Rob's web

Radiopropagatie 1

Het volgende artikel over de radiopropagatie in het algemeen is met toestemming overgenomen uit het "Studieblad PTT 1981".

In klare taal wordt de voor de zendamateur zo belangrijke radioweg in de vrije ruimte bespro ken, waarbij alle mogelijkheden aan de orde komen. Aan de orde komen o.a.: de ionosfeer, de voortplanting van radiogolven in de ionosfeer, het gedrag van de ionosfeer-radioverbindingen, korte golf, midden golf, Lange golf, frequentie verwachtingen, fading, zonnevlam, magnetische storm, ionosferische storm, ionosferische storing, sporadische E-laag, scatter propagatie.

Ionosfeer

Radiogolven planten zich - net als het licht - rechtlijnig voort. Toch kunnen we radio-contact onderhouden met de andere zijde van de aardbol. Dat hebben we to danken aan het bestaan van de ionosfeer. Dit is het gedeelte van de dampkring, dat zich uitstrekt van ongeveer 60 tot 400 km boven de aarde. De gasdichtheid is op die hoogten niet groot, maar toch absorbeert dit ijle gas het grootste deel van de ultraviolette (UV) en rontgenstraling van de zon. Daardoor wordt de atmosfeer gedeeltelijk gefoniseerd en dus elektrisch geleidend.

Hiermee hangt het reflectievermogen voor radiogolven samen.

Ontstaan van de ionosfeer

De gasdruk en de dichtheid van de atmosfeer nemen met de hoogte exponentieel af. De ioniserende UV (ultraviolet) en rontgenstraling hebben op grote hoogten hun volle sterkte en ioniseren de ijle atmosfeer daar volledig. Daarbij wordt een deel van de straling geabsorbeerd, zodat - naar beneden gaande - de stralingsintensiteit afneemt, tot er aan het aardoppervlak vrijwel niets over is.

Op elke hoogte is de produktie van ionen en elektronen gelijk aan de gasdichtheid maal de stralingsingtensiteit.

Omdat "boven" de gasdichtheid zeer laag is en "beneden" de stralingsintensiteit minimaal, heeft hun produkt "onderweg" een maximum; zie fig. 1.

Fig. 1
Fig. 1.

Tegenover de produktie van ionen en elektronen vindt ook voortdurend recombinatie plaats. Op elke hoogte is er evenwicht tussen produktie en recombinatie.

Verschillende lagen

De atmosfeer bevat verschillende ioniseerbare gassen, die elk gevoelig zijn voor een bepaald gedeelte uit het gehele stralingsspectrum van de zon. Daardoor ontstaan verschillende geioniseerde lagen, met elk een eigen maximum en een eigen hoogte. De ionisatiegraad is het grootst bij de hoogste lagen.

We onderscheiden een D-laag op 60 à 70 km hoogte, een E-laag op 110 à 120 km, een F1-laag op 200 à 220 km en een F2-laag op 230 à 380 km.

's Nachts verdwijnt de F1-laag in de F2-laag. Men noemt deze nachtelijke F2-laag ook wel de F-laag. (We komen hierop terug bij de behandeling van de F1-laag.)

Ionosonde

Omdat de ionosfeer van groot belang is voor de radiocommunicatie, observeert men haar nu al sinds 1926 met behulp van een netwerk van zogenaamde "ionosondes", verspreid over de gehele aarde. Een ionosonde is een radiozender, die impulsen uitzendt met opklimmende frequenties van ongeveer 0,5 tot 20 MHz. Het doorlopen van dit frequentiegebied duurt ongeveer een minuut. De impulsen worden loodrecht omhoog gezonden en de reflecties van de verschillende ionosfeerlagen worden weer opgevangen. De terugontvangen signalen legt men - samen met de bijbehorende frequenties - fotografisch vast in "ionogrammen". Uit de tijd, die zo'n impuls nodig heeft om heen en terug te reizen, is de hoogte van de reflecterende laag te berekenen.

Ontdekkingen

Op deze wijze heeft men ontdekt, dat de reflectiehoogte niet slechts verandert met de tijd (dag en nacht; zomer en winter), maar dat deze ook afhangt van de frequentie, waarop de impulsen werden uitgezonden.

Naarmate de frequentie hoger wordt, neemt de reflectiehoogte toe, dat wil zeggen: dringt het radiosignaal dieper in de reflecterende laag door.

Nog hogere frequenties breken geheel door de laag heen en reflecteren dan soms op een hoger gelegen laag. De frequentie, die juist door de reflecterende laag heenschiet, noemen we de kritische frequentie fc. De kritische frequentie hangt of van de ionisatiegraad.

De ionisatiegraad is van de D-laag het kleinst en van de F2-laag het grootst.

fc is van de E-laag: 2,1 à 3,3 MHz, van de F1-laag: 3 à 4,5 MHz en van de F2-1aag: 5 à 13 MHz.

De D-laag heeft niet zozeer een reflecterende dan wel een absorberende invloed op de radiogolven.

