Propagacja

Propagacja fal radiowych. Fale krótkie.

Piotr Nitecki SP9BWJ

Materiały szkoleniowe do użytku wewnętrznego.

1.Atmosfera ziemska

Fale radiowe pomiędzy stacjami umieszczonymi na ziemi rozchodzą się w atmosferze ziemskiej. Atmosfera ta rozciąga się do wysokości około 2000 km . Podzielona jest na warstwy . Najniższa zwana jest troposferą kończy się na wysokości 11 km .Ponad nią znajduje się stratosfera do wysokości 80 km. Nad nią jest jonosfera . Ta warstwa jest odpowiedzialna za rozchodzenie fal radiowych i ma zasadniczy wpływ na dalekie łączności na falach krótkich. Jonosfera została podzielona na szereg warstw które zmieniają się w zależności od pory dnia , od pory roku i 11- letniego okresu aktywności słońca.
Przewidywanie zmian jest dość skomplikowane podobnie jak prognozowanie pogody.
Najniższą warstwą jonosfery jest warstwa D rozciągająca się od wysokości 80 km .W godzinach rannych ,po wschodzie słońca zostaje ona silnie zjonizowana by zaraz po zachodzie zanikać Warstwa ta wnosi silne tłumienie dla fal średnich i pośrednich których w czasie dnia nie słychać . Ogranicza również przechodzenie fal krótkich do wyższych warstw jonosfery. Mimo że nie bierze bezpośredniego udziału w odbijaniu fal radiowych w kierunku ziemi to wnoszone przez nią tłumienie odpowiada za ograniczenie możliwości nawiązywania łączności na niższych częstotliwości . Wyznacza ona dolną granicę częstotliwości LUF ( najniższa użyteczna częstotliwość ) .Dotyczy to szczególnie pasm 160 metrów i 80 metrów.

Górna granica warstwy D przechodzi w warstwę E, występującą głównie dniem na wysokościach rzędu 120 km. Wysokość ta, zmienna w zależności od pory roku, jest praktycznie stała w ciągu dnia. Intensywność warstwy jest znaczna przy maksimum występującym w godzinach południowych, w godzinach nocnych malejąc praktycznie do zera.
Najważniejsze dla radiokomunikacji na falach krótkich jest warstwa F. W dzień następuje rozdzielenie warstwy F na podwarstwy F1, 160 – 270 km i F2 300-400 km. W nocy i w zimie obie te warstwy łączą się w jedną, położoną na wysokości 250 km. . ;
Warstwa F1 podobna jest do warstwy E, lecz jest bardziej jonizowana. Warstwa F2 istnieje zawsze i jest najsilniej zjonizowaną warstwą w atmosferze. Intensywność jonizacji jest zmienna zależnie od wielu czynników. Jest to warstwa o zasadniczym znaczeniu dla radiokomunikacji na falach krótkich.

Na wysokości warstw E występuje czasami dodatkowa. sporadyczna warstwa Es. Zjawia się ona najczęściej w dni letnie, choć czasem występuje nocami i w zimie na wysokości ok. 100—110 km. Są to silnie zjonizowane, obszary o średnicy 100—200 km i czasie trwania rzędu godzin, przesuwające się z szybkością kilkuset km/godz. z wschodu na zachód .Przyczyny ich powstawania nie są znane . Występowanie warstwy Es zimą jest sygnalizowane pojawieniem się zorzy polarnej. Warstwa Es ma duże znaczenie praktyczne dla krótkofalowców, umożliwia bowiem prowadzenie krótkotrwałych łączności na częstotliwościach sięgających aż do UKF.
Zmiany stanu jonosfery zależą od promieniowania ultrafioletowego słońca . Zmiany położenia ziemi względem słońca powodują zmiany jonizacji . Wielkość promieniowania ulega zmianom w 11 letnich cyklach aktywności słonecznej . Obserwując ilość plam na słońcu określamy maksymalną aktywność promieniowania ,która jest największa przy największej ilości plam , czyli wybuchów na słońcu .
Wybuchy słoneczne są również źródłem promieniowania korpuskularnego. Cząsteczki te poruszają się znacznie wolniej niż światło i osiągają jonosferę po czasie od jednego do czterech dni po wystąpieniu wybuchu. Powodują one burze magnetyczne i jonosferyczne. Cząsteczki ujemne o dużej energii redukują gęstość jonizacji warstw, co obniża ich zdolność odbijania fal. Najwyższa częstotliwość odbijana przez warstwę F spada . Przy dużej aktywności burze jonosferyczne występują przez około 100 godzin w miesiącu , natomiast w czasie małej aktywności częstość ich maleje.
Jonosfera nie jest jednak przestrzenią pozbawioną nagłych zakłóceń. Burze jonosferyczne tworzą się stopniowo lub nagle i trwają od jednego dnia do tygodnia. Nagłe zakłócenia jonosfery zaczynają się niespodziewanie i trwają od 20 minut do 2 godzin. Wynikiem działania obu tych czynników jest przerwanie komunikacji przez spowodowanie silnego wzrostu tłumienia jonosferycznego. Na powierzchni słońca mają wtedy miejsce potężne wybuchy, wysyłające w kierunku ziemi bardzo silne promieniowanie nadfioletowe, rentgenowskie i korpuskularne. Promieniowanie wzmacnia warstwę D, która absorbuje wszystkie fale zakresu krótkofalowego. Zwiększone pochłanianie fal powoduje zupełny zanik propagacji. Jest to zjawisko Mögel- Dellingera (MDE). Występuje w części kuli ziemskiej oświetlonej przez słońce.

