Rob's web

Home - Techniek - Electronica - Radiotechniek - Radio amateur bladen - Electron - Voortplanting van radiogolven


Fig 1
Fig. 1. Spectrum van elektromagnetische golven op logarithmische schaal.

Het is moeilijk voor te stellen, maar op dit moment zijn er elektromagnetische velden overal om ons heen, met frequenties variërend van zichtbare tot gammastraling, afkomstig van bronnen dichtbij, zoals uw bureaulamp, maar ook van ver verwijderde melkwegstelsels. Sommige veroorzaakt door de mens,andere ontstaan op natuurlijke wijze. Zelfs de energie van een Japans amateur-radiostation, misschien minder dan 10 watt, gaat door uw lichaam terwijl u dit leest.

Wat zijn radiogolven? Hoe reizen ze over de horizon? Wat beïnvloedt hun propagatie?

Electromagnetische straling

Elk elektrisch geladen deeltje is omgeven door een elektrisch veld. Een bewegend geladen deeltje produceert een magnetisch veld. Maar een versnellend geladen deeltje - een waarvan de snelheid verandert - produceert een elektromagnetisch veld. Dit elektromagnetisch veld heeft de eigenschap zichzelf zolang i stand te houden dat, ook over grote afs anden, de elektronen in een geleider orden versneld, volkomen identiek an de versnelling van de deeltjes in de ver verwijderde antenne.

Wanneer elektromagnetische velden worden geproduceerd voor communicatie- doeleinden, ontstaat een sinusvormige stroom in een stuk draad.

Deze stroom kan elke frequentie hebben, van minder dan 1 Hz tot milliarden Hz.

Het elektromagnetisch spectrum

Elektromagnetische velden kunnen elke frequentie hebben, behalve de frequentie nul. Radio- en televisiesignalen bezitten frequenties tussen ongeveer 10 kHz en meerdere GHz. Wanneer de frequentie groter wordt, vinden we na de radiofrequenties achtereenvolgens infrarood, zichtbaar licht, ultraviolet en röntgenstraling. Fig. 1 toont een logarithmisch diagram van het elektromagnetisch spectrum, van 3 kHz tot 3 x 1017 Hz. Radiogolven zijn onderverdeeld in VLF (zeer-laag-frequent), MF (middel-frequent), HF (hoog-frequent), VHF (zeerhoog-frequent), UHF (ultra-hoog-frequent) en SHF (super-hoog-frequent). Fig 1 laat deze onderverdeling zien, in relatie met de rest van het elektromagnetisch spectrum.

Radiogolven en alle elektromagnetische velden hebben de neiging zich rechtlijnig voort te planten. Gelukkig zijn er factoren die buiging veroorzaken, anders zou radiocommunicatie - zoals wij die kennen - niet mogelijk zijn. Laten we eens kijken naar de verschillende manieren, waarop de elektromagnetische energievelden worden beïnvloed door de omgeving. We zullen ook onderzoeken, hoe deze effecten veranderen met het wijzigen van de frequentie. Radiogolven kunnen gebogen worden door grondgeleiding, door de ionosfeer en door troposferische verstoringen. Meestal wordt gesproken over grondgolf-, ruimtegolf- en troposferische propagatie.

De grondgolf

Op sommige frequenties buigen de signalen met het aardoppervlak mee over grote afstanden. De aarde vormt eigenlijk een deel van de keten, als het ware een draad waarlangs energie wordt overgedragen. Deze manier van propagatie treedt in hoofdzaak op wanneer de elektrische krachtlijnen vertikaal gepolariseerd zijn, zie fig. 2. Grondgolfpropagatie gaat het beste op lage frequenties en wordt beduidend minder effectief op hogere.

Fig 2
Fig. 2. Radiogolven kunnen zich op verschillende manieren voortplanten.
A: Verticaal gepolariseerde golven als grondgolfpropagatie.
B: Propagatie in de vorm van ruimtegolf.
C: Buiging in de troposfeer.
D: In een laag van koude lucht die zich bevindt tussen twee warme lagen, zogenaamde 'ducting'.

