Propagatie
Een vloek of een zegen?
Om een antwoord te kunnen geven op deze vraag misschien eerst een beetje uitleg over wat propagatie is.
Letterlijk betekend deze uitdrukking “uitbreiding of verspreiding”. In “onze” radiowereld gaat het dan uiteraard over de verspreiding van radiogolven. Propagatie is dus de mate waarin de radiogolven zich (kunnen) verspreiden. Alleen is deze verspreiding afhankelijk van een paar ‘parameters’:
-
De soort radiogolven (begrippen als golflengte en frequentie).
-
De zonnestand (dag, nacht en schemering).
-
Het seizoen (lente, zomer, herfst en winter).
-
Zonnevlekkenactiviteit (cyclussen).
-
De ionosfeer (de verschillende ‘lagen’ die de Aarde omgeven).
-
De antenne (rondstralend of gericht).
-
Opstelhoogte van de antenne (laag, hoog).
-
De polarisatie (horizontaal, vertikaal, links- of rechtsdraaiend).
-
Grondgolven en ruimtegolven.
-
Zendvermogen en ontvangstgevoeligheid
-
Kortom: propagatie is geen constante eigenschap maar een combinatie van vaste, gekende parameters met wisselende invloeden. De vaste en gekende parameters zijn bv. de gebruikte antenne, de gebruikte frequentie(s), uitgestraalde zendvermogen, de opstelhoogte en de soort polarisatierichting. Sommige wisselende invloeden zijn soms voorspelbaar (denk aan dag/nacht opeenvolging) de stand van de Zon, het jaargetijde...en sommige zijn totaal onvoorspelbaar zoals bv het weer (mist, regen , temperatuurinversie...) of locale omgeving en storingsbronnen.
Radiogolfpropagatie kan je ruwweg indelen in 4 soorten:
-
Line-of-sight (zichtcontact tussen zend- en ontvangstantenne)
-
Grondgolf Propagatie (radiogolven volgen de kromming van de Aarde)
-
Atmosferische Propagatie (‘hoppend’ tussen aardoppervlakte en ionosfeer)
-
Ionosferische Propagatie (terugkaatsing door verschillende ionosfeerlagen)
-
Line-Of-Sight propagatie is snel uitgelegd: deze vorm van propagatie is voor ‘lokaal’ gebruik waarbij de zendantenne de ontvangstantenne kan ‘zien (of omgekeerd de ontvangstantenne ziet en hoort dus de zendantenne) Wat hier een grote invloed geeft, is de opstelhoogte van beide antennes.
Hoe hoger hoe verder de radiogolven ‘gezien’ worden. Een antenne die “maar” 2 meter van de grond staat heeft een ‘zichtbereik’ van pakweg 5 kilometer.
Opgelet: line-of-sight moet je dus letterlijk opvatten: en mag dus niets of zo weinig mogelijke objecten tussen beide antennes het “zicht” belemmeren. Zoals daar zijn: hoge gebouwen, heuvels, bomen en bossen enz... al deze belemmeringen slorpen enerzijds de zendenergie op en hinderen de ontvangst van radiosignalen. Ook de weersomstandigheden zullen een invloed hebben.
Ook de opstelplaats speelt een rol: aan een groot meer of midden in een bos , op een hoge heuvel of in een tunnel... 😊
Enkele voorbeelden om in dit eerste voorbeeld de communicatie te verbeteren zijn: een hogere zendenergie gebruiken, een gevoeligere ontvanger gebruiken of bijvoorbeeld richtantennes gaan gebruiken ipv de (gebruikelijke vertikale) rondstraalantennes. Deze parameters zijn echter aan technische (of wettelijke) limieten gebonden. Ik ga even voorbij aan andere technische parameters als SWR, resonantie, impedantie en andere eigenschappen van enders/ontvangers/antennes/transmissielijnen.
Zet nu echter beide antennes eens op 40m hoogte (boven de meeste gebouwen en bomen) en het bereik wordt algauw 40-70 kilometer, afhankelijk van de andere parameters.
Waarom “maar” 40-70 kilometers?
