ثنائي القطب الأرضي

في مجال الاتصالات اللاسلكية ، يُعدّ الهوائي ثنائي القطب الأرضي ^{[ 1 ]} ، والذي يُشار إليه أيضًا بهوائي ثنائي القطب الأرضي ، أو هوائي خط النقل ^{[ 1 ]} ، وفي المراجع التقنية باسم ثنائي القطب الكهربائي الأفقي ( HED ) ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} ، نوعًا ضخمًا ومتخصصًا من هوائيات الراديو التي تُشعّ موجات كهرومغناطيسية ذات تردد منخفض للغاية (ELF) ^{[ 4 ] [ 5 ]} . وهو النوع الوحيد من هوائيات الإرسال القادر على بثّ كميات عملية من الطاقة في نطاق التردد من 3 هرتز إلى 3 كيلوهرتز، والذي يُعرف عادةً بموجات ELF ^{[ 5 ]} . يتكون الهوائي ثنائي القطب الأرضي من قطبين كهربائيين أرضيين مدفونين في الأرض، يفصل بينهما عشرات إلى مئات الكيلومترات، ويرتبطان بخطوط نقل هوائية بجهاز إرسال محطة توليد الطاقة الموجود بينهما ^{[ 1 ] [ 5 ]} . يتدفق التيار الكهربائي المتردد في حلقة ضخمة بين القطبين عبر الأرض، مُشعًّا موجات ELF، لذا تُعتبر الأرض جزءًا من الهوائي. لتحقيق أقصى قدر من الفعالية، يجب وضع ثنائيات الأقطاب الأرضية فوق أنواع معينة من التكوينات الصخرية تحت الأرض. ^{[ 5 ]} وقد اقترح هذه الفكرة الفيزيائي نيكولاس كريستوفيلوس، من وزارة الدفاع الأمريكية، عام 1959. ^{[ 5 ]}  

على الرغم من استخدام ثنائيات الأقطاب الأرضية الصغيرة لسنوات كأجهزة استشعار في البحوث الجيولوجية والجيوفيزيائية، إلا أن استخدامها كهوائيات اقتصر على عدد قليل من محطات الإرسال العسكرية ذات التردد المنخفض للغاية (ELF) للتواصل مع الغواصات الغاطسة . إلى جانب الهوائيات البحثية والتجريبية الصغيرة، ^{[ 5 ] [ 6 ]} من المعروف أنه تم إنشاء أربع منشآت ثنائية الأقطاب أرضية كاملة الحجم؛ اثنتان منها تابعتان  للبحرية الأمريكية في ريبابليك، ميشيغان، وكلام ليك، ويسكونسن ، ^{[ 2 ] [ 7 ] [ 8 ]} وواحدة تابعة للبحرية الروسية في شبه جزيرة كولا بالقرب من مورمانسك ، روسيا، ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]} وواحدة في الهند في قاعدة كاتابومان البحرية. ^{[ 11 ] [ 12 ]} استُخدمت المنشآت الأمريكية بين عامي 1985 و2004، ولكنها الآن خارج الخدمة. ^{[ 8 ]}

