに静電エネルギーとして、垂直ワイヤと負荷コイルに磁気エネルギーとして交互に蓄えられます。VLF アンテナは通常、「電圧制限」で動作し、アンテナの電圧は絶縁が耐えられる限界に近いため、アークやその他の絶縁の問題が発生することなく、送信機からの電圧または電流が急激に変化することは許容されません。以下に説明するように、MSK はアンテナに電圧スパイクを発生させることなく、送信波をより高いデータレートで変調できます。

VLF 送信機で使用されている 3 種類の変調は次のとおりです。

連続波（CW）、断続連続波（ICW）、またはオンオフキーイング: 変調されていない搬送波によるモールス信号無線電信送信。搬送波はオンとオフを切り替えます。搬送波オンはモールス信号の「点」と「ダッシュ」を表し、搬送波オフはスペースを表します。これは最も単純で初期の無線データ送信形式で、20 世紀初頭から 1960 年代にかけて商用および軍事用 VLF ステーションで使用されていました。アンテナの $Q が$ 高いため、搬送波を突然オンとオフに切り替えることはできませんが、搬送波がオンになったときにアンテナの振動エネルギーを蓄積するには長い時定数と多くのサイクルが必要であり、搬送波がオフになったときに蓄積されたエネルギーを消散させるには多くのサイクルが必要です。これにより、送信できるデータレートは 15 ～ 20 ワード/分に制限されます。CW は現在、小型の手動キー送信機と大型送信機のテストにのみ使用されています。
周波数シフトキーイング（FSK）: FSK は、CW に次いで 2 番目に古く、2 番目に単純なデジタル無線データ変調形式です。FSK では、搬送波が 2 つの周波数間でシフトされ、1 つは 2 進数の「1」を表し、もう 1 つは 2 進数の「0」を表します。たとえば、9070 Hz の周波数は「1」を示すために使用され、50 Hz 低い 9020 Hz の周波数は「0」を示すために使用されます。2 つの周波数は、連続的に動作する周波数シンセサイザーによって生成されます。送信機は、これらの周波数間で定期的に切り替えられ、メッセージの文字の 8 ビットASCIIコードを表します。VLF の問題は、周波数が切り替えられると、2 つの正弦波の位相が通常異なるため、突然の位相シフト過渡現象が発生し、アンテナでアーク放電を引き起こす可能性があることです。アーク放電を回避するために、FSK は 50～75 ビット/秒の低速でのみ使用できます。
最小シフトキーイング（MSK）: 狭い帯域幅向けに特別に設計された FSK の連続位相バージョンは、1970 年代にデータレートを上げるために海軍の VLF ステーションで採用され、現在では軍用 VLF 送信機で使用される標準モードとなっています。軍用 VLF ステーションで使用される標準周波数シフトである '1' と '0' を表す 2 つの周波数が 50 Hz 離れている場合、それらの位相は 20 ミリ秒ごとに一致します。MSK では、2 つの正弦波が同じ位相、つまり両方の正弦波が同じ方向にゼロを横切るポイントになったときにのみ、送信機の周波数が切り替えられます。これにより、波間のスムーズな連続遷移が作成され、アンテナにストレスやアーク放電を引き起こす可能性のある過渡現象が回避されます。MSK は、最大 300 ビット/秒、または 1 秒あたり約 35 ASCII文字 (各 8 ビット)、1 分あたり約 450 ワードのデータレートで使用できます。

アプリケーション

初期の無線電信

歴史的に、この帯域は、1905年から1925年頃の無線通信時代に、大洋を越えた長距離無線通信に使用されていました。各国は、モールス信号でテキスト情報を送信する高出力のLFおよびVLF無線電信局のネットワークを構築し、他国、植民地、海軍艦隊と通信しました。20kHzから始まる帯域内で振幅変調と単側波帯変調を使用して無線電話を使用する初期の試みがなされましたが、利用可能な帯域幅が側波帯を含めるには不十分であったため、結果は満足のいくものではありませんでした。