Regularne zmiany promieniowania słońca można podzielić na: dobowe, związane z porą roku, geograficzne i cykliczne :
1.1 Zmiany dobowe
Wynikają one z obrotu ziemi dokoła jej osi. Odpowiednio do zmian ilości promieni słonecznych padających na ziemię występują zmiany intensywności jonizacji górnych warstw jonosfery. Zmiany dobowe warstw D, E i Fi mają charakter regularny i zależą od położenia słońca nad horyzontem.
1.2 Zmiany związane z porą roku.
W związku ze zmianami położenia słońca nad horyzontem intensywność warstw zmienia się również. Zmiany warstw E i F1 odpowiadają zmianom położenia słońca. Zimą warstwa F1 łączy się z F2..
1.3. Zmiany związane z położeniem geograficznym
Intensywność promieniowania jonizującego padającego na jonosferę zmienia się z szerokością geograficzną i oczywiście jest największa w rejonach równikowych i maleje dla wyższych szerokości. Odpowiednio zmieniają się częstotliwości krytyczne warstw E i F1..
1.4. Zmiany cykliczne
Zmiany te są funkcją aktywności słonecznej zmieniającej się w cyklu 11-letnim. Jest to zasadniczy czynnik wpływający na stan jonosfery.

2. Rozchodzenie się fal radiowych na ziemi.

W zależności od częstotliwości fale radiowe rozchodzą się następującymi sposobami :
2.1. Fale bardzo długie i długie (do 300kHz) .rozchodzą się jako fala przyziemna . Ich zasięg może wynosić do kilku tysięcy kilometrów i zależy od mocy nadajnika . Tłumienie fali przyziemnej jest stabilne w czasie i zależy od oporności elektrycznej gleby. Im oporność mniejsza ,tym zasięg większy. Fale te mogą również rozchodzić się jako przestrzenne jonosferyczne w warstwie E i D która znacznie je tłumi w porze dziennej ,a zanikając w nocy daje zwiększenie zasięgu ,jednak powodując zaniki interferencyjne.
2.2. Fale pośrednie i średnie (300kHz do 3 MHz) rozchodzą się zarówno jako fala przyziemna jak i jonosferyczna . Ich zasięg w dzień ogranicza się do fali przyziemnej i jest rzędu 200 kilometrów i zależy od mocy nadajnika . Tłumienie fali przyziemnej rośnie silnie wraz z wzrostem częstotliwości jest stabilne w czasie i zależy od oporności elektrycznej gleby. Tłumienie jest mniejsze dla fali o polaryzacji pionowej . Podczas dnia warstwa D silnie zjonizowana bardzo tłumi fale jonosferyczne ,natomiast po zachodzie słońca warstwa D szybko zanika i tłumienie ustaje . W obszarach gdzie stacje są odbierane za pomocą fali przyziemnej i jonosferycznej powstają zaniki.
2.3. Zaniki fali QSB.
Przy propagacji jonosferycznej rzadko zdarza się, aby fala przechodząca do odbiornika miała stałe natężenie pola. Przeważnie jest ono zmienne, co spowodowane jest zmiennością stanu jonosfery i atmosfery. Stosunkowo szybko następujące zmiany natężenia pola odbieranej fali stanowią dodatkowe utrudnienia przy odbiorze. Trwają one od kilku minut do pojedynczych sekund. Rozróżniamy następujące rodzaje zaników (fadingu).
2.3.1. Zaniki interferencyjne;
występują gdy do odbiornika dochodzi fala z danego nadajnika kilku różnymi drogami, różniącymi się nieco długością. Na przykład fala przyziemna i jonosferyczna. Dzięki fluktuacjom w jonosferze długość dróg fali będzie zmieniała się. W wyniku zmian długości drogi fali, sygnał odbierany jest sumą sygnałów o zmiennym natężeniu i fazach. Gdy dwa lub więcej sygnałów dochodzi do anteny odbiorczej w tej samej fazie, wypadkowy sygnał będzie się wzmacniał . Sygnały przechodzące w fazach przeciwnych znoszą się nawzajem i wypadkowy sygnał spada do zera. Zmiany drogi fali mogą być powolne . Wtedy mamy powolne wahania sygnału (QSB) . Mogą też być bardzo szybkie (tzw. flutter), przerywający odbiór tak że jest on nieczytelny.
2.3 2. Zaniki selektywne;
Pewna odmianą interferencji sa zaniki selektywne .Wystepują one dla bardzo bliskich sobie częstotliwości. Dotyczy to na przykład wstęg bocznych nadajników AM . Przy wystąpieniu przesunięcia fazy jednej wstęgi bocznej AM względem drugiej i nośnej ,sygnał odbierany nawet z wielką siłą jest zniekształcony lub zupełnie nieczytelny.
2.3.3. Zaniki polaryzacyjne, będące wynikiem ciągłej zmiany polaryzacji fali odbitej od jonosfery. Podobnie jak w poprzednim przypadku sygnały w antenie odbiorczej znacznie się zmieniają.
2.3.4. Absorpcja jonosferyczna. Warstwa zjonizowana, oprócz odbijania fal, pochłania również część energii. To powoduje, że natężenie pola fali radiowej maleje po przejściu fali przez jonosferę. Im wyższa częstotliwość tym absorpcja jest mniejsza .Absorpcja w paśmie 28 MHz jest 4 razy mniejsza od absorpcji na 14 MHz. Gdy oba pasma są czynne na danej trasie, dla uzyskania takiego samego natężenia pola, moc nadajnika na 14 MHz powinna być 4 krotnie wyższa.
Ponieważ absorpcja zależy od jonizacji górnych warstw atmosfery, wartość jej zależy od pory dnia, roku, położenia geograficznego i aktywności słonecznej. Absorpcja jest większa latem niż zimą i większa na równiku a mniejsza w okolicach podbiegunowych. Najsilniejszą absorpcją odznacza się warstwa D, zwłaszcza zaraz po południu. W latach małej aktywności słonecznej, przy małej jonizacji, absorpcja w dzień osiąga wartości minimalne. Większe spadki absorpcji występują na niższych częstotliwościach ,na dolnych pasmach amatorskich ( 1,6 ,3,5 i 7 MHz).

