Tần số thấp
– Dải tần số: 30-300 kHz
– Dải bước sóng: 10-1 km
Tần số thấp LF (low frequency) là tên gọi của ITU cho tần số vô tuyến RF (radio frequency) trong phạm vi 30-300 kHz. Vì bước sóng của nó dao động tương ứng từ 10-1 km nên nó còn được gọi là dải tần km hoặc sóng km.
Sóng vô tuyến LF có độ suy giảm tín hiệu thấp nên thích hợp cho việc liên lạc ở khoảng cách xa. Ở châu Âu và các khu vực Bắc Phi và châu Á, một phần phổ LF được sử dụng để phát sóng AM dưới dạng băng tần “sóng dài”. Ở bán cầu tây, công dụng chính của nó là đèn hiệu máy bay, điều hướng (LORAN, hầu hết không còn tồn tại), thông tin và hệ thống thời tiết. Một số chương trình phát sóng tín hiệu thời gian cũng sử dụng băng tần này. Phương thức truyền dẫn chính được sử dụng trong băng tần này là sóng mặt đất, trong đó sóng vô tuyến LF truyền ngay trên bề mặt Trái đất, theo địa hình. Sóng mặt đất LF có thể truyền qua các ngọn đồi và có thể truyền xa hơn đường chân trời, cách máy phát tới vài trăm km.
Lan truyền
Tiếng ồn vô tuyến trong khí quyển tăng khi tần số giảm. Ở dải tần LF trở xuống, nó cao hơn nhiều so với mức nhiễu nhiệt được đưa vào bởi các mạch khuếch đại trong máy thu, do đó, các tín hiệu yếu có thể được khuếch đại tự do để bù đắp mà không có sự gia tăng nhiễu có thể nhận thấy. Do đó, để thu sóng, ngay cả những anten kém hiệu quả, nhỏ hơn nhiều so với bước sóng cũng là đủ.
Do bước sóng dài, sóng vô tuyến tần số thấp có thể nhiễu xạ qua các chướng ngại vật như dãy núi và truyền ra ngoài đường chân trời, theo đường viền của Trái đất. Chế độ lan truyền này, được gọi là sóng mặt đất (ground wave), là chế độ chính trong băng tần LF. Sóng mặt đất phải phân cực thẳng đứng (điện trường thẳng đứng còn từ trường nằm ngang) nên dùng anten đơn cực thẳng đứng để truyền sóng. Khoảng cách truyền bị giới hạn bởi sự hấp thụ sóng mặt đất trong Trái đất. Sự suy giảm cường độ tín hiệu theo khoảng cách thấp hơn ở tần số cao hơn. Sóng mặt đất tần số thấp có thể được thu ở khoảng cách lên tới 2.000 km từ anten phát.
Sóng tần số thấp đôi khi cũng có thể truyền đi khoảng cách xa bằng cách phản xạ từ tầng điện ly (cơ chế thực tế là khúc xạ), mặc dù phương pháp này, được gọi là truyền sóng bầu trời (skywav) hoặc bỏ qua (skip), không phổ biến như ở tần số cao hơn. Sự phản xạ xảy ra ở lớp điện ly E hoặc lớp F. Tín hiệu skywave có thể được phát hiện ở khoảng cách trên 300 km tính từ anten phát.
Công dụng
Phát thanh
Việc phát sóng AM được cấp phép ở băng tần sóng dài trên tần số từ 148,5 đến 283,5 kHz ở Châu Âu và một số khu vực ở Châu Á.
Tín hiệu thời gian tiêu chuẩn
Ở châu Âu và Nhật Bản, nhiều thiết bị tiêu dùng giá rẻ từ cuối những năm 1980 đã có đồng hồ vô tuyến với bộ thu LF cho các tín hiệu này. Vì các tần số này chỉ được truyền bằng sóng đất nên độ chính xác của tín hiệu thời gian không bị ảnh hưởng bởi các đường truyền khác nhau giữa máy phát, tầng điện ly và máy thu. Tại Hoa Kỳ, những thiết bị như vậy chỉ trở nên khả thi đối với thị trường đại chúng sau khi công suất đầu ra của WWVB tăng lên vào năm 1997 và 1999.
