Propagacja fal radiowych

1. Wstęp
O ile przetwarzanie informacji na sygnały, transmisja sygnałów, a także ich odbiór i odtwarzanie zależą od układu i konstrukcji urządzeń przeznaczonych do tych celów, to warunki propagacji fal radiowych są zależne od wielu czynników nie dających się regulować. Do rozpatrywania właściwości propagacyjnych fal radiowych jest przydatny podział fal w zależności od długości (tab. 1).

Zasadniczy wpływ na rozchodzenie się fal radiowych ma budowa atmosfery oraz zjawiska w niej zachodzące. Tylko w niektórych przypadkach mamy do czynienia z propagacją fal w przestrzeni swobodnej (okołoziemskiej). W wielkim uproszczeniu w atmosferze można wyróżnić dwie istotne dla radiokomunikacji warstwy: troposferę i jonosferę, przedzielone dość obojętną stratosferą.

2. Propagacja fal w troposferze
Troposfera rozciąga się od powierzchni Ziemi do wysokości od około lOkm nad biegunami do 18km nad równikiem. Charakteryzuje się ona stałym składem powietrza i spadkiem temperatury z wysokością.
Propagacja fal w troposferze jest silnie uzależniona od zjawisk meteorologicznych. Fale radiowe mogą być tłumione i rozpraszane w stopniu zależnym od zakresu. Może w niej zachodzić refrakcja, czyli odchylenie toru fali od linii prostej.
Jonosfera jest znacznie bardziej skomplikowanym mechanizmem. Jest ona mocno zjonizowaną przez promieniowanie słoneczne częścią atmosfery znajdującą się powyżej 60 km nad powierzchnią Ziemi. Oprócz Słońca, czynnikami jonizującymi są promieniowanie kosmiczne i pył kosmiczny wchodzący w kontakt z atmosferą.

3. Propagacja fal w jonosferze
W jonosferze wyróżniono szereg warstw o różnych właściwościach. Ich grubość zmienia się zależnie od intensywności czynników jonizujących, szczególnie dobowej.

W ciągu dnia wyróżnia się cztery warstwy:
D (60-90km),
E (100-120km),
F1 (180-240km, istnieje tylko latem),
F2 (230-400km, dość niestabilna).

Nocą warstwy D i F1 zanikają, a pozostałe warstwy wykazują własności słabsze niż za dnia. Zasadniczo fale radiowe odbijają się od jonosfery. Wiry i wiatry jonosferyczne, związane z oddziaływaniem mas Słońca i Księżyca, powodują dodatkowo rozproszenie fal. Częstym zjawiskiem są odbicia fal od zjonizowanych śladów przejścia meteorów (czasem sięgających w dół do stratosfery).
Przejście fal elektromagnetycznych przez jonosferę jest uzależnione od długości fal i kątów padania na powierzchnię jonosfery.
Fale długie, wskutek bardzo małego tłumienia w gruncie, który dla tego zakresu zachowuje się praktycznie jak przewodnik, oraz dużej dyfrakcji, rozchodzą się w postaci fali powierzchniowej na dość duże odległości. Jednakże w dalekosiężnej komunikacji na falach długich wykorzystuje się falę jonosferyczną. Zasięg łączności na falach długich wzrasta w nocy, co wynika z faktu, że tłumienie tych fal przez warstwę E jonosfery jest mniejsze, niż tłumienie ich przez warstwę D, która w nocy zanika.