3. Właściwości propagacji na poszczególnych pasmach amatorskich KF

Wszystkie opisane powyżej zjawiska mają wpływ na prowadzenie łączności na krótkofalowych pasmach amatorskich. Pasma te umieszczone są w widmie fal krótkich i rozciągają się począwszy od pasma 160 metrów do 10 metrów . Ta rozpiętość powoduje że własności propagacyjne poszczególnych pasm amatorskich bardzo się różnią.
3.1. Pasmo 10 m (28,0—29,7 MHz; 10,71—10,10 m.). Wysokie częstotliwości tego pasma powodują, że pasmo 10 m jest bardzo podatne na zmiany propagacji, spowodowane zmianami aktywności słonecznej. W czasie dużej aktywności słońca pasmo 10 m jest najlepszym pasmem amatorskim. Duża strefa martwa i małe tłumienie jonosferyczne umożliwia bardzo dalekie łączności nadajnikami małej mocy. Wielka szerokość pasma umożliwia pracę wielu stacji. Duża strefa martwa (2000-4000 km) uniemożliwia słyszalność blisko położonych stacji, obniżając poziom zakłóceń od sąsiednich stacji. Fala przyziemna jest bardzo tłumiona i nie przekracza kilkunastu kilometrów. W okresie zimy występuje słyszalność sygnałów z odległości 1000—2000 km (short skip). Najlepsze warunki propagacyjne występują w miesiącach letnich i w czasie maksimum aktywności słonecznej. Pasmo 10 m czynne jest dla tras, które leżą w strefie oświetlonej przez słońce. Dlatego też po wschodzie słońca słychać najpierw stacje wschodnie ,potem sygnały stacji z kierunku zachodniego. Po zachodzie słońca pasmo milknie. Zakłócenia burzowe ( QRM ) nie występują.
W latach o małej aktywności słońca pasmo 10 m jest zupełnie martwe. Czasem w miesiącach letnich gdy występuje warstwa sporadyczna Es możliwe są krótkotrwałe łączności na odległości do 2000 km.

