Frecuencia muy baja

Las estaciones transmisoras VLF de alta potencia utilizan antenas monopolo con carga superior capacitiva . Estas son antenas de hilo muy grandes, de hasta varios kilómetros de longitud. ^{[ 9 ] :  3.9–3.21 [ 8 ] :  24.8–24.12} Consisten en una serie de mástiles de radio de acero , unidos en la parte superior con una red de cables, a menudo con forma de paraguas o tendederos. ^{[ 6 ] : p.14} Tanto las torres como los cables verticales sirven como radiadores monopolo , y los cables horizontales forman una carga superior capacitiva para aumentar la corriente en los cables verticales, aumentando la potencia radiada y la eficiencia de la antena. Las estaciones de alta potencia utilizan variaciones de la antena paraguas, como las antenas "delta" y " trideco ", o antenas multihilo de parte superior plana (triáticas). ^{[ 6 ] : p.129–162} Para transmisores de baja potencia, se utilizan antenas en L invertida y en T.

Debido a su baja resistencia a la radiación, para minimizar la potencia disipada en el suelo, estas antenas requieren sistemas de puesta a tierra (Earthing) de resistencia extremadamente baja, que consisten en redes radiales de cables de cobre enterrados bajo la antena. Para minimizar las pérdidas dieléctricas en el suelo, los conductores de tierra se entierran a poca profundidad, a solo unos centímetros, y la superficie del suelo cerca de la antena a veces se protege con pantallas de cobre. También se han utilizado sistemas de contrapeso , que consisten en redes radiales de cables de cobre sostenidas a varios metros del suelo bajo la antena.

Se requiere una bobina de carga grande en el punto de alimentación de la antena para cancelar la reactancia capacitiva de la misma y lograr la resonancia . En VLF, el diseño de esta bobina es complejo; debe tener baja resistencia a la frecuencia de RF de operación, un factor Q alto , manejar corrientes muy elevadas y soportar el voltaje extremadamente alto de la antena. Generalmente, se trata de enormes bobinas de núcleo de aire de 2 a 4 metros de altura, enrolladas sobre un marco no conductor, con una resistencia de RF reducida mediante el uso de un grueso hilo litz de varios centímetros de diámetro, compuesto por miles de hebras aisladas de alambre fino trenzadas entre sí. ^{[ 6 ] : p.95}

La alta capacitancia e inductancia y la baja resistencia de la combinación antena-bobina de carga hacen que actúe eléctricamente como un circuito sintonizado de alto Q. Las antenas VLF tienen un ancho de banda muy estrecho y para cambiar la frecuencia de transmisión se requiere un inductor variable ( variómetro ) para sintonizar la antena. Las grandes antenas VLF utilizadas para transmisores de alta potencia suelen tener anchos de banda de solo 50–100 hercios. El alto Q resulta en voltajes muy altos (hasta 250 kV) ^{[ 6 ] : p.58} en la antena y se requiere un muy buen aislamiento. ^{[ 6 ] : p.14,19} Las grandes antenas VLF suelen operar en modo 'limitado por voltaje': la potencia máxima del transmisor está limitada por el voltaje que la antena puede aceptar sin ruptura dieléctrica del aire , corona y arco eléctrico de la antena.  

El ancho de banda de las grandes antenas VLF con carga capacitiva es tan estrecho (50–100  Hz) que incluso los pequeños desplazamientos de frecuencia de la modulación FSK y MSK pueden excederlo, sacando la antena de resonancia , lo que provoca que refleje parte de la potencia de vuelta a la línea de alimentación. La solución tradicional es usar una "resistencia de ancho de banda" en la antena que reduce el Q , aumentando el ancho de banda; sin embargo, esto también reduce la potencia de salida. Una alternativa reciente utilizada en algunos transmisores VLF militares es un circuito que desplaza dinámicamente la frecuencia de resonancia de la antena entre las dos frecuencias de salida con la modulación. ^{[ 8 ] : 24.7  [ 9 ] : 3.36}  Esto se logra con un reactor saturable en serie con la bobina de carga de la antena . Este es un inductor de núcleo ferromagnético con un segundo devanado de control a través del cual fluye una corriente continua, que controla la inductancia magnetizando el núcleo, cambiando su permeabilidad . El flujo de datos de conmutación se aplica al devanado de control. Así, cuando la frecuencia del transmisor cambia entre las frecuencias '1' y '0', el reactor saturable modifica la inductancia en el circuito resonante de la antena para desplazar la frecuencia resonante de la antena y que esta siga la frecuencia del transmisor.

