Radiopropagatie 3
Behalve de tot nu toe besproken ionosfeerlagen kent men nog de sporadische E-laag.
Deze SE-laag ligt op dezelfde hoogte als de "gewone" E-laag. Zij is evenwel zeer dun, soms slechts 100 m dik. De juiste oorzaak van het ontstaan is nog niet bekend.
Het lijkt waarschijnlijk, dat de SE-laag bestaat uit sterk geibniseerde stoffen, die afkomstig zijn uit meteorieten. Men neemt aan, dat deze gefoniseerde materie voorkomt in vrij scherp begrensde wolken. Zij zijn in heftige beweging onder invloed van ionosferische winden, die snelheden van 400 km per uur en meer kunnen bereiken. Als gevolg hiervan varieren de reflecties zeer sterk: zij kunnen op willekeurige momenten optreden en weer wegvallen. Vandaar de naam: "sporadische" E-laag.
SE-propagatie komt 's zomers vaker voor dan 's winters, hetgeen erop zou wijzen, dat de zonnestraling meewerkt aan het ioniseren van de materie. Maar SE-propagatie komt ook 's nachts voor. Dit is te verklaren door aan te nemen, dat de meteorieten ook zelf meewerken aan het ionisatieproces. Als een meteoriet met hoge snelheid de aardse atmosfeer binnendringt, begirt hij door de luchtweerstand te gloeien. Tenslotte verdampt hij, waardoor zich een spoor vormt van gloeiende, gefoniseerde materie.
Scatterpropagatie
De SE-laag blijkt radiogolven te kunnen reflecteren met frequenties boven de MUF: ongeveer 25 tot 60 MHz. Omdat de SE-laag uit losse wolken geibniseerde materie zou bestaan, vindt reflectie in alle richtingen plaats, zoals bij een verzameling bolle spiegels. Slechts een klein deel van de energie, die de SE-laag treft, wordt in de gewenste richting gereflecteerd. Men noemt dit verschijnsel "ionoscatter".
Bij zo'n scatterverbinding gaat dus veel meer energie verloren dan bij een normale radioverbinding via de ionosfeer. Met grote antennes en een sterke zender kan men toch nog een betrouwbare verbinding maken over afstanden van 1000 à 2000 km.
We hebben nu kennis gemaakt met de ionosfeer en we hebben gezien hoe men de eigenschappen ervan toepast bij het onderhouden van radioverbindingen met frequenties ongeveer tussen 3 en 30 MHz.
In dit laatste deel zullen we de voortplanting nagaan van radiogolven met frequenties ongeveer tussen 60 MHz en 30 GHz.
Troposferische propagatie
De troposfeer is het lagere deel van de atmosfeer, waarin zich wolken kunnen vormen en waarin warmtegeleiding mogelijk is. In dit gebied, dat zich uitstrekt tot ongeveer 10 km boven het aardoppervlak, nemen de luchtvochtigheid, temperatuur en luchtdruk met toenemende hoogte regelmatig af. Daardoor daalt ook de relatieve dielektrische constante (εr) van de lucht. Vooral de vochtigheid heeft daar grote invloed op: Er van water is 80× en van vacuum l×. Omdat deze veranderingen zich tot een vrij beperkte hoogte voordoen, ondervindt alleen de grondgolf van radiosignalen met grotere golflengten, zoals die tot nu zijn besproken, daarvan enige invloed. FM-omroep, televisie en straalverbindingen, die werken met frequenties ongeveer tussen 60 MHz en 30 GHz ondervinden daarentegen veel meer invloed. Omdat deze radiogolven door de ionosfeer heen zouden schieten, moet men met zichtafstanden werken.
Diffractie of afbuiging
Zoals we hebben gezien, planten radiogolven zich rechtlijnig voort, mits het medium homogeen is. Doordat evenwel de relatieve dielektrische constante (Er) langzaam afneemt met toenemende hoogte, neemt de voortplantingssnelheid langzaam toe. Van een golffront, dat zich ongeveer horizontaal voortbeweegt, zal daarom de bovenkant wat sneller gaan dan de onderkant. Daardoor zwaait het hele golffront een weinig om naar de aarde toe. Het gevolg is, dat men het radiosignaal nog een stukje achter de horizon kan ontvangen (zie fig. 7). Het is, alsof de aardbol een beetje is afgeplat. Men kan ook zeggen, dat de radiogolven zich rechtlijnig voortbewegen over een denkbeeldige aarde, waarvan de straal groter is dan in werkelijkheid. Onder normale atmosferische omstandigheden is die denkbeeldige straal ongeveer 4/3 maal de werkelijke (zie fig. 8).