3.2. Pasmo 12 m (24,890 – 24,990 ; 12,053 – 12,004 m. ).
W czasie dużej aktywności słońca pasmo 12 m jest podobnie jak 10 m najlepszym pasmem do dalekich łaczności w porze dziennej. Duża strefa martwa i małe tłumienie jonosferyczne umożliwia bardzo dalekie łączności nadajnikami małej mocy. Szerokość pasma umożliwia tylko pracę telegrafią i emisjami cyfrowymi. Duża strefa martwa obniża poziom zakłóceń od sąsiednich stacji. W okresie zimy występuje słyszalność sygnałów z odległości 1000—2000 km (short skip). Najlepsze warunki propagacyjne występują w miesiącach letnich i w czasie maksimum aktywności słonecznej.
Pasmo 12 m czynne jest dla tras, które leżą w strefie oświetlonej przez słońce. Po zachodzie słońca pasmo milknie. Zakłócenia burzowe ( QRM ) nie występują.
W latach o małej aktywności słońca pasmo 12 m jest zupełnie martwe. Czasem gdy występuje Es możliwe są krótkotrwałe łączności na większe odległości.

3.3. Pasmo 15 m (21,0—21,45 MHz; 14,28—13,98 m.).
Zależność propagacji na tym paśmie od zmian aktywności słońca jest bardzo duża i przypomina pasma 12 m i 10 m. W latach o dużej aktywności słońca pasmo 15 m służy do łączności dx-owych latem w czasie godzin dziennych, od południa do wczesnych godzin wieczornych .Na niektórych trasach może wystąpić propagacja w ciągu nocy. W czasie małej aktywności słońca pasmo zamiera , lecz przy wystąpieniu warstwy sporadycznej Es, możliwa jest łączności na odległości od kilkuset do 2000 km w godzinach dziennych.

3.4. Pasmo 17 m. (18,068 – 18,168 ; 16,60 – 16,51 m. ).
Propagacji na tym paśmie również silnie zależy od aktywności słońca. W latach o dużej aktywności słońca pasmo 17 m służy do łączności z wszystkimi kontynentami w czasie godzin dziennych . a także czasami w godzinach nocnych na niektórych trasach . W czasie małej aktywności słońca pasmo zamiera , lecz przy wystąpieniu warstwy sporadycznej Es, możliwa jest łączności na odległości od kilkuset do 2000 km w godzinach dziennych. Zakłócenia atmosferyczne są niewielkie.

3.5.Pasmo 20 m (14,0—14,35 MHz; 21,4—20,9 m.).
Jest to najpopularniejsze pasmo dla dalekich łączności zarówno przy dużej, jak i przy małej aktywności słońca. W latach o dużej aktywności słońca pasmo 20 m jest najlepszym pasmem do łączności dx-owych w godzinach dziennych i nocnych przez cały rok. Warunki dx-owe rozpoczynają się w późnych godzinach popołudniowych, a kończą się po wschodzie słońca. W dzień słyszalne są dobrze stacje europejskie. Strefia martwa wynosi 600-1000 km. W czasie małej aktywności słońca pasmo 20 m używane jest do łączności dx-owych w ciągu dnia i popołudniu . W godzinach nocnych pasmo zamiera.
Przy małej aktywności słońca w zimie ,pasmo otwiera się wkrótce po wschodzie słońca, a cichnie wkrótce po jego zachodzie. W tym czasie możliwe są łączności ze wszystkimi kontynentami. Siła sygnałów jest czasami bardzo duża, lecz dobra propagacja trwa krótko, czasem tylko godzinę. Jednocześnie z dalekimi stacjami słyszalne są stacje europejskie .
W jesieni i na wiosnę warunki występują dłużej niż zimą, lecz sygnały są znacznie słabsze. Warunki letnie charakteryzują się znacznym wzrostem poziomu zakłóceń atmosferycznych .

3.6. Pasmo 3o m ( 10,100 – 10,150 ; 29,70 – 29,55 m.).
Jest to pasmo łączące właściwości pasma 20 m i 40 metrowego. W czasie małej aktywności słońca pasmo zastępuje nieczynne 10 m , 12 m , 17 m i 20 m. Nadaje się do dalekich łączności zarówno przy dużej, jak i przy małej aktywności słońca. W latach o dużej aktywności słońca pasmo 30 m jest pasmem do łączności dx-owych w godzinach dziennych i nocnych przez cały rok Tłumienie dzienne sygnałów przez warstwę D jest niewielkie. Przy małej aktywności słońca ,pasmo otwiera się w dzień , po wschodzie słońca, a cichnie po jego zachodzie. W tym czasie możliwe są łączności ze wszystkimi kontynentami. Poziom zakłóceń atmosferycznych jest znaczny. Pasmo jest wąskie i przeznaczone do łączności telegraficznych i emisji cyfrowych.

