Радиосвязь на ближних расстояниях с использованием NVIS-распространения.

Введение

Тип распространения радиоволн. Распространение радиоволн с почти вертикальным углом падения, или NVIS, – это путь распространения радиоволн, обеспечивающий приемлемый сигнал на средних расстояниях. Обычно используется для военных и военизированных коммуникаций, вещания, особенно в тропических широтах, а также радиолюбителями для связи на небольшие расстояния, обходя препятствия прямой видимости. Радиоволны распространяются почти вертикально вверх в ионосферу, где преломляются и возвращаются обратно к Земле, где их можно принимать в пределах круговой области радиусом до нескольких сотен километров от передатчика. Если частота слишком высока (то есть превышает критическую частоту F-слоя ионосферы), преломления недостаточно для возврата сигнала на Землю, а если частота слишком низка, поглощение в D-слое ионосферы может ослабить сигнал. Нет принципиальной разницы между NVIS и обычным распространением небесных волн; практическое различие заключается исключительно в различных желаемых диаграммах направленности антенн (почти вертикальной для NVIS и почти горизонтальной для обычного распространения небесных волн на большие расстояния).

Частоты и распространение

Наиболее надежные частоты для связи NVIS находятся в диапазоне от 1,8 МГц до 8 МГц. Выше 8 МГц вероятность успеха начинает снижаться, падая почти до нуля на 30 МГц. Используемые частоты определяются местными ионосферными условиями, которые имеют выраженную систематическую зависимость от географического положения. Распространенные диапазоны, используемые в любительской радиосвязи на средних широтах, составляют 3,5 МГц ночью и 7 МГц днем, с экспериментальным использованием частот 5 МГц (60 м). В зимние ночи, в период минимума солнечной активности, может потребоваться диапазон 1,8 МГц. Для вещания используются тропические диапазоны между 2,3–5,06 МГц и международные диапазоны между 3,9 и 6,2 МГц. Военные NVIS-связи в основном осуществляются на частотах 2–4 МГц ночью и 5–7 МГц днем. Оптимальные частоты NVIS, как правило, выше в тропических широтах и ниже в арктических регионах. Они также выше в годы высокой солнечной активности. Используемые частоты меняются в течение суток, поскольку солнечный свет вызывает увеличение плотности самого нижнего слоя ионосферы, называемого слоем D, что приводит к затуханию низких частот днем, в то время как максимальная используемая частота (MUF), являющаяся критической частотой слоя F, возрастает с увеличением солнечного освещения. Доступны оперативные карты критических частот. Использование частоты примерно на 15% ниже критической частоты должно обеспечивать надежную связь NVIS. Это иногда называют оптимальной рабочей частотой или FOT. NVIS наиболее эффективна в гористой местности, где распространение в прямой видимости неэффективно, или когда расстояние связи превышает 80 км радиуса действия наземной волны (либо рельеф настолько пересеченный и без растительности, что наземная волна неэффективна), но меньше, чем дальность распространения небесной волны с малым углом наклона. Еще одна интересная особенность связи NVIS заключается в том, что пеленгация передатчика сложнее, чем для связи наземными волнами (т.е. VHF или UHF). Для вещательных компаний NVIS позволяет обеспечить покрытие всей страны среднего размера с гораздо меньшими затратами, чем с использованием VHF (FM), а также дневное покрытие, аналогичное ночному покрытию средневолнового (AM) вещания, при более низкой стоимости и часто с меньшими помехами.

The most reliable frequencies for NVIS communications are between 1.8 MHz and 8 MHz. Above 8 MHz, the probability of success begins to decrease, dropping to near zero at 30 MHz. Usable frequencies are dictated by local ionospheric conditions, which have a strong systematic dependence on geographical location. Common bands used in amateur radio at mid latitudes are 3.5 MHz at night and 7 MHz during daylight, with experimental use of 5 MHz (60 m) frequencies. During winter nights at the bottom of the sunspot cycle, the 1.8 MHz band may be required. Broadcasting uses the tropical broadcast bands between 2.3–5.06 MHz, and the international broadcast bands between 3.9 and 6.2 MHz. Military NVIS communications mostly take place on 2–4 MHz at night, and 5–7 MHz during daylight. Optimum NVIS frequencies tend to be higher towards the tropics and lower towards the arctic regions. They are also higher during high sunspot activity years. The usable frequencies change from day to night, because sunlight causes the lowest layer of the ionosphere, called the D layer, to increase, causing attenuation of low frequencies during the day while the maximum usable frequency (MUF) which is the critical frequency of the F layer rises with greater sunlight. Real time maps of the critical frequency are available. Use of a frequency about 15% below the critical frequency should provide reliable NVIS service. This is sometimes referred to as the optimum working frequency or FOT. NVIS is most useful in mountainous areas where line of sight propagation is ineffective, or when the communication distance is beyond the 50 mile (80 km) range of groundwave (or the terrain is so rugged and barren that groundwave is not effective), and less than the range of lower angle sky wave propagation. Another interesting aspect of NVIS communication is that direction finding of the sender is more difficult than for ground wave communication (i. e. VHF or UHF). For broadcasters, NVIS allows coverage of an entire medium sized country at much lower cost than with VHF (FM), and daytime coverage, similar to mediumwave (AM broadcast) nighttime coverage at lower cost and often with less interference.