Simpel: de kromming van de Aarde is daar de oorzaak van. Op 2 m van de grond is de effectieve einder (kim, horizon) maar een kilometer of 5 ver weg. Hoe hoger je boven de grond komt, hoe verder de horizon weg is. Zet je bv een radiozendmast op 300m hoogte kan je al gauw 100-150 km ver ontvangen worden. Maar ook aan de opstelhoogte van antennes komt een technische limiet. De hoogste individuele en uitsluitend voor radiogolven antenne ter wereld is 657m hoog. Maar aangezien de plaats van opstelling op zich ook al op 1500m boven de zeespiegel staat is de effectieve uitstraalhoogte dus zo’n 2157m (Hoyt Radio Tower) 😊 En de allerhoogste antenne staat op zo’n 5.643m hoogte, op het dak van het Atacama Observatorium. Occasioneel is er ook wel eens een ‘radio-uitzending’ vanaf een bergbeklimmerskamp op 7000m hoogte in de Himalaya.
Een plaatje om het duidelijk te maken (afmetingen zijn niet op schaal):
Voor de wiskundigen onder ons: de berekening van de maximale afstand vs hoogte. 😊
Grondgolf Propagatie.
Dit is al iets moeilijker om uit te leggen omdat hier niet alleen de zender/ontvanger en hun antennes een rol spelen maar ook de gebruikte frequentie (golflengte) van de gebruikte radiosignalen en de gebruikte polarisatie.
Dit propagatie-effect komt vooral voor bij lage frequenties (tot pakweg 30 MHz) dus in het LangeGolf, MiddenGolf en korte golf gedeelte (of SW van Short Wave) van de het radiospectrum.
Hierbij ‘slepen’ de uitgestraalde radiogolven over het aardoppervlak en kunnen op die manier grotere afstanden overbruggen dan bij line-of-sight mogelijk is. Afstanden tot pakweg zo’n 1.000 km zijn mogelijk.
Niet alleen het aardoppervlakte (natuur, bebouwd, vlak of heuvelig) gaat een rol spelen, ook de atmosferische toestand van de lucht en het tijdstip van de dag gaan hier een steeds wisselende rol spelen.
Ook de polarisatie speelt een beduidende rol.
Een verticaal gepolariseerde antenne geeft een tot 5 S-punten betere werking dan horizontaal.
In de volgende plaat het principe van de grondgolf:
1 opmerking: om gebruik maken van de grondgolfpropagatie zijn wel hogere vermogens noodzakelijk. Haalbare afstanden bij 2 verschillende frequentiebanden.
Atmosferische Propagatie
Hierbij worden de radiogolven als hops tussen het aardoppervlak en de onderste ionosfeer laag of troposfeer (tot ongeveer 10km hoogte) heen en weer gekaatst.
Tussen de hops is geen ontvangst. Met voldoende vermogen en onder ideale omstandigheden kan je op deze manier de ganse Aarde omlopen en jezelf een QSO horen vragen. 😊 De gemiddelde afstand tussen 2 hops is tussen 1500 en 1700 km.
Principe:
De luchtlaag is in constante beweging en kan onder bepaalde voorwaarden radiogolven terugkaatsen.
Met een moeilijke term ‘refractie’ genoemd. Gebeurt dit met licht(stralen) spreken we van een ‘Fata Morgana’ waarbij we voorwerpen en vormen waarnemen die voorbij de horizon gelegen zijn. Deze refractie is niet constant en dus zijn de zones van geen ontvangst/wel ontvangst steeds wisselend van natuur.
Ook is deze tropsfeer niet overal op Aarde van dezelfde dikte of samenstelling (vocht/stof/rook of andere chemische producten).
Ook de gebruikte frequentie speelt een rol. Met 27 MHz (CB-band 11m) kan je al gebruik maken van deze vorm van propagatie om (SSB) QSO’s te maken op grote tot zeer grote afstanden.
Ionosferische Propagatie
De Aarde wordt omgeven door verschillende lagen van geïoniseerde lucht (molecule en atomen). Deze ontstaan door invloed van het zonlicht, X- en Gammastraling).