Fig. 7.
Fig. 8.
Bij inversie omkering), d.w.z. wanneer de vochtigheid en/of de temperatuur toenemen met de hoogte, wordt de radiogolf naar boven afgebogen, hetgeen neerkomt op een verkleining van de aardstraal (tot b.v. 0,7 R). Bij het bepalen van de hoogte en onderlinge afstand van straalverbindingstorens moet men hiermee terdege rekening houden.
Het komt ook voor, dat de vochtigheid en/of temperatuur sneller met de hoogte afnemen dan normaal. Het gevolg is, dat de radiogolven scherper naar beneden worden afgebogen, zodat zij zich evenwijdig aan het aardoppervlak voortbewegen, of zelfs naar de aarde terug worden gebogen. Na reflectie tegen het aardoppervlak wordt de straal opnieuw naar de aarde teruggebogen. Het golffront beweegt zich voort als een stuiterende tennisbal. Dit verschijnsel noemt men "ductpropagatie".
Het komt slechts een enkele maal voor en geeft dan aanleiding tot de ontvangst van verrassend veraf gelegen zenders.
Meskantafbuiging
Een der voorwaarden voor rechtlijnige propagatie is - zoals we hebben gezien - dat het golffront vlak moet zijn en zich vrij naar alle zijden kan uitstrekken.
Als een radiostraal over een bergrug of een huizenrij scheert, is aan die voorwaarde niet voldaan.
Het gevolg is, dat de radiogolf enigszins naar beneden wordt afgebogen.
Opmerking
Om dit duidelijk te maken, kijken we naar de schaduw van een voorwerp. De lichtstralen buigen om de scherpe rand enigszins naar het voorwerp toe. Het gevolg is, dat de schaduw niet scherp, maar een beetje wazig is. Hoe groter de afstand van het voorwerp tot zijn schaduw, des te waziger wordt de begrenzing van de schaduw.
Ook zouden we dit verschijnsel bij geluidsgolven kunnen nagaan: een toon van 1100 Hz en een radiosignaal van 1 GHz hebben dezelfde golflengte. Deze toon is van achter een huis nog hoorbaar: de geluidsgolven "spoelen" dus om het huis heen, zoals de radiogolven over de bergrug (of gebouwen of boomtoppen).
Achter de bergrug is derhalve nog ontvangst van het signaal mogelijk. Als deze bergrug in de buurt van de radiohorizon staat, zien we het onverwachte verschijnsel dat het ontvangen radiosignaal in sterkte toeneemt als gevolg van de "hindernis".
Men spreekt dan van "obstacle-gain".
De meskantafbuiging neemt toe als de golflengte groter wordt. Dit verschijnsel is dus bij radiogolven duidelijker waarneembaar dan bij licht. Dank zij meskantafbuiging is het mogelijk, dat op geruime afstand achter b.v. een flatgebouw toch weer radio-ontvangst mogelijk is, zij het dat de signalen verzwakt zijn (zie fig. 9).
Fig. 9.
Reflectie en refractie
Reflectie of terugkaatsing en refractie of straalbreking worden veroorzaakt door de scherpe begrenzing tussen twee media. Denk aan lichtstralen, die door een wateroppervlak naar boven worden teruggekaatst, maar ook naar beneden gebroken.
Hetzelfde kan gebeuren met radiogolven, die een grensvlak ontmoeten tussen twee luchtmassa's met verschillende vochtigheid, temperatuur en/of dichtheid. Als de radiogolf dit grensvlak passeert, kan er terugkaatsing en straalbreking optreden, zoals in fig. 10 is geschetst. Het terugkaatsen gebeurt alleen, als de grenslaag zeer scherp is, d.w.z. dun ten opzichte van de golflengte, hetgeen bij deze hoge frequenties niet zo vaak voorkomt.
Fig. 10.
Reflectie treedt vooral op bij wateroppervlakten en mistlagen.
Opmerking
Bij televisie-ontvangst kunnen onder ongunstige omstandigheden twee beelden worden ontvangen, die op de beeldbuis t.o.v. elkaar een aantal cm zijn verschoven. Dit verschijnsel treedt op als het weglengteverschil zo groot is, dat de (b.v. tegen een brug of flatgebouw) gereflecteerde straal een aantal bus later op de ontvangantenne aankomt dan de directe straal.