على الرغم من أن تعريف الاتحاد الدولي للاتصالات الرسمي للترددات المنخفضة للغاية يتراوح بين 3  هرتز و30  هرتز، إلا أن النطاق الترددي الأوسع من 3  هرتز إلى 3 كيلوهرتز، بأطوال موجية  مقابلة تتراوح من 100,000 كيلومتر إلى 100 كيلومتر ^{[ 1 ]} ، يُستخدم في اتصالات الترددات المنخفضة للغاية، ويُطلق عليها عادةً اسم موجات الترددات المنخفضة للغاية. ^{[ 13 ]} التردد المستخدم في أجهزة الإرسال الأمريكية والروسية، حوالي 80 هرتز، ^{[ 1 ] [ 14 ]} يُولّد موجات بطول 3750 كيلومترًا (2300 ميل)، ^{[ أ ] [ 15 ]} أي ما يُقارب ربع قطر الأرض. استُخدمت موجات الترددات المنخفضة للغاية في عدد قليل جدًا من أنظمة الاتصالات البشرية نظرًا لصعوبة بناء هوائيات فعّالة لمثل هذه الموجات الطويلة. لا يُمكن بناء أنواع الهوائيات العادية ( ثنائيات الأقطاب نصف الموجة وأحاديات الأقطاب ربع الموجة ) لمثل هذه الموجات الطويلة للغاية بسبب حجمها. يبلغ طول ثنائي القطب نصف الموجة لتردد 80 هرتز حوالي 1162 ميلًا. لذا، حتى أكبر الهوائيات العملية لترددات ELF قصيرة جدًا كهربائيًا ، أصغر بكثير من الطول الموجي للموجات التي تشعها. ^{[ 1 ]} ويكمن عيب ذلك في انخفاض كفاءة الهوائي كلما صغر حجمه عن الطول الموجي. ^{[ 1 ]} تتناسب مقاومة إشعاع الهوائي ، ومقدار الطاقة التي يشعها، طرديًا مع مربع ( L / λ ) حيث L هو طوله و λ هو الطول الموجي. لذا، حتى هوائيات ELF الكبيرة الحجم تتميز بمقاومة إشعاع منخفضة جدًا، وبالتالي تشع جزءًا ضئيلًا فقط من الطاقة المدخلة على شكل موجات ELF؛ إذ يتبدد معظم الطاقة المطبقة عليها على شكل حرارة في المقاومات الأومية المختلفة داخل الهوائي. ^{[ 5 ]} يجب أن يتراوح طول هوائيات ELF بين عشرات ومئات الكيلومترات، وأن تُشغل بواسطة أجهزة إرسال قوية في نطاق الميغاواط ، لإنتاج حتى بضعة واط من إشعاع ELF. لحسن الحظ، فإن توهين موجات التردد المنخفض للغاية مع المسافة منخفض جدًا (1-2 ديسيبل لكل 1000 كم) ^{[ 5 ]} لدرجة أن بضعة واط من الطاقة المشعة تكفي للاتصال في جميع أنحاء العالم. ^{[ 2 ]}         

تنشأ مشكلة ثانية من الاستقطاب المطلوب للموجات. تنتشر موجات التردد المنخفض للغاية (ELF) لمسافات طويلة فقط باستقطاب رأسي ، حيث يكون اتجاه خطوط المجال المغناطيسي أفقيًا وخطوط المجال الكهربائي رأسيًا. ^{[ 1 ]} يتطلب توليد موجات مستقطبة رأسيًا استخدام هوائيات موجهة رأسيًا. حتى لو أمكن بناء هوائيات تقليدية كبيرة بما يكفي على سطح الأرض، فإنها ستولد موجات مستقطبة أفقيًا، وليس رأسيًا.

تُحجب الغواصات، عند غمرها، بمياه البحر عن جميع إشارات الراديو العادية، وبالتالي تنقطع عن الاتصال بسلطات القيادة العسكرية. تستطيع موجات الراديو ذات التردد المنخفض جدًا (VLF) اختراق مياه البحر بعمق يتراوح بين 50 و75 قدمًا، وقد استُخدمت منذ الحرب العالمية الثانية للتواصل مع الغواصات، إلا أن الغواصة تضطر للصعود بالقرب من السطح، مما يجعلها عرضة للاكتشاف. في عام 1958، أدى إدراك قدرة موجات التردد المنخفض للغاية (ELF) على اختراق مياه البحر إلى أعماق أكبر، وصولًا إلى أعماق تشغيل الغواصات المعتادة، إلى اقتراح الفيزيائي الأمريكي نيكولاس كريستوفيلوس استخدام البحرية الأمريكية لها للتواصل مع الغواصات. ^{[ 7 ] [ 15 ]} أجرى الجيش الأمريكي أبحاثًا على أنواع عديدة من الهوائيات لاستخدامها في ترددات ELF. اقترح كريستوفيلوس تطبيق تيارات كهربائية على الأرض لإنشاء هوائي حلقي رأسي، واتضح أن هذا التصميم هو الأكثر عملية. ^{[ 1 ] [ 15 ]} تم اختبار جدوى فكرة ثنائي القطب الأرضي في عام 1962 باستخدام  خط كهرباء مستأجر بطول 42 كم في وايومنغ ، وفي عام 1963 باستخدام  هوائي سلكي نموذجي بطول 176 كم يمتد من ولاية فرجينيا الغربية إلى ولاية كارولاينا الشمالية . ^{[ 5 ] [ 15 ]}