Los requisitos para las antenas receptoras son menos estrictos debido al alto nivel de ruido atmosférico natural en la banda. En frecuencias VLF, el ruido de radio atmosférico supera con creces el ruido del receptor introducido por el circuito receptor y determina la relación señal-ruido del mismo . Por lo tanto, se pueden usar antenas receptoras pequeñas y poco eficientes, y la señal de bajo voltaje de la antena se puede amplificar fácilmente mediante el receptor sin introducir ruido significativo. Generalmente se utilizan antenas de bucle de ferrita para la recepción.

Históricamente, esta banda se utilizó para la comunicación radiofónica transoceánica de larga distancia durante la era de la telegrafía inalámbrica, entre 1905 y 1925 aproximadamente. Las naciones construyeron redes de estaciones de radiotelegrafía de alta potencia de baja y muy baja frecuencia que transmitían información de texto mediante código Morse para comunicarse con otros países, sus colonias y flotas navales. Se hicieron los primeros intentos de utilizar la radiotelefonía mediante modulación de amplitud y modulación de banda lateral única dentro de la banda a partir de 20  kHz, pero el resultado fue insatisfactorio debido a que el ancho de banda disponible era insuficiente para contener las bandas laterales .

En la década de 1920, el descubrimiento del método de propagación de radio por onda ionosférica (o de salto) permitió que los transmisores de menor potencia que operaban a alta frecuencia se comunicaran a distancias similares al reflejar sus ondas de radio en una capa de átomos ionizados en la ionosfera , y las estaciones de radiocomunicación de larga distancia cambiaron a las frecuencias de onda corta . El transmisor VLF de Grimeton , en Grimeton, cerca de Varberg, Suecia , uno de los pocos transmisores que quedan de esa época y que se ha conservado como monumento histórico, puede ser visitado por el público en ciertos momentos, como en el Día de Alexanderson .

Debido a sus largas distancias de propagación y a sus características de fase estables, durante el  siglo XX la banda VLF se utilizó para sistemas de radionavegación hiperbólica de largo alcance que permitían a los barcos y aeronaves determinar su posición geográfica comparando la fase de las ondas de radio recibidas de transmisores de balizas de navegación VLF fijos .

El sistema Omega, de alcance mundial, utilizaba frecuencias de entre 10 y 14 kHz, al igual que el sistema Alpha  de Rusia .

La banda VLF también se utilizaba para transmisiones de hora y frecuencia estándar . En Estados Unidos, la estación de señales horarias WWVL comenzó a transmitir una  señal de 500 W en 20  kHz en agosto  de 1963. Utilizaba modulación por desplazamiento de frecuencia ( FSK ) para enviar datos, alternando entre 20  kHz y 26  kHz. El servicio de WWVL se interrumpió en julio  de 1972.

Las señales naturales en la banda VLF son utilizadas por los geofísicos para la localización de rayos a larga distancia y para la investigación de fenómenos atmosféricos como la aurora. Las mediciones de silbidos se emplean para inferir las propiedades físicas de la magnetosfera . ^{[ 11 ]}

Los geofísicos utilizan receptores electromagnéticos VLF para medir la conductividad en la superficie cercana de la Tierra. ^{[ 12 ]}

Las señales VLF pueden medirse mediante un estudio electromagnético geofísico que se basa en las corrientes transmitidas que inducen respuestas secundarias en unidades geológicas conductoras. Una anomalía VLF representa un cambio en la orientación del vector electromagnético sobre los materiales conductores del subsuelo.

Las frecuencias VLF también pueden penetrar el suelo y la roca a cierta distancia, por lo que estas frecuencias también se utilizan para sistemas de comunicación subterránea en minas .

Los potentes transmisores VLF son utilizados por las fuerzas armadas para comunicarse con sus tropas en todo el mundo. La ventaja de las frecuencias VLF radica en su largo alcance, alta fiabilidad y la previsión de que, en caso de guerra nuclear , las comunicaciones VLF se verían menos afectadas por las explosiones nucleares que las de frecuencias más altas. Dado que pueden penetrar el agua de mar, las fuerzas armadas utilizan VLF para comunicarse con submarinos cerca de la superficie, mientras que las frecuencias ELF se emplean para submarinos sumergidos a gran profundidad.