3.7.Pasmo 40 m (7,0—7,2 MHz; 42,85—41,66 m.).
W warunkach dużej aktywności słonecznej pasmo 40 m umożliwia łączności dx-owe w godzinach wieczornych, lecz sygnały są słabe z powodu dużej absorpcji tych częstotliwości . W dzień słyszalne są bliskie stacje europejskie. W miarę spadku aktywności słońca absorpcja fal zakresu 40 m maleje i sygnały przychodzące są odpowiednio silniejsze. W latach o małej aktywności słońca, pasmo to jest najlepszym pasmem dx-owym w godzinach nocnych, zachowując się wtedy podobnie do pasma 20 m w latach o dużej aktywności. Latem, pomimo dużego poziomu zakłóceń atmosferycznych, łączności dx-owe są możliwe poczynając od kilku godzin po zachodzie słońca do czasu wkrótce po wschodzie słońca. W godzinach popołudniowych występują czasem warunki, umożliwiające przeprowadzanie łączności na odległości do 4000 kilometrów.
Zimą możliwe są warunki dx-owe również w późnych godzinach popołudniowych, przez całą noc aż do wschodu słońca. Występują często bardzo silne sygnały oddalonych stacji dx-owych, wraz z sygnałami stacji odległych od 2 do 5 tysięcy kilometrów. W dzień, ze względu na bardzo silną absorpcję warstwą D, zasięg rzadko przekracza 1000 kilometrów.

3.8. Pasmo 80 m (3,5-3,8 MHz; 85,71-78,94 m.).
Jest to najbardziej popularne pasmo dla łączności krajowych. Dobra propagacja występuje wczesnym rankiem i popołudniu , a na Europę i dx nocą. W ciągu dnia zasięgi są małe ze względu na silne pochłanianie sygnałów przez warstwę D. Przeciętny zasięg dzienny stacji w lecie nie przekracza 50 km. W zimie i przy niskiej aktywności słońca może dochodzić do 400 km. W czasie niskiej aktywności słonecznej pasmo 80 m umożliwia dalekie łączności w godzinach nocnych . Latem zasięg nocny jest rzędu 4000 km. W okresie letnim pasmo to charakteryzuje się bardzo dużym poziomem zakłóceń atmosferycznych. Zimą warunki polepszają się wydatnie, maleje poziom zakłóceń atmosferycznych i tłumienie warstwy D. Szczególnie dogodne warunki występują nad ranem , przed wschodem słońca, wtedy tez możliwe są łączności międzykontynentalne. Trudność pracy w tym paśmie polega także na dużej ilości stacji pracujących i wzajemnie sobie przeszkadzających. Problemem są też anteny które mają już dla tego pasma znaczne wymiary (40m) . Są to najczęściej anteny drutowe i nie wysoko zawieszone . Ich kąt promieniowania jest duży , co nie sprzyja Dx –om .Anteny kierunkowe na to pasmo należą do rzadkości.

3.9. Pasmo 160 m ( 1,810 – 1,980 MHz ; 165,74- 151,51 m. ).
Pasmo to leży na pograniczu fal krótkich i średnich . Pasmo to ma swoich ulubieńców. Praktycznie może być używane tylko w godzinach nocnych . W dzień tłumienie spowodowane warstwa D jest tak duże że możliwa jest łączność wyłącznie na fali przyziemnej na niewielkie odległości. W godzinach nocnych przy małej aktywności słońca pasmo otwiera się i umożliwia dalekie łączności . W lecie poziom zakłóceń atmosferycznych jest bardzo duży. Dogodne warunki występują zimą kiedy poziom zakłóceń atmosferycznych spada oraz maleje tłumienie warstwy D.
Pasmo to w latach niskiej aktywności słonecznej jest miejscem wielu eksperymentów przy nawiązywaniu dalekich łączności . Dotyczy to również eksperymentów antenowych zarówno z antenami nadawczymi jak i odbiorczymi.