Radiogolven

"Radiogolven" noemt men de elektromagnetische straling met golflengten tussen ongeveer 15 km en 1 cm, overeenkomend met frequenties tussen 20 kHz en 30 GHz. Ook Licht is een elektromagnetische straling, maar met veel kortere golflengten.

Zij hebben dan ook dezelfde eigenschappen:

Fig. 2
Fig. 2.

Opmerking

Elektromagnetische golven planten zich rechtlijnig voort in een richting, die loodrecht staat op het vlak, waarin alle "stralen" dezelfde fase hebben. Men noemt zo'n vlak een golffront.

Rechtlijnige propagatie is derhalve alleen mogelijk, indien het golffront een plat vlak vormt en indien het zich tot in het oneindige kan uitstrekken. Dat is slechts het geval in de vrije ruimte, d.w.z. een ruimte die homogeen is en vrij van alle voorwerpen of deeltjes, die de stralen kunnen terugkaatsen, breken of afbuigen, dan wel energie uit de strafing absorberen. Bovendien moet die ruimte zo groot zijn, dat het golffront zich vrij naar alle zijden kan uitstrekken.

Voorplanting van radiogolven in de ionosfeer

Als een radiogolf de ionosfeer binnendringt;zal het elektrische deel van het stralingsveld de ionen en elektronen in trilling trachten te brengen. De ionen zijn ongeveer 2000 maal zo zwaar als de elektronen en raken nauwelijks in beweging doordat zij te traag zijn om de trillingsfrequentie van de radiogolf te volgen.

De elektronen raken wel in trilling onder invloed van het elektrische veld. Het zal duidelijk zijn, dat de amplitude van de beweging bij toenemende frequenties kleiner wordt ten gevolge van de traagheid der elektronen.

Als het gas ijl genoeg is, worden de trillingen bijna niet verstoord door botsingen tegen neutrale atomen of moleculen. In de F1- en F2-laag is de botsingskans derhalve kleiner dan in de D- en E-laag.

De vrije elektronen, die in trilling raken, nemen daarbij energie op uit de radiogolf, maar stralen die energie op hun beurt ook weer uit.

Het uiteindelijke resultant is, dat er goon energie uit de radiogolf wordt geabsorbeerd, maar dat de zogenaamde "fasesnelheid" wordt verhoogd. Let wel: niet de voortplantingssnelheid wordt groter, want dat kan niet, maar door de invloed van de secundaire velden verschuift het golffront zich sneller. Immers: de snelheid van het door de elektronen uitgezonden trillingsverschijnsel telt zich op bij die van de radiogolf.

Bij toenemende radiofrequenties wordt de fasesnelheid minder verhoogd omdat - zoals we reeds zagen - de amplitude van de trillende elektronen afneemt.

Als nu een vlak golffront onder een bepaalde hoek de ionosfeer binnendringt, krijgt het deel van het golffront, dat het eerst de "grens" passeert, een hogere snelheid dan het deel, dat de grens nog niet is gepasseerd. Daardoor zwaait het hele golffront om in richting. Omdat de ionisatiegraad naar het midden van de ionosfeerlaag toeneemt, passeert het golf-front voortdurend zulke denkbeeldige "grenzen", waardoor de richtingsverandering blijft voortgaan, tot de hoek van inval zo klein is geworden, dat volledige reflectie optreedt. (Vergelijk het spiegelen van een winkelruit: van opzij kan men niet in de etalage kijken wegens de volledige reflectie.)

Nadat de radiogolf gereflecteerd is, blijft het bovenste deel van het golffront een hogere fasesnelheid behouden, waardoor het "omzwaaien" voortgaat tot de radiogolf de ionosfeerlaag weer verlaat (zie fig. 3).

Fig. 3
Fig. 3.

Gedrag van de zon

We hebben gezien, dat de ionosfeer ontstaat door de zonnestraling, en dat de hoogten en kritische frequenties van de diverse lagen sterk varieren. In deze wisselingen kunnen we drie verschillende perioden onderscheiden, n.1. een dagelijkse, een jaarlijkse en een elfjarige periode. De eerste twee worden veroorzaakt door de stand van de zon: dag en nacht; zomer en winter. De ionisatie is - behalve van de zonnestand - ook afhankelijk van de sterkte der zonnestraling.

De zon straalt een breed frequentiespectrum uit, bestaande uit o.a.: radiogolven, infraroodstraling, zichtbaar licht, ultraviolette (UV) en rontgenstraling. Hoewel de intensiteit van het infrarood en het zichtbare licht vrij constant is, varieert die van de UV en rontgenstraling zeer sterk. Dit wordt veroorzaakt door de voortdurende uitbarstingen op de zon. Bij zo'n eruptie worden grote hoeveelheden zeer beet gas uit het inwendige van de zon omhoog gestuwd.