Deze lagen hebben leuke elektromagnetische eigenschappen. Voor radiogolven hebben de verschillende (bruikbare) lagen een letter gekregen. Afhankelijk van de hoogte (tussen 50 en 500km)
De ionosferische propagatie is afhankelijk van de dichtheid van de gekozen laag, de gebruikte frequentie en de zogenaamde ‘opstraalhoek’.
Overdag zijn er 4 van dergelijke lagen (van onder naar boven D-laag, E-laag, F1- en F2-laag. Die slinken tijdens de schemering tot 2 lagen ’s nachts, de D-laag verdwijnt, de E-laag blijft en de lagen F1 en F2 worden de F-laag.
De hoogte van de lagen varieert ook met de seizoenen.
Ionosferische propagatie kan gebruikt worden tot pakweg 50Mhz. Daarboven gaat de straling door de lagen en verdwijnen ze in de ruimte.
Daar kan dan eventueel wel gebruik van gemaakt worden voor satellietcommunicatie.
Enkele plaatjes om 1 en ander duidelijk te maken:
Tijdens de overgang van dag naar nacht en omgekeerd (de schemerzone) wijzigt de samenstelling van deze lagen van 4 naar 2 en daarna terug van 2 naar 4.
De dikte, de hoogte en de ionisatiegraad wijzigt eveneens in dag-nachtritme en per seizoen.
Een kleurplaatje om deze overgang te demonstreren:
Begrip ‘skip zone’.
Wanneer er gebruik gemaakt wordt van ionosferische propagatie is er een minimale afstand voor communicatie. Wordt de frequentie te hoog of wordt de ‘opstraalhoek’ te klein dan gaan de radiogolven door de laag en verdwijnen ze in de ruimte. Wordt de opstraalhoek te klein worden de radiogolven niet langer door de laag gereflecteerd en gaan ze ook op die manier verloren.
De skipzone is die afstand tot de kortst mogelijk afstand die nog kan bereikt worden. In de skipzone is geen communicatie mogelijk:
Een ander plaatje, deze keer propagatie ’s nachts via de F-laag. De skipzone is dan wel een pak groter maar als compensatie kan je zowat de ganse wereldbol bereiken. 😊
Conclusie: wil je communiceren op grote afstanden, gebruik dan frequenties tot pakweg 40Mhz en ‘werk’ ’s nachts. Of misschien werkt het wel nog beter als zowel zender als ontvanger zich beide in de schemerzone bevinden.
Propagatie is weliswaar een variabel en steeds wisselende toestand maar door de jaren heen van metingen en ervaringen zijn een aantal parameters ‘redelijk’ voorspelbaar geworden. Zo weten we dat de zonneactiviteit mede bepaald wordt door de zonnevlekken op het oppervlak, de zonnewind en andere calamiteiten die van de Zon afkomstig zijn. Die worden met een Engelse term “Space Weather” genoemd en zijn een heuse wetenschap met redelijk accurate voorspellingen.
Op de volgende site vind je alles over het ‘ruimteweer’:
Een ander instituut (ITS: The Nation's Spectrum and Communications Lab) heeft een specifieke werkgroep opgericht onder de naam VOACAP. Deze organisatie houdt zich specifiek bezig met radiocommunicatie in al z’n vormen en de beïnvloeding door dat fameuze Ruimteweer. 😊
Voor de geïnteresseerden vind je op de volgende site alle informatie en software voor Windows, Mac en Linux om de Ionosferische propagaties te gebruiken voor je radiohobby.
De vraag: ”Propagatie een vloek of een zegen?” kan iedere radio-enthousiast nu zelf beantwoorden. Wil je communiceren over grote afstanden of zelfs wereldwijd dan is propagatie een zegen. Komen echter al die communicaties binnen als je alleen maar een lokaal (Line-Of-Sight) verbinding wil maken dan vrees ik dat het dan eerder een vloek zal zijn. Gelukkig zorgen de dag- en nachtwisseling af en toe voor rust op de CB-band.
Happy DX’ing (communicatie grote afstand) of een dikke 73 van Big Brother.
Nog een mooie link voor gebruik op DX is deze: