Radio Amateur BG2KAJ - 137kHz “下五洋捉鳖”计划

137kHz通信实验记录（1）理论准备

137kHz通信实验记录（2）天线系统

137kHz通信实验记录（3）QRSS发射机的设计和制作

137kHz通信实验记录（4）137kHz Transverter的设计和制作

137kHz通信实验记录（5）137kHz 完整通信系统的设计

137kHz通信实验记录（6）137kHz 1km可行性通联实验

137kHz通信实验记录（7）137kHz 5km及10km通联实验

137kHz通信实验记录（8）137kHz 未来展望

137kHz通信实验记录（1）理论准备

137kHz（2200m）是大部分国家划分给业余无线电频段的最低频频段，她位于LF波段。如果说160m波段被称作“Top band”——HF爱好者的极限波段、而sub-9kHz（在英国等欧洲国家实验性分配的VLF波段）被称作“Dreamer’s band”——VLF梦想家的波段的话，那被夹在两者之间的2200m波段确实显得有些“平平无奇”——毕竟两边都靠不上。然而，想要以业余玩家的身份完成LF通联，同样具有非常大的挑战。为了完成一个新波段上的通联，首先应该准备的就是对应波段的收发信机系统。总的来说，系统都由收信机、发信机、天线馈线系统来组成。接下来将对于每一个系统进行简单地介绍，并从中展示若想在137kHz波段进行通信，所要面对的障碍和问题有哪些。

137kHz波段基础知识

137kHz属于LF（低频）波段，占据了135.7~137.8kHz内的2.1kHz频谱。这一波段的频谱是如此的狭窄以至于话音模式不可在该波段上使用。在我国，137kHz以次要业务类型被分配给B类和C类业余无线电爱好者。

该波段在法律和规章制度上限制了天线系统的EIRP（有效全向辐射功率）为1W，但实际上由于该波段波长过长，大部分天线在该波段均可被视为电长度极小，因此辐射效率极低。大部分137kHz波段的玩家一般使用几十~几千瓦的射频输出功率，但到了天线段，实际辐射功率可能仅为毫瓦级别。这也增加了实际通联的难度。

介于以上两个理由，在该波段上一般使用CW/QRSS（超慢速CW）/双频CW或窄带数据模式（如JT9/FST4）等进行通讯。这些模式一方面占用极低的带宽，可以供频段内多个电台通信；另一方面具有较好的信噪比特性，能够在低实际辐射效率、较强的天电干扰和人为噪音的影响环境下进行通信。

LF和VLF波段的电波传播特性和HF波段的特性有着较大的不同——甚至是在137kHz和460kHz之间，传播模式也有着较大的不同。一般认为在137kHz波段上，电波具有较明显的夜间特征。电波的传播在远距离上收到电离层和地球磁场的影响较大。电离效果好时，对于该波段的传播有着较大的负面影响。而在夜间，传播效果将会得到较强的增强。这和MF段有着相似的特性。但受到限制的发射条件是该波段上进行DX的主要影响。在近距离范围内，该波段具有典型的地波传播特点，可以期待在近距离范围内的很好覆盖而无关空间环境状态。

天馈系统

对于目的不同的爱好者来说，天线的选择也是非常不同的。在单纯接收的应用中，具有高Q值的多匝环天线和有源放大器的组合是最佳的选择。通常为了接收窄带CW和数据模式，还会使用CW滤波器或更加狭窄的滤波器来进一步滤除干扰。这种环形天线一般谐振在工作频率上，具有较好的选择性。同时其具有的null也可以某种程度上排除来自非信号源方向上的干扰，从而提高欲接收信号的信噪比。

发射天线方面，目前受到最广泛应用的两种137kHz发射天线是垂直顶部加感GP和谐振环天线。由于波长太长，任何的垂直天线都不太可能达到1/4波长高度（500米！），因此在设计中，所有的垂直天线都可被视为是缩短型天线。关于垂直天线和谐振环天线的设计和计算方式，ON7YD有一个非常好的网页介绍了相关的公式和方法。http://www.strobbe.eu/on7yd/136ant/

另外一种没有受到太多关注的天线类型是地电极天线/地偶极天线。这种天线最初被用在VLF/ELF军事潜艇通信中，后受到业余无线电、洞窟探险爱好者的关注。这种天线的结构是由两个或多个可靠的接地端子插入地面，然后另一端通过阻抗匹配电路连入收发信机的天线端子部分来实现的。国内互联网上由M6SIG和BG5TOX在对2018年泰国洞穴救援中所使用的87kHz SSB对讲机HeyPhone的介绍中对这种天线形式进行了一定的普及。而科创BG8AAA等人在洞穴通信实验中对这种天线进行了简要的试验，实现了岩洞内部几十米落差间的信息传递。由于此种天线类型不需要较大的外观结构，因此比较适合国内的爱好者进行实验。在接下来的天线部分文章中，我会对这种天线进行进一步的介绍。

收发信机系统

由于该波段没有成品商业设备出售，因此所有想要操作的爱好者均需选择自制或改装设备。

当仅用于信标和CW/QRSS发射时，一个比较好的设计是来自VK1SV的设计。他的机器采用2MHz晶振经4060分频，产生的137kHz CW直接键控并通过IRF540N功率放大，其输出为50W。在该波段上处于QRP的水平。接收端方面，由于该波段频率较低，因此很多放大器都可用做前级放大。在使用了适当的窄带滤波器之后，能够获得比较满意的效果。更多实验电路可以在RSGB Low Frequency Experimenter's Handbook中找到。

137kHz通信实验记录（2）天线系统

       在本次实验中，我们选择地电极天线作为主要的收发天线。地电极天线（earth-electrode antenna）又称地探极天线（earth-probe antenna）或地偶极天线（ground dipole）。是一种由连接线、接地棒和大地环路形成的。它的结构示意图如下图所示：