Quân đội
Tín hiệu vô tuyến dưới 50 kHz có khả năng xuyên qua độ sâu đại dương tới khoảng 200 m; bước sóng càng dài thì chúng càng đi sâu. Hải quân Anh, Đức, Ấn Độ, Nga, Thụy Điển, Hoa Kỳ và có thể cả các nước khác liên lạc với tàu ngầm trên các tần số này.
Ngoài ra, các tàu ngầm hạt nhân của Hải quân Hoàng gia mang theo tên lửa đạn đạo được cho là đang nhận lệnh thường trực để giám sát việc truyền sóng BBC Radio 4 trên tần số 198 kHz ở vùng biển gần Vương quốc Anh. Có tin đồn rằng họ sẽ coi việc ngừng truyền đột ngột, đặc biệt là chương trình tin tức buổi sáng Today, như một dấu hiệu cho thấy Vương quốc Anh đang bị tấn công, sau đó các mệnh lệnh được niêm phong của họ có hiệu lực.
Hoa Kỳ có bốn trạm LF duy trì liên lạc với lực lượng tàu ngầm của mình: Aguada, Puerto Rico, Keflavik, Iceland, Awase, Okinawa và Sigonella, Ý, sử dụng máy phát trạng thái rắn AN/FRT-95.
Tại Hoa Kỳ, Mạng khẩn cấp sóng đất hay GWEN hoạt động ở tần số từ 150 đến 175 kHz, cho đến khi được thay thế bằng hệ thống liên lạc vệ tinh vào năm 1999. GWEN là hệ thống liên lạc vô tuyến quân sự trên đất liền có thể tồn tại và tiếp tục hoạt động ngay cả trong trường hợp xảy ra vụ nổ tấn công hạt nhân.
Thử nghiệm và nghiệp dư
Hội nghị Thông tin Vô tuyến Thế giới năm 2007 (WRC-07) đã phân bổ đài phát thanh nghiệp dư trên toàn thế giới trong băng tần này. Phân bổ 2,1 kHz quốc tế, băng tần 2 200 m (135,7-137,9 kHz) có sẵn cho các nhà khai thác vô tuyến nghiệp dư ở một số quốc gia ở Châu Âu, New Zealand, Canada, Hoa Kỳ và các nước phụ thuộc ở nước ngoài của Pháp.
Khoảng cách kỷ lục thế giới cho một liên lạc hai chiều là hơn 10.000 km từ gần Vladivostok đến New Zealand. Cũng như mã Morse thông thường, nhiều nhà khai thác sử dụng mã Morse do máy tính điều khiển rất chậm (còn gọi là “QRSS”) hoặc các chế độ liên lạc kỹ thuật số chuyên dụng.
Vương quốc Anh đã phân bổ dải phổ 2,8 kHz từ 71,6 kHz đến 74,4 kHz bắt đầu từ tháng 4/1996 cho những người nghiệp dư ở Vương quốc Anh đã nộp đơn xin Thông báo về sự thay đổi để sử dụng băng tần trên cơ sở không gây nhiễu với công suất đầu ra tối đa là 1 Watt ERP. Điều này đã được rút lại vào ngày 30/6/2003 sau một số phần mở rộng có lợi cho băng tần 136 kHz tiêu chuẩn xuyên châu Âu. Mã Morse rất chậm từ G3AQC ở Anh đã được W1TAG ở Mỹ nhận được cách đó 5.271 km, băng qua Đại Tây Dương, bởi W1TAG ở Mỹ vào ngày 21-22/11/2001 trên tần số 72,401 kHz.