Антенны

Конфигурация антенны NVIS представляет собой горизонтально поляризованный (параллельный поверхности Земли) излучающий элемент, расположенный на расстоянии от одной длины волны (λ) до половины длины волны над землей. Оптимальная высота такой антенны составляет примерно одну длину волны, а высокоугольное излучение снижается незначительно при высоте до половины длины волны. Такая близость к земле заставляет большую часть излучения направляться прямо вверх, что и обеспечивает распространение NVIS. Общую эффективность антенны можно повысить, разместив заземляющий провод, немного длиннее антенны, параллельно и непосредственно под ней. Один заземляющий провод может обеспечить усиление антенны в диапазоне 3–6 дБ. Это отражатель, используемый для формирования двухэлементной антенны Яги. Длина провода для отражающего элемента на 5% больше длины дипольного излучающего элемента, расположенного над ним. Диполь находится на расстоянии 0,15 длины волны над отражающим элементом. Отражающий провод подвешивается между двумя изоляторами и не соприкасается с другими объектами. Его можно установить на несколько сантиметров над землей или на максимальной высоте 10 футов (или 3 метра) над поверхностью почвы. Эта высота позволяет удобно косить газон без каких-либо помех. По сути, эта антенна представляет собой двухэлементный луч, ориентированный вертикально. Другой источник указывает на 2 дБ для одного провода и почти 4 дБ для нескольких заземляющих проводов. Заземляющие провода особенно необходимы при использовании низко расположенных диполей над почвами с плохой проводимостью, поскольку без них значительная часть энергии преобразуется в тепло, а не в радиоволны. В зависимости от конкретных требований для связи NVIS могут использоваться различные антенны (например, Sloper, T2FD, Dipole), при этом горизонтальные диполи или инвертированные V-диполи, расположенные на расстоянии примерно половины длины волны над землей, обеспечивают наилучшие результаты при передаче, а на расстоянии одной длины волны – при приеме, согласно данным военных источников и обширного исследования, проведенного голландскими учеными. Антенны, расположенные очень низко к земле, значительно уступают по эффективности как при передаче, так и при приеме, поскольку наблюдается ослабление сигнала и увеличение шума. Очевидно, что существенное улучшение связи будет достигнуто, если как передающая, так и принимающая станции используют конфигурацию NVIS для своих антенн. В частности, для скрытных операций антенны NVIS являются хорошим выбором. Для вещания типичные антенны состоят из диполя, расположенного на расстоянии половины длины волны над землей, или из массивов таких диполей. Можно использовать до 16 диполей, что позволяет передавать сильные сигналы с относительно небольшой мощностью за счет концентрации сигнала в меньшей зоне приема. Ограничение зоны покрытия может быть обусловлено лицензионными требованиями, языковыми или политическими соображениями. Массивы диполей можно использовать для "направления" диаграммы направленности, чтобы передатчик не находился в центре зоны покрытия. В вещательных антеннах NVIS обычно используется обширный заземляющий экран для увеличения усиления и стабилизации диаграммы направленности и входного импеданса при изменении влажности почвы.

An NVIS antenna configuration is a horizontally polarized (parallel with the surface of the earth) radiating element that is from th wavelength (λ) to wave above the ground. The optimum height of such an antenna is about wavelength, and high angle radiation declines only slightly for heights up to about wave. That proximity to the ground forces the majority of the radiation to go straight up, causing NVIS propagation to occur. The overall efficiency of the antenna can be increased by placing a ground wire, slightly longer than the antenna, parallel to and directly underneath the antenna. A single ground wire can provide antenna gain in the 3–6 dB range. This is a reflector element used to form a 2 element Yagi beam antenna. The wire length for the reflector element is 5% longer than the dipole driven element positioned above it. The dipole is located at a distance of 0.15 wavelengths above the reflector element. The reflector wire is hung between two insulators and doesn't make contact with any other objects. It can be mounted a few inches above the ground or at a maximum height of 10 feet (or 3 meters) above the soil. This height allows for convenient lawn mowing without any disruptions. Essentially, this antenna consists of a 2 element beam that is oriented vertically. Another source indicates 2 dB for a single wire and nearly 4 dB for multiple ground wires. Ground wires are more necessary when using lower dipoles over poor soils as without them considerable energy goes into heat and not the radio waves. Depending on the specific requirements, various antennas (i. e. Sloper, T2FD, Dipole) can be used for NVIS communication, with horizontal dipoles or inverted V dipoles at about wavelength above ground giving the best results on transmit and at about wavelength on receive, according to military sources and an extensive study by Dutch researchers. Very low antennas are far more inferior on both transmit and receive, where noise and signal are attenuated. Significant increases in communication will obviously be realized when both the transmitting station and the receiving station use NVIS configuration for their antennas. In particular, for low profile operations, NVIS antennas are a good option. For broadcasting, typical antennas consist of a dipole about wavelength above ground, or arrays of such dipoles. Up to 16 dipoles can be used, allowing strong signals with relatively low power by concentrating the signal in a smaller receiving area. Limiting the coverage may be dictated by licensing, language, or political considerations. Arrays of dipoles can be used to "slew" the pattern so that the transmitter need not be in the center of the coverage footprint. Broadcast NVIS antennas usually use an extensive ground screen to increase gain and stabilize the pattern and feed impedance with changing ground moisture.

Антенна AS-2259

Одной из популярных военных NVIS-антенн является антенна AS 2259, которая состоит из двух V-образных диполей. Четыре дипольных провода также используются в качестве растяжек для мачты антенны. Альтернативная конфигурация представляет собой передающую петлевую антенну, настроенную на максимальную передачу сигнала вверх.