We hebben nu afbuiging en straalbreking afzonderlijk besproken.
Troposferische propagatie zal als regel een mengvorm van beide verschijnselen zijn, omdat en de atmosfeer niet homogeen is en de aardbodem geen egaal oppervlak is.
Fading
Evenals bij radiopropagatie via de ionosfeer treedt ook bij troposferische propagatie fading op. Deze is afhankelijk van de weersomstandigheden. Men onderscheidt hierbij drie soorten fading:
- afbuigfading;
- fading door meerwegigheid;
- absorptiefading. We zullen ze hierna meer in detail beschouwen.
Afbuigfading
Dit is de fading die wordt veroorzaakt door een tijdelijke afbuiging van de radiostraal uit de gewenste richting.
- De radiostraal "kwispelt" doordat de afname van εr met de hoogte in de atmosfeer varieert.
- Er treedt afbuiging op als de radiostraal door een grenslaag van twee luchtmassa's gaat b.v. een koudefront.
- De radiostraal wordt afgebogen als hij over of langs een obstakel scheert. Dit alles veroorzaakt langzame fading, die enkele uren tot meer dan een dag kan duren. Deze fading is afhankelijk van meteorologische omstandigheden en onafhankelijk van de frequentie.
Fading door meerwegigheid
Deze fading wordt veroorzaakt doordat het radiosignaal de ontvanger via twee of meer wegen bereikt.
- Men spreekt van reflectiefading wanneer de directe straal interfereert met een gereflecteerde straal.
- Interferentiefading treedt ook op wanneer er twee of meer wegen via de atmosfeer bestaan.
Als in deze beide gevallen het weglengteverschil met een halve golflengte toe- of afneemt, verandert de ontvangen signaalsterkte van maximum tot minimum of omgekeerd. Daardoor is dit type fading uiterst snel en selectief, vooral als de te overbruggen afstand groot of de frequentie hoog is. Men kan de gevolgen van deze fading opheffen door toe-passing van frequency diversity of hoogte diversity.
Absorptiefading
Zoals de naam al zegt wordt hierbij onderweg energie uit de radiogolf geabsorbeerd.
- Er kan absorptie optreden door verstrooiing. Die vindt plaats als radiogolven met frequenties boven ongeveer 5 GHz regen, sneeuw of mist op hun weg ontmoeten. Hoe hoger de frequentie des te meer absorptie. Dit verschijnsel is vergelijkbaar met lichtstralen waarbij het zicht ook afneemt in regen, sneeuw of mist.
- Men spreekt van moleculaire absorptie als waterdamp energie uit een radiogolf absorbeert. Dit gebeurt wanneer het permanent elektrisch dipoolmoment van een watermolecuul in resonantie komt onder invloed van het elektrische veld van de radiogolf. Deze resonantie treedt op bij 23 à 24 GHz, afhankelijk van de temperatuur en de dichtheid van de waterdamp.
Troposcatter
Tijdens de tweede wereldoorlog - toen "radar" intensief in gebruik kwam - bleek dat radiogolven met frequenties vanaf ongeveer 50 MHz, maar vooral tussen 500 MHz en 5 GHz, zich veel verder uitbreidden dan men zou verwachten, zelfs tot 500 km toe. Men constateerde dat deze propagatie afhankelijk is van weersinvloeden.
Een bevredigende verklaring is nog niet gevonden, maar wel staat vast dat deze troposferische scatterpropagatie of "troposcatter" te maken heeft met turbulentie in de troposfeer, waardoor warmte-, koude- en andere storingsfronten in de lucht ontstaan en zich al wentelend verplaatsen onder invloed van (storm)winden.
Tengevolge van het gelijktijdig optreden van reflectie, refractie en diffractie komen er bij de ontvangantenne vele golffronten tegelijk aan met uiteenlopende fasen en uit verschillende richtingen. De hierbij optredende fading is zeer diep.
Om toch een betrouwbare radioverbinding te kunnen vormen past men daarom space diversity (ontvangantennes minstens 100 à 200 golflengten uit elkaar) en frequency diversity (frequentieverschil 20 à 100 MHz) toe.
Net als bij ionoscatter zijn ook hier sterk gerichte antennes en een groot zendvermogen noodzakelijk.
Ter beperking van de bandbreedte wordt veelal enkelzijbandmodulatie toegepast.