Tại Hoa Kỳ, có sự miễn trừ trong các quy định của FCC Phần 15 cho phép truyền không được cấp phép trong dải tần số 160-190 kHz. Những người yêu thích đài sóng dài gọi đây là băng tần “LowFER”, còn những người thử nghiệm và máy phát của họ được gọi là “LowFERs”. Dải tần số này nằm trong khoảng từ 160 kHz đến 190 kHz còn được gọi là băng tần 1 750 m. Yêu cầu bao gồm:
– Tổng công suất đầu vào cho giai đoạn tần số vô tuyến cuối cùng (không bao gồm công suất dây tóc hoặc bộ gia nhiệt) không được vượt quá một watt.
– Tổng chiều dài của đường truyền, anten và dây nối đất (nếu được sử dụng) không được vượt quá 15 m.
– Tất cả các phát xạ dưới 160 kHz hoặc trên 190 kHz phải được suy giảm ít nhất 20 dB dưới mức của sóng mang không điều chế.
– Để thay thế cho những yêu cầu này, có thể sử dụng cường độ trường 2400/F(kHz) microvolt/mét (được đo ở khoảng cách 300 m) (như được mô tả trong 47CFR15.209).
– Trong mọi trường hợp, hoạt động không được gây nhiễu có hại cho các dịch vụ được cấp phép.
Nhiều người thử nghiệm trong băng tần này là những người điều hành đài nghiệp dư.
Chương trình phát sóng thông tin khí tượng
Một dịch vụ thường xuyên truyền thông tin khí tượng biển RTTY bằng mã SYNOP trên LF là Dịch vụ Khí tượng Đức (Deutscher Wetterdienst hoặc DWD). DWD vận hành trạm DDH47 trên tần số 147,3 kHz sử dụng bảng chữ cái ITA-2 tiêu chuẩn với tốc độ truyền 50 baud và điều chế FSK với độ dịch chuyển 85 Hz.
Tín hiệu dẫn đường vô tuyến
Ở những nơi trên thế giới không có dịch vụ phát sóng sóng dài, đèn hiệu không định hướng được sử dụng để dẫn đường hàng không hoạt động ở tần số 190-300 kHz (và xa hơn là vào băng tần MW). Ở Châu Âu, Châu Á và Châu Phi, việc phân bổ NDB bắt đầu ở 283,5 kHz.
Hệ thống định vị vô tuyến LORAN-C hoạt động trên tần số 100 kHz.
Trước đây, Hệ thống Định vị Decca hoạt động ở tần số từ 70 kHz đến 129 kHz. Chuỗi Decca cuối cùng đã bị đóng cửa vào năm 2000.
Máy phát đo từ xa GPS vi sai hoạt động trong khoảng 283,5 đến 325 kHz.
Hệ thống định vị vô tuyến “Datatrak” thương mại hoạt động trên một số tần số, khác nhau tùy theo quốc gia, trong khoảng 120-148 kHz.
Các ứng dụng khác
Một số nhận dạng tần số vô tuyến RFID (radio frequency identification) sử dụng LF. Các nhận dạng này thường được gọi là LFID hoặc LowFID (nhận dạng tần số thấp). Nhận dạng LF RFID là các thiết bị trường gần, tương tác với trường gần cảm ứng, thay vì với sóng bức xạ (sóng vô tuyến) là phần duy nhất của trường điện từ tồn tại ở trường xa. Như vậy, về mặt kỹ thuật, chúng không phải là thiết bị vô tuyến hay anten vô tuyến, mặc dù chúng hoạt động ở tần số vô tuyến và được gọi là “anten” trong thương mại RFID, nhưng không phải trong kỹ thuật vô tuyến. Sẽ đúng hơn và có nhiều thông tin hơn về mặt kỹ thuật nếu coi chúng như cuộn dây thứ cấp của máy biến áp được ghép nối rất lỏng lẻo.