4.0. Metody badania jonosfery i obliczanie zasięgów stacji na falach krótkich.

Prowadzenie łączności na falach krótkich spowodowało konieczność opracowywanie metod badania aktualnego stanu jonosfery i sporządzania prognoz propagacyjnych . Obecnie po 80 latach eksploatowania fal krótkich zostały dokładnie opisane i pomierzone sposoby rozchodzenia tych fal.
Poprzez stale pracujące stacje sondowania jonosfery impulsami radiowymi określa się maksymalną częstotliwość przy której fala radiowa zostaje odbita w kierunku powierzchni ziemi . Jest to maksymalna częstotliwość f c . Sondowanie odbywa się w pionie i z czasu powrotu impulsów sondujących możemy określić która warstwa jonosfery jest aktywna . Określenie f c jest tylko wskazówką do dalszych obliczeń Określenie MUF.(maksymalna częstotliwość użyteczna). zależy od kąta pod jakim fala wchodzi w warstwę jonosfery . Im kąt ten jest mniejszy tym wyższa jest MUF dla kąta 30 st. MUF jest 2 razy wyższy niż fc. Dla fc =3,5 MHz MUF wynosi 7 MHz .Dlatego ważne jest by kąty promieniowania anteny były małe. Jednocześnie im ten kąt jest mniejszy tym dalej padnie fala odbita od jonosfery . Dlatego zasięg stacji tak bardzo zależy od kata promieniowania anteny . Według tabel dla kąta 5 st . pierwszy skok wynosi przy odbiciu od warstwy E 1400 km. a przy warstwie F2 3010 km , przy kącie 20 stopni tylko przy E 540 km., a przy odbiciu od F2 1475 km. Wielokrotne odbicia dają większe zasięgi ale wprowadzają większe tłumienie. Ponieważ wraz z obniżaniem częstotliwości rośnie tłumienie fal propagacja ograniczona jest od dołu częstotliwością LUF ( najniższa użyteczna częstotliwość ) . Wynika ona z aktualnej absorpcji fal głównie przez warstwę D , i rośnie wraz z jonizacją . Użyteczny zakres pracy zawiera się pomiędzy MUF i LUF.

4.1.Obliczanie możliwych zasięgów stacji.
Obecnie pomierzone są tłumienia na poszczególnych trasach propagacyjnych i według nich możemy obliczyć jakie kąty promieniowania , jakie moce nadajnika i jaka czułość odbiornika jest potrzebna do nawiązania łączności .

4.2. Czułość odbiornika .
Czułość odbiornika wyrażana jest jako minimalne napięcie sygnału na wejściu antenowym która daje czytelny sygnał na wyjściu odbiornika . Przy zdefiniowanej oporności wejściowej odbiornika wynoszącej 50 om możemy podawać poziom sygnału jako moc w dBm ( decybel na miliwat) ,co odpowiada mocy sygnału . Daje to uproszczenie obliczeń które z reguły prowadzimy posługując się mocami . Wyrażona w watach moc może być przeliczone na wartość napięcia na wejściu odbiornika..
I tak ;
Moc szumów P = k x T x B ( Hz ,W ) k stała Boltzmana = 1.38 x 10 do – 23
Stąd
P = 1.38 x 290 x 1 Hz x 10 do-23 = 4.002 x 10 – 21 W. = 4.002 x 10 do -18 mW
w dBm
P = 10 log 4.002 x 10 do -18 mW = – 174 dBm
Napięcie U na oporności R obliczamy U= √ P x R ( W , Om ).
Wyjściowa wartość szumów przy paśmie 1Hz wynosi – 174 dBm temperatura 290 K
( -273 + 290 = +17 st C ) , pasmo 1Hz.
Dobry odbiornik szumy własne ma na poziomie pomiędzy 6dB a 15 dB .Przyjmijmy że nasz ma 9,4 dB
Przy określonym paśmie dodajemy
Pasmo 100 Hz. CW dB =10log 100 = 20
Pasmo 2300Hz SSB dB =10log 2300= 33,6
Dla dobrego odbioru odstęp sygnału od szumów wynosi od 6 dB dla telegrafii i RTTY a 10 dB dla fonii.
Odstęp sygnał szum CW 6 dB
Odstęp sygnał szum SSB 10dB
Poziom szumów odbiornika :
Dla CW -174 dBm + 20dB + 9,4 dB = – 144,6 dBm = – 174,6 dBW.
Dla SSB -174 dBm + 33,6dB + 9,4 dB = – 131 dBm = – 161 dBW.
Przeliczając na napięcie jest to dla CW 1,3 nV, a dla SSB 63 nV.
Dla odbioru sygnału z należytym odstępem sygnał / szum , wartość sygnału na wejściu odbiornika musi wynosić
Dla CW.
-144,6dBm + 6 dB = -138,6 dBm = – 168,6 dBW co odpowiada 2,6 nV = 0,026 uV,
dla SSB
-131 dBm + 10 dB = – 121 dBm = -151 dBW co odpowiada 119nV = 0,119 uV.

Widać więc że emisja CW jest o 17,6 dB lepsza od SSB .
Dla przypomnienia skala „S” dla KF SSB, rozpoczyna się od S=1 dla poziomu 0.2 uV. Ta wartość w pełni odpowiada dzisiejszym możliwościom technicznym. Każde dwu krotne zwiększenie napięcia ,odpowiada powiększeniu na skali o 1 „S” aż do „S 9”gdzie sygnał dochodzi do 50 uV, na 50 omach., czyli poziomu – 73 dBm . Dalsze powiększanie sygnału określane jest w skali po 10 dB ,co dla raportu „ S-9 + 40 dB” oznacza poziom -33 dBm, czyli napięcie na wejściu 5 mV. Takie napięcie może być wywołane w antenie odbiorczej w przypadku pracy bliskiego nadajnika lub dużym poziomem zakłóceń technicznych.