يعمل الهوائي ثنائي القطب الأرضي كحلقة ضخمة موجهة رأسيًا ^{[ 5 ] [ 16 ]} ( انظر الرسم على اليمين ). ويتكون من قطبين كهربائيين ( G ) متباعدين على نطاق واسع ، مدفونين في الأرض، ومتصلين بكابلات نقل علوية بجهاز إرسال ( P ) يقع بينهما. يسري التيار المتردد من جهاز الإرسال ( I ) في حلقة عبر أحد خطوط النقل، على عمق كيلومترات في الصخور الأساسية من أحد القطبين الأرضيين إلى الآخر، ثم يعود عبر خط النقل الآخر. ينتج عن ذلك مجال مغناطيسي متردد ( H ) عبر الحلقة، والذي يشع موجات منخفضة التردد للغاية (ELF). نظرًا لترددها المنخفض، تتمتع موجات ELF بعمق اختراق كبير ، ويمكنها اختراق مسافة كبيرة عبر الأرض، لذا لا يهم أن يكون نصف الهوائي تحت الأرض. محور المجال المغناطيسي الناتج أفقي، لذا فهو يولد موجات مستقطبة رأسيًا. نمط إشعاع الهوائي اتجاهي، وهو نمط ثنائي القطب ، مع فصين (قيم عظمى) في مستوى الحلقة، بعيدًا عن نهايتي خطوط النقل. ^{[ 3 ] [ 5 ]} في المنشآت الأمريكية، يتم استخدام قطبين أرضيين، موجهين بشكل متعامد مع بعضهما البعض، للسماح بتوجيه الشعاع في أي اتجاه عن طريق تغيير الطور النسبي للتيارات في الهوائيات.

تتناسب كمية الطاقة المشعة من هوائي حلقي طرديًا مع ^مربع ( IA ) ، حيث I هو التيار المتردد في الحلقة و A هي المساحة المحصورة. ^{[ 5 ]} وللحصول على طاقة عملية عند ترددات منخفضة للغاية (ELF)، يجب أن يحمل الهوائي الحلقي تيارًا يصل إلى مئات الأمبيرات وأن يغطي مساحة لا تقل عن عدة أميال مربعة. ^{[ 5 ]} وقد وجد كريستوفيلوس أنه كلما انخفضت الموصلية الكهربائية للصخور الأساسية، زاد عمق التيار، وزادت مساحة الحلقة الفعالة. ^{[ 2 ] [ 5 ]} يخترق تيار الترددات الراديوية الأرض إلى عمق يساوي عمق الاختراق عند ذلك التردد، وهو يتناسب عكسيًا مع الجذر التربيعي لموصلية الأرض σ . يشكل ثنائي القطب الأرضي حلقة بمساحة فعالة A = 1 / √2 Lδ ، حيث L هو الطول الكلي لخطوط النقل و δ هو عمق الاختراق. ^{[ 5 ] [ 14 ]} ولذلك، تُوضع هوائيات ثنائية القطب الأرضية فوق تكوينات صخرية جوفية ذات موصلية منخفضة (وهذا يختلف عن هوائيات الراديو العادية، التي تتطلب موصلية أرضية جيدة لتوفير اتصال أرضي منخفض المقاومة لأجهزة الإرسال الخاصة بها). وُضع هوائيا البحرية الأمريكية في شبه جزيرة ميشيغان العليا، على تكوين الدرع الكندي (الدرع اللورنتياني)، ^{[ 2 ] [ 17 ]} الذي يتميز بموصلية منخفضة بشكل غير عادي تبلغ 2×10⁻⁴ ^سيمنز  /متر ^{[ 5 ]} مما أدى إلى زيادة كفاءة الهوائي بمقدار 20  ديسيبل. ^{[ 3 ]} أما الموصلية الأرضية في موقع جهاز الإرسال الروسي فهي أقل من ذلك. ^{[ 14 ]}

بسبب افتقارها للتطبيقات المدنية، فإن المعلومات المتوفرة عن ثنائيات الأقطاب الأرضية قليلة في الأدبيات التقنية الخاصة بالهوائيات.

بعد دراسة مبدئية لعدة أنظمة أكبر ( مشروع سانغوين )، أنشأت البحرية الأمريكية  محطتين لإرسال موجات التردد المنخفض للغاية (ELF)، إحداهما في كلام ليك، ويسكونسن ، والأخرى في ريبابليك، ميشيغان ، يفصل بينهما 145  ميلاً، بتردد 76  هرتز. ^{[ 2 ] [ 4 ]} ويمكن تشغيلهما بشكل مستقل، أو متزامنين كهوائي واحد لزيادة طاقة الإخراج. ^{[ 4 ]} أرسل موقع كلام ليك، وهو محطة الاختبار الأولية، أول إشارة له في عام 1982 ^{[ 4 ]} وبدأ تشغيله في عام 1985، بينما بدأ موقع ريبابليك تشغيله في عام 1989. وبطاقة دخل تبلغ 2.6  ميغاواط، بلغ إجمالي طاقة الإخراج المشعة لموجات التردد المنخفض للغاية من كلا الموقعين عند تشغيلهما معًا 8  واط. ^{[ 2 ]} ومع ذلك، ونظرًا لانخفاض توهين موجات التردد المنخفض للغاية، استطاعت هذه الطاقة المشعة الضئيلة التواصل مع الغواصات على مساحة تقارب نصف سطح الأرض. ^{[ 18 ]}

