Radioamatörer har för vana att sätta upp sina kortvågsantenner så högt som möjligt. Under vissa förutsättningar kan man på det sättet få en låg vinkel mot jonosfären, på den del av den utstrålade radioenergin som kallas rymdvåg. Med den låga vinkeln uppnås lång radioräckvidd - s.k. DX. Även utmed jordytan utstrålas en del radioenergi, som kallas markvåg och har kort räckvidd.
Med låg strålningsvinkel på rymdvågen uppstår emellertid en s.k. död zon bortom markvågens räckvidd och vidare fram till där rymdvågen åter når jordytan, efter att ha reflekterats i jonosfären. Följden blir att möjligheten till kortvågskommunikation med platser inom denna zon är begränsad.
|
Vill man ha goda kortvågsförbindelser på kort avstånd - utan död zon - så är lösningen NVIS-teknik. Med avkall på möjligheterna till DX, kan man då få robust radioförbindelse inom en radie av upp till 300 kilometer eller mer. Eftersom kommunikation med NVIS bygger på ren rymdvågsutbredning, så fungerar den helt oberoende av topografin. Detta är en stor fördel för kommunikation inom en region etc. Användare kan vara t.ex. radioamatörer med sambandsuppdrag inom ett större område, räddningsstyrkor utan omedelbar tillgång till ett befintligt radionät, taktiska militära förband o.s.v. Möjligheterna med NVIS-länkar på kortvåg skall ställas mot den begränsade räckvidden med VHF/UHF-länkar i samma topografi, om de inte kompletteras med relästationer (repeatrar) - med allt vad det nu innebär. |
Skip the "skip zone", we created it and we can eliminate it. Current doctrine is wrong. There can be a skip
zone if the communicator selects an antenna with too low a radiation, but there is no skip zones unless you,
the communicator create it! We must banish forever the term "skip zone" and the thinking that created it.
Sagt av Lt. Col. David M. Fiedler, medförfattare av boken Near Vertical Incidence Communication.
Innehåll
- Vad är NVIS?
- Vilka fördelar och nackdelar är det med NVIS?
- Hur väljer man frekvens för NVIS-kommunikation?
- Vilka antenner fungerar för NVIS?
- Några internet-länkar om NVIS
- Litteratur
Vad är NVIS?
NVIS betyder "nästan vertikalt riktad rymdvåg"
NVIS handlar om kortvågskommunikation på alla avstånd upp till 300 km radie eller mer.
Idén med NVIS (uttalas "niviss") är att man sänder radiosignalerna i det närmaste rakt upp i jonosfären och får dem tillbaka både nära omkring uppsändningsplatsen och lite längre bort - utan en "död zon". För att signalerna skall reflekteras i jonosfären, måste deras frekvens vara lägre än den s.k. kritiska frekvensen. Annars passerar signalerna nämligen genom jonosfären och ut i rymden i stället.
Antenner för NVIS-användning har horisontell polarisation, mycket hög strålningsvinkel i en enda lob och ett minimum av sidolober; detta för minsta interferens mellan markvåg och reflekterad rymdvåg.
En antenn optimerad för sändning i hög strålningsvinkel är i samma mån också optimerad för mottagning i hög vinkel. Eftersom den inte strålar i låg vinkel, så är den inte heller känslig för mottagning i låg vinkel. När båda stationernas antenner är optimerade för NVIS, så är sannolikheten för robust kommunikation störst.
Eftersom en antenn, som är optimerad för NVIS, mest hör signaler rakt uppifrån så favoriserar den inte avlägsna signaler och störningar med låg infallsvinkel. Den hör inte så mycket av det som en antenn optimerad för DX hör. Resultatet är ett bättre signal- till brusförhållande vid NVIS.
Vilka är fördelarna och nackdelarna med NVIS?
Några fördelar med NVIS:
- NVIS möjliggör kommunikation, utan död zon mellan rymdvågs- och markvågstäckning.