4. Fala powierzchniowa
O zasięgu na falach średnich w dzień decyduje fala powierzchniowa.
W nocy na falaćh średnich zdarza się czasem tzw. "efekt luksemburski", polegajacy na tym, że jedna fala przejmuje modulację innej, w rezultacie czego jej modulacja staje się mieszanką obu, niekiedy z przewagą tej przechwyconej.
Zasięg łączności na fali powierzchniowej maleje wraz z długością fali. Zasięg fali powierzchniowej w zakresie fal krótkich jest niewielki: od kilkudziesięciu kilometrów od nadajnika (fale rzędu 100m) do kilku kilometrów (fale rzędu l Om). Jednakże fale krótkie mogą się odbić (raz lub wielokrotnie) od jonosfery i od Ziemi, umożliwiając na fali jonosferycznej łączność o zasięgu ogólnoświatowym. Fale krótkie są odbijane głównie przez warstwę F2, ale okresowo także inne (E i F1), w tym warstwy występujące sporadycznie. Stan i ilość warstw jonosfery zależy od kąta padania promieni słonecznych oraz od aktywności słonecznej, dlatego też w różnych przedziałach czasu warunki propagacyjne na obu końcach zakresu fal krótkich mogą ulegać zmianom.

5. Zjawisko propagacji pozaortodromowej
W praktyce zdarza się odchylenie rzeczywistej drogi fal krótkich od trasy najkrótszej (ortodromy). Zjawisko to nazywamy propagacją pozaortodromową. Spowodowane jest ono zmianami wysokości warstw jonosferycznych w obszarach wschodu i zachodu Słońca - na przejściu pomiędzy obszarem oświetlonym a strefą cienia następuje nachylenie pułapu jonosfery. Odbicie od warstwy nachylonej powoduje czasowe odchylenie toru fali. Podobnie dzieje się wskutek odbić od nachylonej powierzchni terenu w miejscu odbicia fali od ziemi. Zmiany wysokości jonosfery wywołują dodatkowo efekt Dopplera.

6. Zjawisko zaniku powszechnego
Poważne pogorszenia łączności na falach krótkich są spowodowane przez burze jonosferyczne. Częstotliwość występowania burz jonosferycznych jest związana z przebiegiem jedenastoletniego cyklu aktywności słonecznej - najwięcej w latach maksimum plam słonecznych. Burza jonosferyczna trwa zazwyczaj od kilku godzin do paru dni, przeważnie jednak nie dłużej niż dwie doby. Szczególnym rodzajem zaburzenia jonosferycznego jest zjawisko zaniku powszechnego, czyli zanik odbioru fal krótkich na całej półkuli oświetlonej przez Słońce.

7. Zjawisko echa
Innym efektem charakterystycznym dla fal krótkich jest zjawisko echa. Jego źródłem jest zaleta tego zakresu fal, czyli ogólnoświatowy zasięg. Fala z nadajnika może docierać do odbiornika zarówno najkrótszą drogą jako sygnał bezpośredni albo jako sygnał pośredni po okrążeniu Ziemi. A może to zrobić nawet wielokrotnie. Różnicy drogi sygnałów bezpośredniego i pośredniego równej 1000km odpowiada różnica czasu odebrania sygnałów około 3 milisekund. Zjawisko echa występuje najczęściej, gdy nadajnik i odbiornik znajdują się w strefie zmiany pory doby (w strefie półmroku). Droga obu sygnałów przebiega wtedy wzdłuż strefy półmroku. Dla radiokomunikacji fonicznej zjawisko echa jest dość szkodliwe, ponieważ wielokrotne echa mogą znacznie obniżyć jakość sygnału.
Fale ultrakrótkie rozchodzą się w zasadzie prostoliniowo, podobnie jak światło widzialne. Podlegają one odbiciu od obiektów o dużej gęstości oraz rozpraszaniu i tłumieniu w atmosferze i innych ośrodkach. Gdyby stwierdzenie takie było w stu procentach ścisłe, ich zasięg powinien ograniczać się do horyzontu optycznego. W rzeczywistości zasięg fal ultrakrótkich jest większy dzięki refrakcji troposferycznej, dyfrakcji, czyli załamaniu toru fali na krawędzi horyzontu czy wzniesień i budynków, no i niekiedy dzięki odbiciom od śladów meteorytów w atmosferze.
W celu zwiększenia zasięgu łączności w zakresie UKF stosuje się przemienniki częstotliwości. Warunki propagacyjne można prognozować m.in. po ilości plam na Słońcu. Bieżący cykl słoneczny osiągnął już swoje maksimum.
Wiele informacji na ten temat przedstawił w swoich artykułach SP7HT. Warto wiedzieć, że do bieżącej oceny warunków propagacyjnych wykorzystuje się także sieć radiolatarni.