4.3. Szumy anteny i zewnętrzne .

Na szumy zewnętrzne składa się szum cieplny anteny i szumy kosmiczne które na falach krótkich nie odgrywają żadnej roli. Szumy atmosferyczne zawierają się w przedziale od 35 dB do 70 dB . w stosunku do 290 K. Dla pasm najniższych są największe i w porze dziennej osiągają 40 dB , a w nocy rosną do poziomu 70 dB. Największym jednak szumem jest szum od urządzeń technicznych który znacznie przewyższa wszystkie poprzednio wymienione.
Szumy techniczne są na poziomie powyżej 65 dB dla niższych częstotliwości i spadają wraz ze wzrostem częstotliwości do poziomu 35 dB. Mówimy tu o strefie dobrego odbioru. W miastach poziom jest znacznie większy. Gdy przeliczymy to na napięcie na wejściu odbiornika to mamy dla ;
2 MHz odbiornik pasmo 2300Hz (SSB) szum techniczny 65 dB
na wejściu -174 dBm + 33,6dB +65 dB = – 75,4 dBm co odpowiada 38 uV na 50 om.
Dla 30 MHz odbiornik jak wyżej szum techniczny 35 dB
Na wejściu -174 dBm +33,6 dB + 35 dB = – 105,4 dBm co odpowiada 1,2 uV na 50 om.

Szumy techniczne znacznie przewyższają szumy własne odbiornika i to one ograniczają możliwości odbioru słabych stacji. Mówimy tu o poziomie średnim szumów technicznych . W dużych miastach są one większe i osiągają wartości powyżej 80 dB. Oznacza to że na wejściu odbiornika SSB mamy:
-174dBm +33,6+ 80 = – 60.4 dBm to jest 213 uV. co odpowiada S 9 + 12 .6 dB.

4.4 . Tłumienie tras propagacyjnych.

Badania przeprowadzone przez Collins Radio Company i ITU pozwoliły na opracowanie odpowiednich tabel wyznaczających tłumienia fal jonosferycznych . Zależą one od ilości odbić od jonosfery i ziemi . Przy dalekich łącznościach mamy doczynienia z wielokrotnymi odbiciami na interesującej nas trasie . Należy pamiętać że odległość jednego skoku zależy od kąta pod jakim energia jest wypromieniowywana przez antenę . Im ten kąt jest mniejszy tym skok jest większy. Dla warstwy odbijającej F na wysokości 400 km w dzień ,przy kącie 5 stopni pierwszy skok wynosi 3500 km a przy kącie 20 stopni tylko 1700 km. Z kolei małe kąty promieniowania są trudne do osiągnięcia ,szczególnie na dolnych pasmach ,bo mamy ograniczone możliwości zawieszania anten wysoko . Im antena wisi wyżej tym kąt promieniowania jest mniejszy. Każdy skok ,czyli każde odbicie pochłania część energii. Tłumienie jednego skoku na odległość 2500 km wynosi 68 dB , 2 skoków na odległość 4000 km 86 dB , 3 skoków na odległość 7000 km 102 dB , 4 skoków 117 dB a 7 skoków na odległość 12 000 km 156 dB.

4.5. Bilans łącza.

Uwzględniając powyższe parametry możemy obliczyć jaka potrzebna jest moc i jaki odbiornik by zapewnić łączność. Pasmo 28 MHz.
Odległość 12 000 km , kąt promieniowania 12 stopni, 7 skoków od warstwy F
Moc nadajnika SSB 100 W = + 20 dBW = + 50 dBm
Tłumienie trasy wg wykresu 156 dB
Sygnał po przejściu 50 dBm – 156 dB = – 106 dBm
Nasz odbiornik SSB
Dla 28 MHz szum techniczny 35 dB
Na wejściu -174 dBm +33,6 dB + 35 dB = – 105,4 dBm co odpowiada 1,2 uV na 50 om. (S3).

Sygnał odbierany jest o 0,6 dB mniejszy i .wynosi 1.12 uV . Będzie jeszcze czytelny ale bardzo słaby , na granicy szumów technicznych .
Rozpatrzmy teraz tą samą trasę przy kącie promieniowania anteny 5 stopni.
Pasmo 28 MHz.
Odległość 12 000 km , kąt promieniowania 5 stopni, 5 skoków od warstwy F
Moc nadajnika SSB 100 W = + 20 dBW = + 50 dBm
Tłumienie trasy według wykresu 126 dB
Sygnał po przejściu 50 dBm – 126 dB = – 76 dBm to jest 35.4 uV na 50 om.
Nasz odbiornik SSB
Dla 28 MHz szum techniczny 35 dB
Na wejściu -174 dBm +33,6 dB + 35 dB = – 105,4 dBm co odpowiada 1,2 uV na 50 om. ( S 3)
Sygnał przychodzący jest większy od poziomu szumów odbiornika o 29,4 dB.
Oznacza to że możemy w tym wypadku obniżyć moc nadajnika o 30 dB do poziomu 20 dBm i uzyskamy wtedy taki sam poziom sygnału jak w poprzednim przypadku +20dBm -126 dB = – 106 dBm. 20 dBm to moc równa 100 mW lub 0.1 W. widać więc że zmniejszanie kąta promieniowania ma olbrzymi wpływ na moc sygnału odbieranego . Zmniejsza się ilość skoków na trasie a zarazem znacznie spada tłumienie sygnału. Moc nadajnika może być znacznie zmniejszona .