Ejemplos de transmisores VLF navales son:

• La estación transmisora ​​británica de Skelton , en Skelton, Cumbria.
• La emisora ​​alemana DHO38 en Rhauderfehn transmite en 23,4  kHz con una potencia de 800  kW.
• La estación de radio naval estadounidense Jim Creek en Oso, estado de Washington, transmite en 24,8  kHz con una potencia de 1,2  MW.
• La estación de radio naval estadounidense de Cutler, en Cutler, Maine , transmite en 24  kHz con una potencia de 1,8  MW.

Desde 2004, la Armada de los Estados Unidos dejó de usar transmisiones ELF, argumentando que las mejoras en la comunicación VLF las han vuelto innecesarias, por lo que es posible que haya desarrollado tecnología para permitir que los submarinos reciban transmisiones VLF mientras operan a profundidad.

En los países que operan submarinos, los transmisores terrestres y aéreos de alta potencia envían señales que pueden recibirse a miles de kilómetros de distancia. Las estaciones transmisoras suelen cubrir grandes áreas (varios hectáreas o kilómetros cuadrados), con una potencia de transmisión que oscila entre 20  kW y 2000  kW. Los submarinos reciben señales de los transmisores terrestres y aéreos mediante algún tipo de antena remolcada que flota justo debajo de la superficie del agua, como por ejemplo una antena de cable flotante (BCAA).

Los receptores modernos utilizan sofisticadas técnicas de procesamiento digital de señales para eliminar los efectos del ruido atmosférico (causado principalmente por rayos en todo el mundo) y las señales de canales adyacentes, ampliando así el alcance útil de la recepción. Los bombarderos nucleares estratégicos de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos reciben señales VLF como parte de sus operaciones reforzadas para resistir ataques nucleares.

Se pueden utilizar dos conjuntos de caracteres alternativos: ITA2  de 5 bits o ASCII de 8 bits . Dado que se trata de transmisiones militares, casi siempre están cifradas por motivos de seguridad. Si bien es relativamente fácil recibir las transmisiones y convertirlas en una cadena de caracteres, los enemigos no pueden descifrar los mensajes cifrados; las comunicaciones militares suelen utilizar cifrados de clave única irrompibles , dado el reducido volumen de texto. 

La potencia radiada por las estaciones de radioaficionados es muy baja, oscilando entre 1  μW y 100  μW para antenas de estaciones base fijas, y hasta 10  mW para antenas tipo cometa o globo. A pesar de la baja potencia, la propagación estable con baja atenuación en la cavidad Tierra-ionosfera permite utilizar anchos de banda muy estrechos para alcanzar distancias de hasta varios miles de kilómetros. Los modos utilizados son QRSS , MFSK y BPSK coherente .

El transmisor generalmente consta de un amplificador de audio de unos cientos de vatios, un transformador de adaptación de impedancia, una bobina de carga y una gran antena de hilo. Los receptores emplean una sonda de campo eléctrico o una antena de bucle magnético, un preamplificador de audio sensible, transformadores de aislamiento y una tarjeta de sonido de PC para digitalizar la señal. Se requiere un procesamiento de señal digital extenso para recuperar las señales débiles de debajo de la interferencia de armónicos de la línea eléctrica y atmósferas de radio VLF . Las intensidades de señal recibidas útiles son tan bajas como3 × 10 ⁻⁸  voltios/metro (campo eléctrico) y1 × 10 ⁻¹⁶  teslas (campo magnético), con velocidades de señalización que suelen oscilar entre 1 y 100  bits por hora.

Las señales VLF suelen ser monitoreadas por radioaficionados que utilizan sencillos receptores de radio VLF caseros basados ​​en computadoras personales (PC). ^{[ 15 ] [ 16 ]} Una antena en forma de bobina de alambre aislado se conecta a la entrada de la tarjeta de sonido de la PC (a través de un conector jack) y se coloca a unos pocos metros de distancia. El software de transformada rápida de Fourier (FFT) en combinación con una tarjeta de sonido permite la recepción simultánea de todas las frecuencias por debajo de la frecuencia de Nyquist en forma de espectrogramas .

Debido a que los monitores CRT son fuentes importantes de ruido en el rango VLF, se recomienda grabar los espectrogramas con cualquier monitor CRT de PC apagado. Estos espectrogramas muestran numerosas señales, que pueden incluir transmisores VLF y la deflexión horizontal del haz de electrones de los televisores. La intensidad de la señal recibida puede variar con una perturbación ionosférica repentina . Estas perturbaciones provocan un aumento en el nivel de ionización de la ionosfera, lo que produce un cambio rápido en la amplitud y la fase de la señal VLF recibida.