8. Podstawowe rodzaje propagacji

a - propagacja bezpośrednia (Dir),
b - propagacja troposferyczna (Tr),
c - propagacja przez odbicie od E_s,
d - propagacja przez odbicie od zorzy polarnej,
e - propagacja przez odbicie od roju meteorów (MS),
f - propagacja na rozproszeniu troposferycznym (TS),
g - propagacja na rozproszeniu jonosferycznym (JS),
h - propagacja przez odbicie od księżyca (EME),
i - propagacja przez satelitę niskoorbitowego,
j - propagacja przez satelitę wysokoorbitowego,
k - propagacja przez przemiennik naziemny,

9. Propagacja bezpośrednia
Polega na prostolinijnym rozchodzeniu sie fal nad sferyczna powierzchnią Ziemi. Bezpośrednia widoczność między dwoma antenami jest możliwa jedynie wtedy, gdy co najmniej jedna z nich znajduje się na pewnej wysokości nad Ziemią.

10. Propagacja troposferyczna (TP)
Jest to rozchodzenie się fal radiowych w dolnej warstwie atmosfery, a w szczególności w pobliżu Ziemi.

11. Propagacja na rozproszeniu troposferycznym (TS)
Jest to typ propagacji wykorzystujacy rozproszenie fal radiowych na licznych, lecz stosunkowo niewielkich obszarach troposfery z odchylonym wskaźnikiem refrakcji. W tym wypadku fala radiowa, natrafiająca na niejednorodności, ulega częściowemu rozproszeniu, częściowo ulega odbiciu, częściowo zaś osłabiona przechodzi przez obszar rozpraszania.

12. Meteor Scatter (MS) - łączność przez odbicie od rojów meteorów
Pozwala na osiągnięcia łączności na UKF z krajami nieosiągalnymi w normalnych warunkach. Zasięg takiej propagacji wynosi 500 do 2500 km przy mocach rzedu kilkuset W i zastosowaniu anten kierunkowych. Łączności są zwykle wcześniej uzgadniane ze względu na krótkotrwałość zjawiska. Polegają na nadawaniu tekstów ze znacznie zwiększoną prędkością. rejestrowanych u korespondenta za pomocą magnetofonu lub komputera. Prędkość wynosi minimum 160 znaków na minutę.

13. Zjawisko zorzy polarnej

Odbicie od zorzy polarnej zapewnia na obszarze Europy północnej zasięg do 1500 km. Warunkiem zaistnienia łączności zorzowej jest wystąpienie zorzy w określonym obszarze, emisja w jej stronę fali pod odpowiednim kątem oraz takie ustawienie anteny, aby fala radiowa powracała na Ziemię w odpowiednim miejscu w miarę stabilnie i bez częstych zmian.
14. Odbicia od powierzchni księżyca (EME)
Technika EME (Earth-Moon-Earth) jest największym wtajemniczeniem sportu krótkofalarskiego. Wymaga nadajników o mocy rzedu 1 kW, ogromnych zestawów anten śledzących księżyc (paraboliczne lub Yagi), oraz odniornika o wstędze rzędu 50 Hz.

15. Przemienniki naziemne
Przemienniki naziemne są to automatyczne urządzenia nadawczo-odbiorcze (Repeatery) pozwalające na komunikację pomiędzy urządzeniami samochodowymi, ręcznymi i stacjonarnymi. W normalnych warunkach urządzenia UKF mają zasięg od kilku kilometrów (w aglomeracji miejskiej) do kilkuset km w sprzyjających warunkach. Przemiennik najczęściej jest montowany w najwyższym punkie w okolicy (wieżowiec, góra, maszty antenowe) i zapewnia poprawę zarówno zasięgu łączności jak i jej jakość.
Praca przez przemiennik wymaga posiadania urządzenia, które automatycznie przestraja się z kanału wejściowego na wyjściowy w momencie przełączania nadawania na odbiór. Funkcję owa posiada większość obecnie urzywanych urządzeń. Funkcja ta nazywa się -> SHIFT.
W przemiennikach stosuje się zdalne jego załączanie przez podanie na jego wejście przez moment tonu 1750 Hz lub samej nośnej. Często dodatkowo potrzebny jest odpowiedni ton CTCSS. Nadajnik otwiera się wtedy przeważnie na okres kilku do kilkunastu sekund. Jeśli w tym czasie nie podejmie się rozmowy ani nie odbierze żadnego sygnału, przemiennik wyłączy się automatycznie przechodząc w stan czuwania. Oba tony wprowadzono w celu zabezpieczenia przed przypadkowym otwarciem przemiennika od różnych zakłóceń. Każdy przemiennik ma układ automatycznego generowania swojego charakterystycznego znamiennika, który emituje na swoim sygnale wyjściowym co kilkanaście sekund w tle. Jest to jego znak identyfikacyjny nadawany telegraficznie lub/i podawany głosowo.

16. Aktywność słoneczna i jej wpływ na propagację
Słońce uważamy za aktywne, gdy wzrasta ilość energii wysyłanej przez naszą gwiazdę w przestrzeń międzyplanetarną, to znaczy wtedy, gdy na Słońcu pojawiają się tzw. obszary aktywne. Widzimy je jako ciemne plamy na jasnej tarczy Słońca. Spowodowane to jest obecnością w nich silnych pól magnetycznych, które zmieniają warunki fizyczne w jakich zwykle znajduje się materia Słońca - plazma.
Obserwacje plam słonecznych pozwalają wprowadzić pewien wskaŹnik liczbowy, określający stan aktywności Słońca. Jest to liczba Wolfa - taką nazwę nadano wskaŹnikowi na cześć autora. Podaje ona informacje o liczbie grup i pojedynczych plam, na widocznej z Ziemi powierzchni Słońca.
Radiolatarnie i sieci DX Cluster nadają tzw. parametry WWV (od znaku stacji emitującej te dane z obserwatoriów w USA), mówiące o stanie jonosfery i magnetosfery ziemskiej i warunkach propagacyjnych.

Są to następujące parametry:

Solar Flux
charakteryzujący stan napromieniowania jonosfery ziemskiej przez Słońce w zakresie od ultrafioletu aż po miękkie promieniowanie rentgenowskie. Wartość liczbowa zawiera się od 64 do ok. 300 jednostek w zależności od fazy cyklu aktywności Słońca oraz od chwilowej jego aktywności. Pomiar przeprowadza się każdego dnia w południe czasu lokalnego (dla pomiarów wykonywanych w Boulder, Colorado o godzinie 18:00 czasu środkowo-europejskiego), to jest w tym momencie dnia, gdy strumień docierający ze Słońca jest największy. Ogólnie mówiąc, im większy Solar Flux tym lepsza powinna być propagacja na duże odległości na górnych pasmach KF.

Indeks K
charakteryzujący zmiany w aktywności zewnętrznego ziemskiego pola magnetycznego w rozbiciu na interwały 3 godzinne. Indeks K wyrażany jest w skali od 0 do 9. Bardzo spokojne zewnętrzne ziemskie pole magnetyczne wyrażane jest indeksem K od 0 do 1. Burze magnetyczne występują poczynając od indeksu K = 4. Wzrastający indeks K zwiastuje pogarszanie się warunków propagacyjnych w pasmach KF.

Indeks a
charakteryzujący amplitudę zmian w aktywności zewnętrznego ziemskiego pola magnetycznego, również w rozbiciu na interwały 3 godzinne, ale w skali od 0 do 400. Istnieje ścisła zależność pomiędzy tymi skalami. Wartości K od 0 do 9 oznaczają wartości A, odpowiednio: 0, 3, 7, 15, 27, 48, 80, 140, 240, 400.

Indeks A
odzwierciedlający zmiany w aktywności zewnętrznego ziemskiego pola magnetycznego w ciągu doby i powstaje jako średnia arytmetyczna z ośmiu indeksów a za poprzednią dobę. Charakteryzuje on zmiany w aktywności zewnętrznego ziemskiego pola magnetycznego w ciągu poprzedniej doby.

MUF (Maximum Usable Frequency)
W każdej chwili, gdy pomiędzy dwoma punktami na świecie możliwe jest uzyskanie łączności radiowej, istnieje tzw. MUF. Jest to największa częstotliwość, na której można przeprowadzić łączność. W dzień MUF jest generalnie większa niż w nocy, w lecie jest większa niż w zimie. Powiększa się również ze wzrostem zjonizowanej atmosfery przy większej aktywności słońca

Solar Flux oraz indeksy magnetyczne determinują w głównej mierze warunki propagacji na falach krótkich. Stwierdzono, że im większy Solar Flux i jednocześnie, im mniejsze indeksy magnetyczne, to tym lepsze warunki propagacyjne na falach krótkich. Rosnący Solar Flux, przy utrzymywaniu się indeksu K na poziomie od 0 do 1, niemal gwarantuje dobrą propagację na falach krótkich.
Indeks K jest najbardziej aktualnym wskaŹnikiem zmian aktywności zewnętrznego ziemskiego pola magnetycznego mających bezpośredni wpływ na propagację na falach krótkich. Wzrost wartości indeksu K zawsze znamionuje pogorszenie się warunków propagacyjnych na falach krótkich, a jego niskie wartości pozwalają oczekiwać dobrej propagacji na falach krótkich.

W sieci internetowej i Packet Radio rozsylane są aktualne komunikaty podające aktualne dane dotyczące aktywności słonecznej potrzebne do ustalenia propagacji.
17. Łączność satelitarna
Obecnie nad ziemią krąży wiele satelitów, z których korzystają krótkofalowcy przeprowadzając łączności.
Praca przez satelity wymaga najczęściej kierunkowego zestawu anten z polaryzacją kołową na pasma 70 cm i 2 m, z możliwością podnoszenia ich do góry. Sygnał wysyłany do satelity nadaje się na jednym paśmie (uplink) a odbiera na innym (downlink).
Satelity posiadają następujące urządzenia:
radiolatarnie - pozwalające na łatwą lokalizację satelity,
przemienniki - do pracy konkretną emisją,
transpondery - niezależne od emisji liniowe przemienniki,
inne urządzenia, np. BBS Packet Radio.

Do pracy przez satelitę potrzebne są 2 urządzenia na różne pasma lub 1 transceiver z funkcjami satelitarnymi. Niektóre satelity odwracające wstęgę wymagają przestrajania nadajnika (Inverting) i odbiornika w przeciwne strony. Nowoczesny sprzęt jest w stanie to zapewnić. Pracując na dwóch różnych pasmach można w słuchawkach odsłuchiwać własny sygnał kontrolując jakość transmisji.
Aby skutecznie pracować przez satelity, należy znać ich położenie i czasy przelotów. Służy do tego wiele programów komputerowych. Ze względu na to, iż dane kepleriańskie orbit ulegają ciągłym zmianom, należy je uaktualniać z plików pobranych z internetu lub biuletynów rozsyłanych w sieci Packet Radio.

źródło: http://www.hamradio.pl/sq9jdo