De ruimtegolf

Ruimtegolfpropagatie stelt ons in staat te luisteren naar veraf gelegen stations op de middengolf- omroepband en de kortegolfbanden. Geïoniseerde lagen hoog in de atmosfeer veroorzaken buiging van de radiogolven, terug naar de aarde, waardoor 'over-de-horizon'communicatie mogelijk is. Er zijn vier verschillende geïnoseerde lagen, die de radiogolven beïnvloeden: de D-laag op een hoogte van ongeveer 80 km, de E-laag op circa 115 km, de F1-laag op zo'n 180 km en de F2-laag op een hoogte die kan variëren tussen ongeveer 235 en 470 km. Deze lagen fluctueren enigszins in hoogte en dikte, zie fig. 2-B. De F1 en F2-lagen versmelten doorgaans tot een laag gedurende de nacht, de F2-laag. lonosferische effecten variëren zeer sterk met de frequentie. Op dit verschijnsel komen we nog terug.

Troposferische propagatie

Op bepaalde golflengten kan de atmosfeer zelf het pad buigen van een elektromagnetisch veld. Soms gebeurt dit als straalbuiging (refractie), in welk geval we spreken van 'troposferische buiging', zie fig. 2-C. Troposferische buiging veroorzaakt spreiding van een gericht signaal, zoals we in de figuur zien. Buiging vindt plaats in de nabijheid van een frontensysteem, waar koele, droge lucht wordt bedekt door warme, vochtige lucht. Af en toe is de grens tussen twee luchtmassa's zo goed afgebakend, dat daartussen een echte reflectie optreedt. Dit noemen we 'ducting'.

Ducting kan optreden tussen aarde en het scheidingsvlak van twee luchtmassa's, of tussen de grenzen van twee luchtmassa's, zie fig. 2-D.

Propagatie op VLF en LF

We construeren een denkbeeldig zendstation en gaan vervolgens de frequentie geleidelijk verhogen, terwijl we de invloed van resp. aarde, ionosfeer en troposfeer in het oog houden. We beginnen op 3 kHz, de lage kant van de VLF band en gaan steeds hoger in frequentie, tot UHF en SHF.

Op VLF (3 tot 30 kHz)(1) en LF (30 tot 300 kHz) treedt propagatie op via grondgolf en ruimtegolf. Er is geen troposferische buiging of 'ducting'. In deze frequentieband zijn elektromagnetische velden 'gevangen' tussen de F 2-laag en de aarde, zoals geluidsgolven in een grote kamer met laag plafond. Alle energie die de F 2-laag bereikt wordt teruggekaatst naar aarde, afgezien van een klein verlies door verhitting van de ionen. De aarde reflecteert de signalen weer terug in de ruimte. Het lijkt op een reusachtige echokamer.

Nu en dan komt de D-laag daartussen, als een gespannen laken tussen vloer en plafond. De D-laag absorbeert energie en verhindert de heen- en weer kaatsing tussen aarde en de F 2-laag. D-laagabsorptie is groter gedurende de dag dan tijdens de nacht en neemt toe naar de bovenkant van het VLF/LF-gebied. Grondgolfpropagatie is bijzonder goed op VLF en LF. Een verticaal gepolariseerd signaal kan duizenden kilometers op VLF en honderden kilometers op LF afleggen, maar er zijn dan wel hoge vermogens en reusachtige antennes nodig. Omdat grondgolfpropagatie niets van doen heeft met de ionosfeer, zouden de VLF en LF banden waardevol zijn op planeten die geen ionosfeer hebben en daarom ook geen ruimtegolf-propagatie. Grondgolven ondervinden geen 'fading'; zo'n verbinding is gelijk aan een telefoongesprek.

Propagatie op MF

De MF loopt van 300 kHz tot 3 MHz. Als we de frequentie van onze denkbeeldige zender verhogen tot boven 300 kHz, vinden we dat grondgolf-propagatie minder en minder goed gaat. De aarde, die diende als goede geleider voor VLF en tamelijk goede geleider voor LF, begint verliezen te vertonen op MF. Tegen de tijd dat we 3 MHz bereiken, blijkt de grondgolf niet verder te komen dan ongeveer 180 tot 270 km. De ruimtegolf daarentegen zet zich voort. De F2-laag reflecteert alle signalen in het MF gebied, aangenomen dat de D-laag geen roet in het eten gooit. Deze D-laag absorbeert MF signalen meedogenloos tijdens de dag. Dit heeft tot gevolg dat het bereik beperkt is tot zonsondergang. Daarna wordt het interessant!