1920年代にスカイウェーブ（スキップ）無線伝搬法が発見され、高周波で動作する低出力の送信機が電離層のイオン化原子層で電波を反射させることで同様の距離で通信できるようになり、長距離無線通信局は短波周波数に切り替えました。スウェーデンのヴァルベリ近郊のグリメトンにあるグリメトンVLF送信機は、その時代から残っている数少ない送信機の1つで、歴史的建造物として保存されており、アレクサンダーソンデーなど特定の時期には一般の人が訪れることができます。

航行ビーコンと時報

VLF 帯域は伝搬距離が長く位相特性が安定しているため、20 世紀には長距離双曲型無線航法システムに使用され、固定 VLF航法ビーコン送信機から受信した電波の位相を比較することで船舶や航空機が地理的な位置を特定できるようになりました。

世界的なオメガシステムは、ロシアのアルファシステムと同様に、10〜14kHzの周波数を使用していました。

VLF は標準時刻と周波数の放送にも使用されました。米国では、時刻信号局WWVL が1963 年 8 月に 20 kHz で 500 W の信号の送信を開始しました。この局は周波数シフトキーイング ( FSK ) を使用してデータを送信し、20 kHz と 26 kHz の間でシフトしました。WWVL サービスは 1972 年 7 月に廃止されました。

地球物理学および大気測定

VLF帯の自然発生信号は、地球物理学者による長距離雷の位置特定やオーロラなどの大気現象の研究に利用されている。ホイッスラーの測定は磁気圏の物理的特性を推測するために利用されている。^[10]

地球物理学者はVLF電磁受信機を使用して地球の表面近くの導電率を測定します。^[11]

VLF 信号は、導電性の地質単位で二次応答を誘発する送信電流に依存する地球物理学的電磁気調査として測定できます。VLF 異常は、地下の導電性物質の上にある電磁ベクトルの姿勢の変化を表します。

鉱山通信システム

VLF はある程度の距離まで土壌や岩石を透過できるため、これらの周波数は地中鉱山通信システムにも使用されます。

軍事通信

強力な VLF 送信機は、世界中の軍隊と通信するために軍隊で使用されています。VLF 周波数の利点は、その長距離、高い信頼性、そして核戦争の際には VLF 通信の方が高周波数よりも核爆発による妨害が少ないという予測です。VLF は海水を透過できるため、軍隊では海面近くの潜水艦との通信に使用され、 ELF周波数は深く潜った潜水艦との通信に使用されます。

海軍のVLF送信機の例としては、

イギリス、カンブリア州スケルトンにあるスケルトン送信所
ドイツのラウダーフェーンにあるDHO38は、23.4kHzで800kWの電力で送信している。
ワシントン州オソにある米国ジム・クリーク海軍無線局。24.8kHzで1.2MWの電力で送信している。
メイン州カトラーにある米国カトラー海軍無線局。24 kHz、1.8 MW で送信しています。

米海軍は、 VLF通信の改良によりELF通信は不要になったとして、 2004年以降ELF通信の使用を中止しており、潜水艦が作戦深度でVLF通信を受信できる技術を開発した可能性がある。

潜水艦を運用している国の高出力の陸上および航空機送信機は、数千マイル離れた場所でも受信できる信号を送信します。送信機の設置場所は通常、広大なエリア (数エーカーまたは数平方キロメートル) をカバーし、送信電力は 20 kW から 2,000 kW の範囲です。潜水艦は、水面下に浮かぶ何らかの形の曳航アンテナ (たとえば、浮力ケーブルアレイアンテナ (BCAA)) を使用して、陸上および航空機送信機から信号を受信します。

現代の受信機は、高度なデジタル信号処理技術を使用して、大気ノイズ (主に世界中の落雷によって発生) と隣接チャネル信号の影響を除去し、有効な受信範囲を拡大します。米国空軍の戦略核爆撃機は、強化された核耐性作戦の一環として VLF 信号を受信します。