Ăng ten
Vì sóng mặt đất được sử dụng trong băng tần này yêu cầu sự phân cực dọc nên anten thẳng đứng được sử dụng để truyền dẫn. Bộ tản nhiệt dạng cột là phổ biến nhất, được cách nhiệt với mặt đất và được cấp điện ở phía dưới, hoặc đôi khi được cấp qua dây nối. Anten chữ T và anten chữ L đảo ngược được sử dụng khi chiều cao anten là một vấn đề.
Anten truyền LF cho máy phát công suất cao đòi hỏi lượng không gian lớn và là nguyên nhân gây tranh cãi ở Châu Âu và Hoa Kỳ, do lo ngại về các nguy cơ sức khỏe có thể xảy ra liên quan đến việc con người tiếp xúc với sóng vô tuyến.
Anten thu sóng dài
Yêu cầu về anten để thu sóng LF khiêm tốn hơn nhiều so với anten truyền dẫn. Mặc dù đôi khi các anten dây dài không cộng hưởng cũng được sử dụng, nhưng anten vòng ferrite lại phổ biến hơn nhiều vì kích thước nhỏ của chúng.
Các nhà khai thác đài nghiệp dư đã đạt được khả năng thu sóng LF tốt bằng cách sử dụng anten hoạt động: Một roi ngắn có bộ tiền khuếch đại tích hợp.
Độ cao anten
Do bước sóng dài trong băng tần, gần như tất cả các anten LF đều có điện trở ngắn, ngắn hơn 1/4 bước sóng bức xạ nên khả năng cản bức xạ thấp khiến chúng hoạt động kém hiệu quả, đòi hỏi dây nối đất và dây dẫn có điện trở rất thấp để tránh làm tiêu hao năng lượng máy phát. Những anten điện ngắn này cần cuộn dây tải ở đế anten để tạo ra sự cộng hưởng. Nhiều loại anten, chẳng hạn như anten ô và anten L và T, sử dụng tải điện dung trên cùng (“mũ trên”), dưới dạng một mạng lưới các dây ngang gắn vào đỉnh của bộ bức xạ thẳng đứng. Điện dung cải thiện hiệu suất của anten bằng cách tăng dòng điện mà không làm tăng chiều cao của nó.
Chiều cao của anten khác nhau tùy theo cách sử dụng. Đối với một số đèn hiệu không định hướng NDB (non-directional beacons), chiều cao có thể thấp tới 10 m, trong khi đối với các máy phát điều hướng mạnh hơn như DECCA, cây cột có chiều cao khoảng 100 m được sử dụng. Anten chữ T có chiều cao từ 50-200 m, trong khi cột anten thường cao hơn 150 m.
Chiều cao của anten cột cho LORAN-C là khoảng 190 m đối với máy phát có công suất bức xạ dưới 500 kW và khoảng 400 m đối với máy phát lớn hơn 1.000 kW. Loại anten LORAN-C chính được cách ly với mặt đất.
Các đài phát sóng LF (sóng dài) sử dụng anten cột có độ cao hơn 150 m hoặc anten chữ T. Anten cột có thể là cột cách điện nối đất hoặc cột nối đất phía trên. Cũng có thể sử dụng anten lồng trên cột nối đất.
Anten mảng định hướng
Đối với các đài phát thanh truyền hình, thường phải sử dụng anten định hướng. Chúng bao gồm nhiều cột buồm, thường có cùng chiều cao. Một số anten sóng dài bao gồm nhiều anten cột được sắp xếp thành vòng tròn có hoặc không có anten cột ở giữa. Những anten như vậy tập trung công suất phát xuống mặt đất và tạo ra một vùng thu sóng rộng lớn không bị suy giảm. Loại anten này hiếm khi được sử dụng vì chúng rất đắt tiền và đòi hỏi nhiều không gian, đồng thời vì pha-đinh xảy ra ở sóng dài hiếm hơn nhiều so với ở dải sóng trung. Một anten loại này đã được sử dụng bởi máy phát Orlunda ở Thụy Điển./.