图1：地下环路结构示意图 图片来自vlf.it

       根据Renato Romero等人对该种天线的试验结果，这种天线结构对于不同频率的电磁波的工作原理有着不同的方式。这一现象可能来源于土地对于不同频率电磁波所产生的诱导极化现象的不同性质展现。一般来说人们倾向于将其视为一种地下形成的环路结构，其环的理论大小可能等于工作频率的1λ。这种天线既可作为VLF/LF频段的接收天线也可用于发射。在8kHz/137kHz/473kHz和1.8MHz/7MHz波段上均有着成功的发射试验报告。

在VLF和LF频段内，良好的土壤将展现出纯电阻性的特征（G3XBM/VK1SV/Klub Niezwykłych Łączności），周围埋有金属或其他物体的土壤将因耦合而对外展现出一定的感性和容性特征。因此对于这些波段的天线来说，大部分情况下进行简单地阻抗变换即可满足发射机后级PA输出的特性。在吉林大学校内某地测试得到的土壤电阻与距离之间的关系如表1/2所示：

表1 物理楼北侧土壤测试结果

表2 体育场北侧土壤测试结果

进行阻抗变换时，常用到磁环绕制的阻抗变压器。下面将对阻抗变压器的设计和制作进行简单地介绍（下文若无明确指出，均简称“137kHz处天线的交流阻抗”为“阻抗”）。

与其他短波段的天线不同，使用地电极天线时我们对于天线的阻抗没有一个预先的估计。场地是否下雨、土壤含电解质含量的多少、附近是否埋有金属物体等都会影响到两个端子间的阻抗大小。因此我们制作的阻抗变压器应能够覆盖较多变换可能。也即意味着次级绕组需要以多抽头的方式引出。从而在不同抽头位置获得不同的阻抗变换效果。在这里我们将制作一个初级绕组50欧姆，次级变换比分别为1/4/9/16/25的阻抗变压器。最高可以匹配至1250欧姆阻抗。

确定了初级绕组阻抗后，我们即可开始选择磁环。一个经验性的选择方式为初级绕组之阻抗应至少为10倍的输入阻抗。对于50欧姆的输入来说初级绕组的阻抗应为500欧姆。根据公式：

其中X为阻抗(Ohm)，f为工作频率(Hz)，L为电感量(Henry)。

我们可以得出：

在137kHz，有：

       因此我们的初级绕组应具有581uH的电感量。在HF中我们使用的磁环一般具有nH级别的单圈电感量，在这个设计中必须选择具有较高AL值的线圈。

  我们暂时选择EPCOS的B64290L0674X038，根据手册来看该磁环AL值为13.5uH。如果十个线圈并绕的话单圈AL值为135uH/N2。对于581uH的话 ，绕2圈即可。这里我们选择绕2圈，那么对应的次级线圈即为2圈、4圈、6圈、8圈、10圈即可产生足够的匹配组合。线圈的示意图如图2所示。 （本段感谢BH3PTS纠正错误的AL计算值）。使用时应注意次级线圈上的高压，并做好线圈绕组间的绝缘处理。

图2 阻抗匹配变压器

137kHz通信实验记录（3）QRSS发射机的设计和制作
对于可行性实验来说，为了简化实验难度，可以选择简单的信号源及接收设备进行实验。最简单的一种信号源为QRSS发射机。它可以产生方便的QRSS CW信号，并可以在半自动的情况下工作。根据澳大利亚及英国的爱好者的前期探索，我们选择了一款基于晶振、分频器的QRSS发射电路。并为其选择了Airspy SDR接收机作为接收端的搭配。

TBC

137kHz通信实验记录（4）137kHz Transverter的设计和制作

为了实现一个Transverter，需要考虑发射和接收两个部分的电路，其中，发射部分将来自成品收发信机的信号适当衰减，并与Transverter内部的本振电路产生的本振信号进行混频，选出欲操作波段的信号并加以再次放大、滤波并送往天线。而接收部分将来自天线的信号放大、选频后与本振信号混频，形成成品收发信机接受范围内的信号并送至成品收发信机。接下来将会分部分对于两者进行介绍。

发射部分

首先，来自收发信机的信号一般功率较大，为了对其进行处理，需要先将其适当衰减。大部分成品收发信机的最小功率为5W。为了实现700mVpp左右的合适电压，对其加以30db的衰减即可。通过π型衰减网络计算器可得各电阻的阻值如下图所示：

在制作时需要注意，这些电阻应选择10W级别的功率耐受，并且应选择无感电阻以避免其他问题。

混频级采用了双栅极MOSFET混频器的电路，这是一种简单的混频器电路，使用BF998R双栅极MOSFET。其两个栅极可作为本振及RF输入使用，在漏极接一个调谐回路，混频的结果通过该调谐回路及耦合电容选出。在这里，需要注意的是调谐回路的设计。由于制作时的环境限制，购买了10mH电感器和120pF的可变电容器，因此需要在可变电容器两端并联一个220电容以覆盖137kHz的频率范围。

该部分的电路图如下图所示。

试验时，搭建上述电路，并在LO1处施加10MHz、1Vpp的本振正弦波信号，在LO2处施加10.137MHz、700mVpp的RF正弦波信号。在输出端处可观察到完美的137KHz混频输出正弦波。

TBC

137kHz通信实验记录（5）137kHz 完整通信系统的设计
137kHz通信实验记录（6）137kHz 1km可行性通联实验
137kHz通信实验记录（7）137kHz 5km及10km通联实验
137kHz通信实验记录（8）137kHz 未来展望