2 つの代替文字セット (5 ビットITA2または 8 ビットASCII)が使用される場合があります。これらは軍事通信であるため、セキュリティ上の理由から、ほとんどの場合暗号化されています。送信を受信して文字列に変換するのは比較的簡単ですが、敵は暗号化されたメッセージを解読できません。軍事通信では、テキストの量が非常に少ないため、通常、解読不可能なワンタイムパッド暗号が使用されます。

アマチュア使用

8.3kHz以下の周波数帯は国際電気通信連合によって割り当てられておらず、一部の国では免許なしで使用できる。一部の国ではアマチュア無線家に8.3kHz以下の周波数での運用許可が与えられている（または与えられているとみなされている）。^[12]

運用は、8.27kHz、6.47kHz、5.17kHz、2.97kHzの周波数に集中する傾向があります。^{[13]送信は通常1時間から数日間続き、このような長時間のコヒーレント検出とデコードをサポートするには、受信機と送信機の両方が}GPS制御発振器やルビジウム標準などの安定した基準に周波数をロックしている必要があります。

アマチュア用機器

アマチュア局からの放射電力は非常に小さく、固定基地局アンテナの場合は 1 μW ～ 100 μW、凧または気球アンテナの場合は最大 10 mW です。低電力であるにもかかわらず、地球電離層空洞内での減衰の少ない安定した伝搬により、非常に狭い帯域幅を使用して、最大数千キロメートルの距離に到達できます。使用されるモードは、QRSS、MFSK、およびコヒーレントBPSKです。

送信機は、一般的に数百ワットのオーディオアンプ、インピーダンス整合トランス、ローディングコイル、および大きなワイヤアンテナで構成されています。受信機は、電界プローブまたは磁気ループアンテナ、高感度オーディオプリアンプ、絶縁トランス、およびPCサウンドカードを使用して信号をデジタル化します。電力線の高調波やVLF無線の大気からの干渉の下から弱い信号を取り出すには、大規模なデジタル信号処理が必要です。有効な受信信号強度は、3 × 10 ⁻⁸ ボルト/メートル（電界）および1 × 10 ⁻¹⁶ テスラ（磁場）、信号速度は通常 1 ～ 100 ビット/時です。

PCベースの受付

VLF信号は、多くの場合、アマチュア無線家によって、パソコン（PC）をベースにした簡単な自家製VLF無線受信機を使用して監視されます。 ^[14]^[15]絶縁電線のコイル状のアンテナをPCのサウンドカードの入力に接続し（ジャックプラグ経由）、数メートル離れた場所に設置します。高速フーリエ変換（FFT）ソフトウェアとサウンドカードを組み合わせると、ナイキスト周波数以下のすべての周波数をスペクトログラムの形で同時に受信できます。

CRT モニターは VLF 範囲で強力なノイズ源となるため、PC の CRT モニターをオフにしてスペクトログラムを記録することをお勧めします。これらのスペクトログラムには、VLF 送信機やテレビの水平電子ビーム偏向など、さまざまな信号が表示されます。受信信号の強度は、突然の電離層擾乱によって変化する可能性があります。これにより、電離層での電離レベルが上昇し、受信 VLF 信号の振幅と位相が急激に変化します。

VLF送信リスト

より詳細なリストについては、VLF送信機のリストを参照してください。

参照

参考文献

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さらに読む

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外部リンク

アメリカのロングウェーブクラブ
22kHz以下の電波
VLF ディスカッショングループ
Tomislav Stimac、「周波数帯域の定義（VLF、ELFなど）」
PCベースのVLF受信
VLF信号のギャラリー
NASA ライブストリーミング ELF -> VLF 受信機注: 2014 年 5 月 3 日現在、「ライブで聴く」リンクはダウンしていますが、サイトには以前に録音されたサンプルがいくつかあり、聴くことができます。
ワールドワイド雷位置ネットワーク
スタンフォード大学VLFグループ
ルイビル大学 VLF モニター
ラリーの超低周波サイト
Mark's Live Online VLF Receiver、英国 2009-02-28 にWayback Machineでアーカイブ
IW0BZD VLFチューブ受信機
サーバーリスト付きのインターネットベースの VLF リスニングガイド
VLF送信機のリスト

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