تم إيقاف تشغيل كلا جهازي الإرسال في عام 2004. ^{[ 8 ] [ 19 ]} وكان التفسير الرسمي للبحرية هو أن التطورات في أنظمة الاتصالات ذات التردد المنخفض جدًا جعلتها غير ضرورية. ^{[ 8 ]}

تشغل البحرية الروسية محطة إرسال بتردد منخفض للغاية (ELF)، تُسمى زيوس (ZEVS)، للتواصل مع غواصاتها، وتقع على بُعد 30  كيلومترًا جنوب شرق مورمانسك في شبه جزيرة كولا شمال روسيا. ^{[ 9 ] [ 10 ]} وقد رُصدت إشارات منها في تسعينيات القرن الماضي في جامعة ستانفورد وغيرها. ^{[ 10 ] [ 14 ]} وتعمل المحطة عادةً بتردد 82  هرتز، باستخدام تعديل MSK (تعديل الإزاحة الأدنى). ^{[ 10 ]} مع أنه يُقال إنها قادرة على تغطية نطاق ترددي من 20 إلى 250  هرتز. ^{[ 9 ] [ 14 ]} ويُقال إنها تتكون من هوائيين ثنائيي القطب أرضيين متوازيين  بطول 60 كيلومترًا، يعملان بتيارات تتراوح بين 200 و300 أمبير . ^{[ 10 ] [ 14 ]} وتشير الحسابات المستندة إلى الإشارات المُعترضة إلى أنها أقوى بمقدار 10 ديسيبل من أجهزة الإرسال الأمريكية. ^{[ 14 ]} على عكسها، تُستخدم في الأبحاث الجيوفيزيائية بالإضافة إلى الاتصالات العسكرية. ^{[ 9 ] [ 10 ]}  

تمتلك البحرية الهندية منشأة اتصالات تعمل بتردد منخفض للغاية في قاعدة كاتابومان البحرية في ولاية تاميل نادو ، وذلك للتواصل مع غواصاتها من فئتي أريانت وأكولا . ^{[ 11 ] [ 12 ]}

إجمالي الطاقة المشعة من ثنائي القطب الأرضي هو ^{[ 5 ]}

${\displaystyle P={\frac {\pi ^{2}f^{2}I^{2}L^{2}}{2c^{2}h\sigma }}\,}$

حيث f هو التردد، و I هو التيار الفعال في الحلقة، و L هو طول خط النقل، و c هي سرعة الضوء ، و h هو الارتفاع فوق سطح الأرض لطبقة D من الغلاف الأيوني  ، و σ هي موصلية الأرض .

تتناسب القدرة المشعة لهوائي حلقي صغير كهربائيا عادةً مع القوة الرابعة للتردد، ولكن عند ترددات ELF، تؤدي تأثيرات الغلاف الأيوني إلى انخفاض أقل حدة في القدرة يتناسب مع مربع التردد.

لا حاجة إلى هوائيات ثنائية القطب أرضية لاستقبال إشارات التردد المنخفض للغاية، على الرغم من أن بعض هواة الراديو يستخدمون هوائيات صغيرة لهذا الغرض. وبدلاً من ذلك، تُستخدم هوائيات حلقية وهوائيات ملفية من الفريت للاستقبال.

تُعدّ متطلبات هوائيات الاستقبال عند ترددات ELF أقل صرامة بكثير من متطلبات هوائيات الإرسال: ^{[ ب ]} في أجهزة استقبال ELF ، يهيمن الضجيج الجوي الكبير في النطاق على الضوضاء في الإشارة. حتى الإشارة الضعيفة التي يلتقطها هوائي استقبال صغير وغير فعال تحتوي على ضجيج يتجاوز بكثير كمية الضجيج الضئيلة المتولدة في جهاز الاستقبال نفسه. ^{[ ج ]} ولأن الضجيج الخارجي هو ما يحدّ من الاستقبال، فإن طاقة ضئيلة جدًا من الهوائي تكفي للإشارة الملتقطة للتغلب على الضجيج الداخلي، وبالتالي يمكن استخدام هوائيات استقبال صغيرة دون أي عيب.

• التواصل مع الغواصات