Rozpatrzmy teraz tą samą trasę ale przy zastosowaniu pasma 3,5 MHz 80 metrów.

Pasmo 3,5 MHz.
Odległość 12 000 km , kąt promieniowania 15 stopni, 7 skoków od warstwy F w nocy.
Moc nadajnika SSB 100 W = + 20 dBW = + 50 dBm
Tłumienie trasy wg wykresu 160 dB
Sygnał po przejściu 50 dBm – 160 dB = – 110 dBm

Nasz odbiornik SSB
Dla 3.5 MHz szum techniczny 65 dB
Na wejściu -174 dBm +33,6 dB + 65 dB = – 75,4 dBm co odpowiada 38 uV na 50 om. (S6).
Sygnał odbierany jest przy tej mocy nadajnika o 34.6 dB za mały . Należy więc podnieść moc nadajnika o 34.6 dB czyli 2884 razy do poziomu 100 W x 2884 = 288400 W czyli 288 kW. To trochę dużo.

Jak więc jest możliwe nawiązywanie łączności w tym paśmie na takie odległości . Po pierwsze jeżeli w punkcie odbioru zmniejszą się zakłócenia techniczne o 10 dB co może się zdarzyć przy odpowiednim zlokalizowaniu stacji i zastosowaniu anteny odbiorczej kierunkowej powiedzmy o zysku 6 dB np. 200 metrowy Beverage zyskamy 16 dB po stronie odbiorczej. Da nam to możliwość odbioru na poziomie – 75,4 – 16 = – 91.4 dBm. Jeżeli dodatkowo na wskutek dobrej propagacji , silnego zjonizowania warstwy F ,odpowiedniej pory nadawania, spadnie tłumienie trasy o 10 dB z 160 dB do 150 dB , to sygnał w punkcie odbioru wyniesie +50 dB – 150 dBm = -100 dBm . Jeżeli wtedy podniesiemy moc nadajnika o brakujące 8.6 dB czyli 7.3 raza , czyli do 730 W to łączność będzie możliwa . Wahania tłumienia trasy w granicach 10 dB są często spotykane i objawiają się jako QSB. Tak więc łączności w tym paśmie są możliwe ,ale nie zawsze i na tym polega cały smak krótkofalarstwa.

Porównując pasma krótkofalowe widać jasno że im wyższa częstotliwość i mniejszy kąt promieniowania anteny tym łatwiej jest osiągnąć dalekie połączenia i to nawet przy bardzo małych mocach. Na przeszkodzie stoją jednak okresowe zmiany aktywności słonecznej, zmiany zjonizowania jonosfery zależne od pory roku i dnia. Dlatego wyższe pasma są często niedostępne i propagacja na nich zanika . Należy więc bacznie obserwować wszelkie zjawiska a przede wszystkim prowadzić nasłuchy , a obecnie także szukać w Internecie odpowiednich prognoz propagacyjnych . Następną sprawą jest stosowanie do łączności bardziej wydajnych rodzajów emisji Praca na telegrafii daje zysk w stosunku do SSB o około 17 dB. Wynika to z zawężenia pasma odbiornika do 100 Hz i mniejszego wymaganego stosunku sygnał szum przy telegrafii. Wartość 17 dB może mieć istotny wpływ na możliwość nawiązania łączności, szczególnie na niższych pasmach. Podobnie jest z emisją RTTY i PSK które są bardziej odporne na zakłócenia i stosują węższe pasma odbiorcze.

Kraków listopad 2011 r.

Spis literatury:
1. Lisicki Wacław Propagacja fal radiowych WKŁ 1962
2 Kossobudzki Ładno Konwiński Podręcznik radiooperatora krótkofalowca WKŁ 1967
3. Gerzelka Funkfernverkherssysteme In Design und Schaltungstechnik Francis
4. Bieńkowski Lipiński Anteny KF i UKF WKŁ 1978
5. Rothammel Antennen Buch 12 Auflage
6 .ITU Rec P 533-5 rekomendacje.