Na het intreden van de duisternis verdwijnt de D-laag snel, omdat op die hoogte de atomen niet meer worden geïoniseerd door ultraviolet licht. De MF-signalen bereiken dan de F2-laag en communicatie over de hele wereld wordt mogelijk. Als we de frequent' verhogen tot 3 MHz is de propagati beter gedurende de nacht. De afmetingen van een efficiënte zend-antenneblijven redelijk voor dit gebied en het is niet noodzakelijk om vermogens van honderden kilowatts te gebruiken om een betrouwbare lange-afstand verbinding tot stand te brengen.

Op MF is er nog geen invloed van de troposfeer. De radiogolven negeren de atmosfeer totaal.

Fig 3
Fig. 3. A: Bij de kritische frequentie gaan radiogolven recht omhoog door de ionosfeer heen. Minder steil opstralende golven worden nog teruggebogen naar de aarde.
B en C: Naarmate de frequentie stijgt boven de kritische frequentie worden golven onder steeds lagere opstraalhoeken doorgelaten in de ionosfeer en ontsnappen in de ruimte.

Propagatie op HF

De HF-band is het frequentiegebied, algemeen bekend als 'kortegolf'. Op 3 MHz worden alle signalen die de F 2-laag bereiken, gereflecteerd naar de aarde. Maar als we hoger gaan met de frequentie zullen we een punt bereiken waar niet alle signalen terugkomen. Signalen die recht omhoog worden gestraald, zijn de eerste die ontsnappen in de ruimte. Op een frequentie, die we de `kritische frequentie' noemen, zullen verticaal omhoog gestraalde signalen dus niet terugkomen, die met lagere frequentie echter wel, zie fig. 3-A. De kritische frequentie kan laag zijn, 4tot 5 MHz, of hoog 8tot 10 MHz, afhankelijk van de dichtheid van de F 2-laag. In het algemeen geldt: hoe groter de dichtheid, hoe hoger de kritische frequentie. De dichtheid van de F 2-laag hangt af van de activiteit van de zon. Deze activiteit varieert van dag tot dag, maar in het algemeen gaat het volgens een cyclus, waarvan de maxima om de elf jaar optreden. We zijn nu juist een maximum gepasseerd en kunnen het volgende omstreeks 1991 verwachten.

Het eerstkomende minimum ligt omstreeks 1986 of 1987. Als we boven de kritische frequentie komen, zal de energie onder steeds kleinere hoeken ontsnappen in de ruimte, zie fig. 3-B en 3-C. Bovendien wordt, als we de frequentie verhogen, de grondgolf steeds zwakker, totdat, op circa 10 MHz er achter de horizon praktisch gesproken geen grondgolf meer is.

Boven 10 MHz is de grondgolf voor enig praktisch doel onbruikbaar. In fig. 3-C zien we dat communicatie tussen de punten X en Y niet mogelijk is. De ruimtegolf komt ver voorbij punt Y terug naar de aarde; de hoek van inval in de F2-laag is te groot. De grondgolf is uitgestorven, lang voor het bereiken van punt Y. Wanneer we nu deze situatie van boven bekijken, fig. 4, dan zien we een zône waar de signalen van X niet gehoord kunnen worden. De binnenste gestreepte cirkel omsluit het bereik van de grondgolf en de arcering geeft het gebied aan, waar de ruimtegolf op de aarde terugkomt. Het gebied tussen de beide cirkels - de 'stille' zône - is het skip-gebied, de signalen gaan er overheen. Als we de frequentie nu verder verhogen, wordt het skipgebied steeds groter, tot er tenslotte geen signalen meer worden gereflecteerd door de F2-laag. We hebben dan de hoogste f requentie bereikt, waarop communicatie via de F2-laag over dit trajekt mogelijk is. Evenals de kritische frequentie, is deze frequentie afhankelijk van de mate van ionisatie in de F2-laag. De 'maximum bruikbare frequentie' (MUF), kan 7 tot 8 MHz bedragen tijdens een winternacht gedurende een zonnevlekken-minimum; bij zeldzame gelegenheden kan de MUF oplopen tot 70 MHz.

Fig 4
Fig. 4. Het zogenaamde 'skipgebied'. gezien van boven. Tussen de punten X en Y is geen radiocontact mogelijk. De grondgolf reikt niet ver genoeg, de ruimtegolf schiet er nog overheen.