Men drukt de zonne-aktiviteit uit in het zonnevlekkengetal. Dat is het aantal zichtbare donkere vlekken op de zon. Zo'n zonnevlek is een centrum van onrust en een bron van extra UV en rontgenstraling. Hoe meer vlekken, dus hoe groter het zonnevlekkengetal, des te onrustiger is de zon, des te sterker de ioniserende strafing en des te hoger ook de ionisatiegraad in de verschillende ionosfeerlagen. Het zonnevlekkengetal n kan varieren van ongeveer 8 tot 170. De laatste maxima werden waargenomen in 1947, 1957, 1968 en 1979. De laatste minima waren in 1954, 1965 en 1976; er bestaat dus een duidelijke elfjarige periode.

Sinds 1947 meet men, behalve het zonnevlekkengetal, de zonneflux op 2,8 GHz. Deze blijkt vrijwel recht evenredig met de ionisatiedichtheid in de F-laag te verlopen. De waarde van de zonneflux kan varieren tussen ongeveer 65 en 250.

Samenvatting

In het voorgaande hebben we de hieronder samengevatte eigenschappen opgemerkt:

Gedrag van de ionosfeer

We zullen nu wat meer in bijzonderheden ingaan op de verschillende ionosfeerlagen en we gaan daarbij uit van het ionosondesignaal, dat met toenemende frequentie van ongeveer 0,5 tot 20 MHz loodrecht omhoog wordt gezonden. De eerste reflecties die we terug ontvangen, dat wil zeggen met de laagste frequenties, komen van de E-laag.

De E-laag

Deze wordt gevormd door ionisatie van zuurstofmoleculen onder invloed van UV en rontgenstraling.

Ten gevolge van de grote recombinatiekans in de E-laag volgt de ionisatiegraad nauwkeurig de zonnestand. De E-laag ontstaat zodra de zon opkomt en bereikt haar grootste ionisatiedichtheid om 12 uur plaatselijke tijd. Dan heeft ook de kritische frequentie haar hoogste waarde. De E-laag verdwijnt geheel als de zon ondergaat.

Zoals te verwachten valt, is de E-laag 's zomers sterker gefoniseerd dan 's winters.

De F1-laag

Deze wordt gevormd door ionisatie van zuurstofatomen ten gevolge van UV straling. De F1-laag is, evenals de E-laag, alleen maar overdag aanwezig en ook zij heeft haar hoogste ionisatiegraad (en dus hoogste kritische frequentie) om 12 uur plaatselijke tijd. De scheiding tussen de F 1- en F2-laag is vaak niet scherp en 's nachts is de F Haag geheel in de F2laag opgenomen. Men noemt de nachtelijke F2-laag ook wel de F-laag.

De F2-laag

Deze wordt gevormd door ionisatie van zuurstofatomen onder invloed van UV en röntgen-strafing. Ten gevolge van de kleine recombinatiekans in de F2-laag blijft deze 's nachts bestaan. De ionisatiegraad (en daarmee de kritische frequentie) is maximaal om 12 uur plaatselijke tijd, neemt daarna langzaam af en vertoont een minimum tegen zonsopkomst. Opvallend is, dat de dagelijkse variatie 's winters veel groter is dan 's zomers. Zo kan de kritische frequentie zich 's winters bewegen tussen 3 MHz 's nachts en 13 MHz overdag, terwijl deze waarden 's zomers tussen 4 en 5 MHz liggen.

Geheel tegen de verwachting in zien we, dat de kritische frequentie op een winterdag veel hoger is dan op een zomerdag. Wel volgens de verwachting is, dat in de jaren met een hoge zonne-aktiviteit de variaties sterker zijn dan wanneer het zonnevlekkengetal klein is.

De D-laag

Deze wordt gevormd door ionisatie van stikstofoxydemoleculen ten gevolge van UV en rontgenstraling. De ionisatiegraad van de D-laag volgt - evenals van de E-laag - geheel de stralingsinvloed van de zon. Ten gevolge van de zeer grote recombinatiekans is de ionisatie in de D-laag niet sterk en verdwijnt zij volledig als de zon ondergaat.

's Nachts, als alleen de F2-laag (of F-laag) nog maar bestaat, gedraagt de ionosfeer zich als een bijna volmaakte Spiegel.

Overdag daarentegen zijn de echo's van de ionosondesignalen, die van de ionosfeer terugkomen, veel zwakker. Dit is het gevolg van de absorptie in de D-laag. De botsingskans van trillende elektronen tegen neutrale molecules is daar groot. De energie, die de elektronen uit de radiogolf hebben opgenomen, wordt bij deze botsingen omgezet in warmte. Die verliezen zijn groter, wanneer de trillingsamplitude groter is, dus als de frequentie van de radio-golf lager is. Daarnaast vindt ook nog absorptie plaats, doordat de in trilling geraakte elektronen - mede onder invloed van het aardmagnetische veld - in resonantie kunnen komen.

Het gevolg is verhoogde absorptie omstreeks 1 à 2 MHz.

Deel 1 - deel 2 - deel 3.

ing. C. van de Pol.