在无线电通信领域,业余无线电爱好者一直渴望突破传统频率限制,实现更远距离、更稳定的信号传播。9kHz以下频段,尤其是极低频(VLF)通信因其独特的传播特性与极强的穿透能力逐渐成为探索热点。2012年及之前,许多业余无线电实验者在这个领域不断尝试,构筑了独特的知识体系和实验技术,为现代超低频无线电通信铺平道路。 超低频无线电的魅力在于其信号几乎能穿透海水、岩石等地形障碍,加之频率极低使其波长巨大,理论上具备远距离通信的潜力。然而,由于波长极长,传统的辐射天线结构大多不可行,迫使无线电爱好者采用"地球模式"和"感应通信"技术。地球模式即信号借助地面导体,如地下水管、电缆等,形成导电路径,传播距离远远超出传统预期。
感应通信则是利用发送端和接收端附近电磁感应场传递信息,适合超低功率的短距离通信。 英国业余无线电者Roger G3XBM的实验尤为代表。他利用5瓦特功率,在8.97kHz频段通过耦合20米间距的地电极,成功实现了6公里范围内5瓦连续波(CW)和极慢速QRSS调制信号的传输。惊人的信噪比和稳定的信令复制,令他怀疑传统的逆立方距离衰减理论无法完全解释如此远距离的信号传输。他的成果启示了超低频地球模式的应用价值,也彰显了埋地管线等公用设施对信号传播的"辅助"作用。 不少实验显示,信号沿公用设施传输时,水管和金属导线对超低频波传播起到关键作用。
G3XBM在多次现场测试中发现,离开这些公用管线后,信号迅速减弱甚至无法接收,尤其是在偏离道路和管道较远的区域。换句话说,从技术层面看,所谓的"公用辅助地球模式传播"是当前地球模式实验成功的关键变量。这对全社会基础设施的布局和业余无线电传播研究提供了深刻启示。 另一大技术挑战是接收系统的设计。由于环境中存在强烈的50Hz交流电干扰,超低频信号的接收需要高灵敏度和极低噪声的放大器配合专门调谐回路。G3XBM采用了诸如30匝、80厘米大小的高品质调谐环路天线,搭配调谐漏极场效应管(FET)前置放大器,成功提升了接收灵敏度。
经由计算机处理软件如Spectrum Lab和Spectran实时分析频谱,进一步提升了对弱信号的分辨能力,实现极窄带宽QRSS信号的稳定解码。 除地面电极外,电场探针也是研究的重点。在某些实验中,接收端试图通过垂直伸出的长鞭状探针测量电场强度,可在离地面一定距离处获得较强信号。然而事实表明,电场探针在远距离接收方面效果远逊于接地线圈或地面环状线圈,尤其是在无公用管线辅助的条件下。电场探针更适用于近场测试和分析场分布,而循环式磁场拾取器更适合远距离灵敏接收,是目前科研和业余实验的常用接收方案。 为了突破频率稳定性和信号持续时间限制,实验者们设计了基于晶振和分频器的高稳定度信号发生器,通过精确控制频率实现极窄带宽的QRSS3、QRSS30甚至QRSS60信号传送。
QRSS是一种以极慢速键控传输的电报模式,具备大大降低接收信号噪声的优势,为极低功率的超低频信号远距离接收提供了有力保障。精确的频率控制结合高品质本振放大器,是实现远程密集带宽信号识别的核心技术。 现场实验中,发射功率通常为数瓦甚至更低,距离虽仅有数公里至十余公里,但相比传统认知已属卓越。蝉联信号常态和低功耗低噪声共存,是各类实验的关键指标。通过不断优化发射地电极的间距和数量,以及接收端的线圈尺寸和品质因数,实验者成功获得更大的信号放大倍数,提升通信距离。 除了英国,德国业余无线电实验者如DK7FC也在超低频领域做出成绩,他利用50瓦发射功率和近300米长度的地电极天线,成功进行了多公里至数十公里的有效通信。
该项目强调多地极配置以减少地面损耗,结合强大的发射功率和精密接收装置,推动了VLF地面耦合无线电的边界。 关于法规,英国通信管理局OFCOM官方于2011年确认,对于无辐射传输的地球模式无线电系统,一般不需证书许可(Notices of Variation,NoV),只要不产生对无线电频谱的干扰即可。这极大促进了业余爱好者合规进行8kHz以下频段的实验自由度,进一步激励了全球范围内的科学探索。 超低频地球模式通信的前景广阔,不仅仅是业余无线电的技术爱好领域,也为未来军事、海洋通信和地下通信提供了潜在方案。穿透力强、低功耗、低干扰特性使其在特殊环境和任务中具备独特优势。随着数字信号处理技术的发展,更精细的QRSS模式和多种数据调制方式将使得传输效率和抗干扰能力持续提升。
不过,由于超低频波的物理特性限制,发射设备庞大且建设困难,加上接收端需要极为敏感的设备支持,目前仍无法普及到日常生活和商用通信。但业余无线电实验者的持续创新不断突破这些技术瓶颈,刷新我们对无线电传播理论和物理现象的认识。 总结来看,9kHz以下的业余无线电探索,是一场集理论创新、技术攻关与实际应用于一身的科学实验盛宴。通过利用地球导电特性和环境公用设施的辅助传播,业余爱好者在低功率条件下达成了非凡的通信距离。高灵敏度接收阵列和高稳定频率源的结合,加之精密信号处理软件辅助,使得极低频无线电通信不仅是理论上的可能,更成为现实中的试验平台。未来,随着材料科学、电路设计、信号处理和法规政策的进一步完善,超低频通信将在科研、工业及公共服务领域释放更大潜能,业余无线电社区依旧是这场科技探索最活跃的推动力量之一。
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