Als we in het bovenste HF-gebied komen, blijkt de D-laag-absorptie teruggelopen tot een verwaarloosbare waarde. Dan begint de troposfeer invloed uit te oefenen op de radiogolven. Nu en dan, aan de bovenkant van het HF-gebied, maken kleine, zeer sterk geïoniseerde gebiedjes van de E-laag verbindingen mogelijk over honderden kilometers. Dit verschijnsel noemen we 'sporadische E'-propagatie. Gewoonlijk treedt dit op tijdens korte perioden van uitzonderlijk hoge zonne-activiteit.

Propagatie op VHF en hoger

We gaan voort met het verhogen van de frequentie en ontdekken dat de F 2-laag propagatie steeds minder voorkomt, boven circa 70 MHz helemaal niet meer. Maar sporadische Eis mogelijk tot 120 of 170 MHz en zulke openingen komen voor, regelmatig doch slechts kort van duur. Er is geen D-laagabsorptie op VHF en hoger, dus de verbinding is goed, zowel 's nachts als overdag. Op VHF is de invloed van de troposfeer zeer belangrijk bij lange-afstand communicatie. Wanneer een warme luchtmassa over een koude luchtmassa trekt, (warmtefront), of een koude luchtmassa schuift onder een warme luchtmassa, (koufront), dan treedt gewoonlijk troposferische buiging op. Koude lucht is dichter en-heeft een hogere brekingsindex voor VHF energie. Daardoor buigen de golven naar de aarde, zie fig. 2-C.

(Geluidsgolven over een stil meer gedragen zich op dezelfde manier. Daardoor kunnen we soms mensen aan de rand van het meer horen praten op honderden meters afstand).

Troposferische buiging kan voorkomen over afstanden van meer dan tweeduizend kilometer. De beste condities voor 'tropo' tussen twee punten liggen dichtbij een frontensysteem, dat een nagenoeg rechte lijn vormt en de beide punten aan dezelfde kant passeert. En wel zodanig, dat deze punten in het gebied van koude lucht liggen. Tropo komt gewoonlijk voor boven grote wateroppervlakken, die overdag de lucht aan de oppervlakte afkoelen. De andere, minder voorkomende, vorm van troposferische propagatie is bekend als 'ducting'. Wanneer een koude luchtmassa komt te liggen tussen twee warme, of wanneer de grens tussen twee massa's scherp is afgebakend, vindt reflectie plaats door de grensvlakken. Communicatie via een 'duct' is pas mogelijk, als zend- en ontvangantenne zich beide bevinden binnen de duct en deze duct over de gehele afstand tussen de antennes bestaat. In fig. 2-D zien we, dat twee vliegtuigen over de horizon kunnen communiceren, omdat er tussen de vliegtuigen een duct aanwezig is.

Buiging en ducting zijn mogelijk tot ver in het UHF-gebied, zelfs boven 1 GHz. Als we nog hoger gaan in frequentie, krijgen stofdeeltjes en waterdruppels een verzwakkende invloed. Eventueel kan de lucht zelf de propagatie beperken. Op sommige frequenties is de atmosfeer nagenoeg 'ondoorzichtig' tengevolge van absorptie. Nog hoger in frequentie bereiken we tenslotte het infrarood, het zichtbare licht, ultraviolet en röntgenstralen, zie fig. 1.

Bijzondere vormen van propagatie

We zijn nu gereisd van 3 kHz, een zo lage frequentie dat een koptelefoon, verbonden met de antenne een hoorbare toon geeft, tot milliarden Hz, waar de golflengte microscopisch klein is. Over dit hele gebied zijn de normale vormen van over-de-horizon propagatie de grondgolf, de ruimtegolf en de troposferische golf. Maar lange-afstand-communicatie kan ook mogelijk zijn door minder voorkomende omstandigheden, die echtertoch nuttige betekenis hebben. Deze vreemde effecten zijn aurora, moon-bounce, (maanreflectie), meteoor-scatter en ondergrondse propagatie.

Aurora

Aurora wordt veroorzaakt door intense verstoringen op de zon. Het verschijnsel gaat meestal samen met een totale ontregeling van de mogelijkheden op HF en lager, door absorptie in de D-laag. Boven ± 20 tot 30 MHz evenwel, kunnen signalen worden gereflecteerd door 'aurora wolken'. Als twee stations hun antennes richten op dezelfde wolk, is communicatie mogelijk, zie fig. 5-A.