- Vid NVIS-kommunikation behövs inga extra hjälpmedel för överföringen, t.ex. repeatrar.
- Antenner optimerade för NVIS är horisontellt polariserade och hängda förhållandevis lågt. Inga höga master
behövs.
- Enkla dipoler fungerar mycket bra för NVIS och kan upprättas på kort tid av en eller två personer.
- Starkt kuperade terrängpartier och skogar är inget problem.
- Radiovågens totala väg från sändaren upp över jonosfären och åter ner till mottagaren är relativt kort.
Därmed är länkförlusterna små.
- NVIS-teknik kan dramatiskt reducera brus och interferens, vilket ger bättre signal- till brusförhållande vid
mottagning.
- Med det bättre signal- till brusförhållandet och låga länkförluster, fungerar NVIS mycket bra även vid låg effekt.
Några nackdelar med NVIS:
- NVIS-antenner är oftast långa och har därmed i enkelt utförande en relativt liten bandbredd.
- NVIS fungerar bäst inom ett visst begränsat frekvensområde. På grund av olika vågutbredning under dagen och
natten, behövs minst två frekvenser för kommunikation dygnet runt, och till dessa anpassade antenner.
- På grund av solens ständigt skiftande inverkan på jonosfären, ändras ständigt de för NVIS-användning optimala
arbetsfrekvenserna.
- Vissa svårigheter kan uppstå stundtals vid NVIS-kommunikation, bl.a. flervägsinterferens (multipath) vid solens
upp- och nergång, kraftig signaldämpning i jonsfärens D-skikt middagstid och interferens från rundradiostationer
nattetid.
- På de frekvenser som är lämpliga för NVIS är det hög nivå på atmosfäriskt brus. Stora störkällor är åskväder och
bruset från övriga källor tillkommer.
- Alla stationer i ett NVIS-nät bör vara optimerade för denna användning. Om vissa stationer har bra antenner för
NVIS medan andra inte har det, så blir resultatet inte optimalt. Det kan t.ex. vara att en antenn gynnar utbredning
i hög vinkel (NVIS), medan en annan gynnar utbredning i låg vinkel (DX).
Hur väljer man frekvens för NVIS-kommunikation?
Som nämnts härovan skall de NVIS-signaler, som man sänder rakt upp i jonosfären, ha en lägre frekvens än den vid varje sändningstillfälle kritiska frekvensen, f0. Annars reflekteras de inte utan passerar genom jonosfären i stället. Eftersom den kritiska frekvensen varierar mycket, bland annat beroende av solaktivitet, årstid och tid på dygnet, så bestäms den optimala frekvensen för NVIS-kommunikation av samma faktorer.
Den optimala arbetsfrekvensen för NVIS är FOT - Frequency of Optimal Transmission. Det är 10-15% lägre än den för tillfället kritiska frekvensen f0 och den övre rekommenderade gränsen för en tillförlitlig radioförbindelse under 90% av tiden. FOT väljs vanligen ungefär 15 % lägre än MUF - Maximum Usable Frequency. Det ger marginal för oregelbundenheter och turbulens i jonosfären, liksom för korttidsavvikelser från det förutsagda månatliga medianvärdet för MUF.
Den kritiska frekvensen både i E- och F-skiktet är högst vid högt solfläckstal, eftersom joniseringsgraden då är störst i båda. Beroende på när under dygnet, årstiden och skedet i solfläckscykeln, kan den kritiska frekvensen för E-skiktet variera mellan 1-4 MHz. Likaså kan den kritiska frekvensen för F-skiktet variera från 2-3 MHz på natten under ett solfläcksminimum till 12-13 MHz på dagen under ett solfläcksmaximum....
Därav följer, att frekvensområdet för NVIS i huvudsak är mellan 2 och 12 MHz. En tumregel är hög arbetsfrekvens inom detta område under dagen (säg 6-8 MHz) och låg frekvens under natten (säg 2-4 MHz). Radioamatörer har att välja NVIS-frekvenser i 1.8, 3.5, 7 och 10 MHz-banden. Tyvärr finns inget ytterligare amatörradioband upplåtet däremellan, vilket hade varit en fördel för NVIS-användning.
Det finns olika metoder för att välja frekvens. En är använda något dataprogram för prognosering av vågutbredning, t.ex. Miniprop. En annan är att studera vågutbredningsbulletiner. På senare år har internet blivit till stor hjälp. Nu finns flera web-siter om vågutbredning, där information ges antingen om situationen i nära realtid eller som förutsägelser.
The Chilton Ionosonde site är en engelsk mycket användbar site, som ger grafisk information varje timme. Utöver den kritiska frekvensen f0F2, så listar den MUF och den kritiska frekvensen även för andra jonosfärskikt. Det krävs en enkel registrering för att få tillgång till informationen; huvudsakligen efterfrågas email-adress och skälet till intresset för data.
Vilka antenner fungerar för NVIS?
Generellt
En NVIS-antenn skall vara horisontellt polariserad och ha hög strålningsvinkel på alla för NVIS lämpliga arbetsfrekvenser. Så länge som antennen inte hänger högre än 0.25 våglängder över mark, blir strålningsvinkeln tillräckligt hög (35-90 grader).
Optimal vertikal utstrålning fås med en antennhöjd av 0.25 våglängder över mark. Med högre antennhöjd börjar strålningsloben att delas och strålningsvinkeln minskar. Med lägre antennhöjd blir utstrålningen svagare, men är fortfarande uppåtriktad. Till exempel vid en höjd av 0.1 våglängder har den minskats till ungefär hälften.
På grund av de relativt låga frekvenser som används för NVIS, blir antennerna så långa att det är lämpligt med trådantenner. En trådantenn behöver inte vara helt rak; den vara kan delvis horisontell eller lutande. Nästan alla upphängningssätt kan fungera. Det viktigaste är att hänga upp antennen så fritt som möjligt. I trängda lägen, givetvis på bekostnad av verkningsgraden, går det dock att drapera antenntråden över träd, lägga upp den på korta stolpar o.s.v.
Med de antennhöjder och frekvenser som används vid NVIS är horisontella antenner i stort sett rundstrålande. Antenntrådens orientering mot motstationen är därför inte viktig.
 |
Marken som reflektor
Det högfrekventa kraftfält, som strålar uppåt från antennen är sammansatt av dels det fält som kommer direkt från antennen och dels det som först har träffat marken och sedan reflekterats uppåt. Inte all den strålning som först träffar marken reflekteras, utan en del omvandlas i stället till värme.
I marken alstras högfrekventa strömmar av den infallande strålningen. När dessa strömmar passerar genom den resistans som marken har, så uppstår värme. Hur mycket energi som reflekteras i form av kraftfält respektive blir till värme beror på markens elektriska egenskaper.
Det betyder att en antenn, upphängd över mark med sämre elektrisk ledningsförmåga, avger större del av sin utstrålade energi till värme i marken och mindre som nyttig energi tillbaka till atmosfären. Likaså, ju närmare antennen är över marken, desto mer förloras till marken. Ju större energiförlusten till marken är, desto sämre verkningsgrad får antennsystemet.
Markens elektriska ledningsförmåga kallas för konduktivitet ( G ), vilken uttrycks som det inverterade värdet av
resistansen ( R ), d.v.s. G = 1/R. Enheten för G är Siemens (förut Mho) och enheten för R är ohm.