Fig 5
Fig. 5. A: Aurora-propagatie. B: Meteor-scatter.

Aurora-communicatie gaat vergezeld van snelle, buitengewoon hevige fading. De beweging van de aurora veroorzaakt een sterk Dopplereffect, waardoor het signaal wordt verspreid over enige honderden Hz. Meerweg-propagatie (aangegeven door de getrokken en gestreepte lijnen) kan fading veroorzaken, zo snel, dat het lijkt of er tussen de spreker en de microfoon een draaiende ventilator is geplaatst. Een CW-draaggolf, moeilijk neembaar, klinkt als een vibrerend gesis. De beide stations moeten natuurlijk op voldoende breedte liggen om voordeel te kunnen hebben van aurora.

Meteoor scatter

Wanneer een meteoor de buitenste laag van de atmosfeer binnendringt, laat hij een geïoniseerd spoor achter zich. Op VHF kunnen twee stations, met hun antennes gericht op zo'n spoor, gedurende enige seconden verbinding maken. Is er een meteorenregen, dan kunnen er bruikbare sporen ontstaan die voldoende lang duren om conversatie mogelijk te maken. Meteoor-scatter gaat echter ook weer samen met meerwegseffecten, zie fig. 5-B.

Moonbounce (maanreflectie)

Dat doet denken aan radiotelescopen en vermogens van honderden kilowatt. Wel, het is ook gepresteerd door radioamateurs, met slechts 1000 watt en relatief eenvoudige antennes. Moonbounce is mogelijk op elke frequentie die door de ionosfeer dringt, maar VHF en UHF zijn de meest gebruikelijke, omdat een antennesysteem met hoge versterking voor deze frequenties betrekkelijk eenvoudig (nou ja...) te construeren is. Sommige radio-amateurs gebruiken een equatoriaal gemonteerd en door een klok gestuurd antennesysteem, zodat zij urenlange verbindingen kunnen maken via de maan.

Onderaardse propagatie

Dit is waarschijnlijk de meest vreemde manier. De gehele planeet, die begrensd is in afmeting en een tamelijk goede geleider voor lage frequenties, heeft een resonantie-frequentie waarop wisselstromen terugkaatsen tegen de binnenkant van de globe en elkaar versterken. De militairen zijn reeds begonnen met experimenten op het gebied van onderaardse propagatie met als doel verbinding met onderzeeërs. Onderaardse propagatie vereist enorme antennesystemen (als we dat nog wel 'antennes' kunnen noemen) en ook een groot vermogen. Dus bepaald niet geschikt om mee te experimenteren in de achtertuin!

Conclusie

Verwacht u een omroepstation uit Manilla te horen op 9,6 MHz, om 10:00 uur plaatselijke tijd in Amsterdam? En wat denkt u van een radio-amateur uit Australië, om 18:00 uur op 21 MHz? Verwacht u 'skip' (verkeerde benaming) te horen op 10 meter, 's nachts om 00:00 uur in 1986? U bent nu in staat, met de hier verschafte informatie, deze vragen zelf te beantwoorden. Er zal minder tijd verloren gaan door luisteren naar stations waarvan de signalen u niet kunnen bereiken, wanneer we de karakteristieke propagatie voor de betreffende band begrijpen. Natuurlijk zijn er uitzonderingen, die de regel bevestigen. Moeder Natuur doet daar ook aan mee. Ik maakte contact met een amateur in de USSR, vanuit Miami op 7 MHz, om 12:00 uur plaatselijke tijd, met 100 watt en een eenvoudig station. Soms zult u midden op de dag middengolf-omroepstations horen over een afstand van honderden kilometers, of signalen die eigenlijk in de skipzone thuishoren, met S9+. We mogen er blij om zijn dat de oude dame een beetje excentriek is!

Bibliografie

  1. Reference data for Radio Engineers, Howard W. Sams + Co., Inc. 1975, hoofdstuk 28.
  2. The ARRL Antenne Book, American Radio Relay League, Inc., Newington, Connecticut, 1977.
  3. The Radio Amateur Handbook, American Radio Relay League, Inc., Newington, Connecticut, 1981.

W1GV/4, Stan Gibilisco.