Följande data hämtade ur CCIR-rapport 229-2 (Geneve 1974) visar markens mycket varierande elektriska egenskaper. Därvid förutsätts att den geologiska strukturen är homogen till ett bestämt djup. Markens fuktighetsgrad har stor inverkan på konduktiviteten. Inträngningsdjupet för radiovågorna varierar med markarten och med frekvensen. Markytan är inte den verkliga "elektriska reflektorn" för radiovågorna, utan den finns under markytan på varierande djup.
| Genomsnittliga elektriska konstanter för vanligt förekommande markarter | ||||||
| Markart | Konduktivitet Siemens/meter |
Dielektricitets- konstant |
Inträngningsdjup i meter vid frekvens i MHz 0.5 1 5 10 |
|||
| Havsvatten | 4 | 80 | 0.35 | 0.25 | 0 . 1 | 0.075 |
| Sötvatten | 0.003 | 80 | 18 | 15 | 12 | 8.5 |
| Fuktig mark | 0.01 | 30 | 7 | 5.5 | 3.8 | 1.5 |
| Medelmåttig mark |
0.001 | 15 | 28 | 23 | 18 | 16 |
| Torr mark | 0.0001 | 4 | ||||
| Mycket torr mark | 0.00001 - 0.00003 | 4 | 90 | 90 | 90 | 90 |
| Havsvatten | vatten i praktiskt taget alla världshav vid 20 grader C. |
| Sötvatten | vatten i stora sjöar, breda floder, flodmynningar etc. |
| Fuktig mark | sump- och myrland, områden med högt grundvattenstånd, översvämmade områden. |
| Medmåttig mark | odlingslandskap, skogbevuxna landskap, typisk för tempererade zonen. |
| Torr mark | torra sandiga områden, kustlandskap och stäpper, arktiska områden. |
| Mycket torr mark | ökenområden, industriområden, storstäder, steniga områden och höga berg. |
För ett konstgjort jordplan som ersättning skulle behövas ett vidlyftigt nät av koppar eller liknande. För förbättring av konduktiviteten i marken under en NVIS-antenn kan i stället användas en reflektor.
Konstgjort jordplan som reflektor
Av praktiska skäl hänger sällan en radioamatör upp en horisontell antenn högre än 10 - 15 meter, säg cirka 12 meter, och det oavsett vilket amatörband som används. Tyvärr har man då på de lägre amatörbanden att konstatera högre förluster till marken och därmed svagare effektiv utstrålning från antennsystemet.
Lyckligtvis går det att höja verkningsgraden märkbart i ett lågt hängt antennsystem. Det gör man med ett konstgjort jordplan som reflektor. Ett reflektor kan enklast bestå av en eller flera passiva antenntrådar placerade parallellt under den aktiva antenntråden och med en något större längd än denna. Ett lämpligt (ej kritisk) avstånd mellan antennen och reflektorn är ungefär 0.1 våglängder, men kan vara mindre. Om antenntråden hänger mycket lågt, kan reflektorn behöva läggas på marken och ändå vara effektiv.
När behövs då en reflektor?
En optimal NVIS-antenn är horisontell och upphängd på en höjd av 0.25 våglängder över marken. Då skapas endast
en enda strålningslob och den är riktad rakt uppåt. Med den höjden är också förlusten till marken under antennen
förhållandevis liten. Om antennens upphängningshöjd minskas till säg 0.1 våglängder, så blir förlusten till marken ungefär fördubblad. Fortfarande bildas endast en, men nu svagare strålningslob. Ännu lägre upphängningshöjd
medför ännu större förlust till marken och därmed en ännu svagare, men fortfarande uppåtriktad strålningslob.
Låt oss studera hur mycket den optimala antennhöjden 0.25 våglängder är uttryckt i meter:
1.8 - 2.0 MHz motsvarar c:a våglängden 166 - 150 meter och 0.25 våglängder av det är 41.5 - 37.5 meter,
3.5 - 3.8 MHz motsvarar c:a våglängden 86 - 79 meter och 0.25 våglängder av det är 21.5 - 20 meter,
7.0 - 7.1 MHz motsvarar c:a våglängden 43 - 42 meter och 0.25 våglängder av det är 11 - 10.5 meter och
10.100 - 10.150 MHz motsv. c:a våglängden 30 meter och 0.25 våglängder av det är 7.5 meter.
En antennhöjd av cirka 12 meter innebär:
på 1.8 MHz-bandet ungefär 0.08 våglängder,
på 3.5 MHz-bandet ungefär 0.15 våglängder,
på 7 MHz-bandet ungefär 0.28 våglängder och
på 10 MHz-bandet ungefär 0.4 våglängder.
Därav förstås att det, först på 7 MHz-bandet och däröver, är praktiskt att förverkliga den idealiska NVIS-höjden 0.25 våglängder, men däremot inte på 3.5 och 1.8 MHz-banden. Därför är det främst på dessa lägre frekvenser som en reflektor gör störst nytta med avseende på verkningsgrad. För NVIS i 10 MHz-bandet är å andra sidan 12 meters antennhöjd för högt med avseende på optimal uppåtstrålning. Det kan man kompensera genom att lyfta upp reflektorn så att avståndet mellan denna och antennen blir 0.25 våglängder.
Stationära NVIS-antenner
Som sagts tidigare i denna artikel, så varierar ständigt och mycket den optimala frekvensen för en förbindelse över NVIS. Hur antennerna skall utformas påverkas därvid i samma mån.
Radioamatörer är en användarkategori som har vissa frekvensband att hålla sig inom och kan då anordna en optimal NVIS-antenn för varje sådant band. För varje tidpunkt gäller det att sedan välja lämplig antenn och arbetsfrekvens i aktuellt band. Tyvärr kan ibland den optimala frekvensen för NVIS även ligga emellan två amatörband. Det gäller då att i stället försöka få förbindelse i något av dessa eller vänta tills nästa bästa tillfälle.
Utan att här närmare gå in på frekvenstilldelningen för olika användare, så kan ändå konstateras att NVIS-användning dygnet runt förutsätter tillgång till arbetsfrekvenser väl utspridda över hela det aktuella frekvensområdet.
För dem som använder endast en eller flera närliggande arbetsfrekvenser kan det oftast räcka med en enkel dipol-antenn.
För dem som önskar arbeta på flera väl utspridda NVIS-frekvenser, och då med samma antenn, krävs en s.k. bredbandig antenn. Två huvudkategorier av bredbandiga antenner finns, resonanta antenner och vandringsvågsantenner.
Representativ för den första kategorin är en "solfjäder" av flera antenner för olika frekvenser sammankopplade i samma matningspunkt. För en sådan bredbandig antenn behövs oftast en inställbar antennkopplare för impedansanpassning mellan antenn och matarledning.
Representativ för den andra kategorin är en omvikt dipol belastad med en resistor. En sådan ofta förekommande antenn är T2FD. En nackdel med en sådan är den dåliga verkningsgraden i själva antennen. För en sådan bredbandig antenn behövs sällan en inställbar antennkopplare.
Mobila NVIS-antenner
NVIS kan även användas mobilt men INTE med vertikala antenner, eftersom strålningen rakt uppåt från sådana är
mycket svag. För NVIS-användning MÅSTE därför vertikala vippor böjas ner så långt möjligt mot horisontellt läge.
Det är därför som man kan se militära fordon med långa, väl nerböjda antennvippor. Vipplängder på upp till nära 5
meter förekommer. Eftersom mobila antenner är mycket korta, uttryckt i våglängder, och dessutom är nära marken, så är naturligtvis verkningsgraden långt ifrån så bra som på stora stationära antenner. Antennkopplare är obligatorisk och med fördel automatisk.
___
Flera effektiva antennkonstruktioner finns.
Några internet-länkar om NVIS
Litteratur
Near Vertical Incidence Skywave Communication, Theory, Techniques and Validation
Förlag: WORLDRADIO BOOKS, P.O. Box 189490, Sacramento, CA 95818, USA.
Experiment med NVIS-kommunikation
Spännande experiment med extremt låg effekt eller med låga antenner.
Möjlighet att kommunicera på korta till medellånga avstånd på kortvåg.
NVIS i kombination med moderna digitala moder som t ex PSK31
Hur mycket effekt behövs egentligen?
Har Du några egna erfarenheter av NVIS?
