Odată cu creșterea din ultimii ani a dotării radioamatorilor cu echipamente de emisie-recepție și cu aparatură de măsură pentru banda de 24 GHz, a crescut proporțional și interesul pentru cunoașterea particularităților propagării undelor radio în această bandă, condiție foarte importantă pentru efectuarea cu succes a QSO-urilor.
Estimez că în prezent în YO sunt operaționale în jur de 10 setup-uri de 24 GHz. În plus, din corespondența cu radioamatorii polonezi, furnizori principali de echipamente recuperate din stații profesionale de microunde, a rezultat că radioamatorii români au achiziționat în ultimii 3 ani în jur de 70 module WAVELAB 23X1008XP și XN, module care stau la baza transverterului de succes pentru 24 GHz proiectat de YO4HFU, Robert. Ca român, nu pot să fiu decât foarte mândru că un radioamator din YO este în spatele acestui proiect, apreciat atât în România cât și pe plan internațional. Activitatea de reverse-engineering, reproiectarea oscilatorului local pentru schimbarea de frecvență corespunzătoare lucrului pe frecvența 24.048 GHz utilizată de radioamatorii din Regiunea 1 IARU, proiectarea modulului de comandă și a surselor de alimentare, sunt prezentate cu onestitate și transparență pe pagina WEB a lui Robert: https://www.qsl.net/yo4hfu/Link_23GHz.html[1] . În afară de această pagină, Internetul abundă de informații și articole despre acest proiect, multe dintre ele menționând rolul și contribuția lui YO4HFU.
În cadrul acestei lucrări o să încerc să prezint câteva informații teoretice rezultate din documentarea privind propagarea undelor radio din această bandă și o să sintetizez statistica QSO-urilor reușite în 24 GHz, confirmate și validate de concursurile IARU sau similare. De asemenea, o să prezint o colecție de teste și legături radio, din care se vor putea trage concluzii despre posibilitățile de a efectua QSO-uri interesante în această bandă.
Propagarea undelor radio în banda de 24 GHz
Pentru a pune în context rolul propagării undelor radio în reușita unui QSO, este util să amintim modelul clasic al unui canal radio:
Puterea care ajunge la intrarea în receptor sau la intrarea în preamplificatorul de antenă, este dată de ecuația clasică a canalului radio:
Formula poate fi utilizată cu două seturi diferite de unități de măsură, rezultatele fiind echivalente. În varianta de mai sus, PR și PT sunt în Wați iar atenuările, pierderile și câștigurile sunt în raport numeric. Uneori este mai sugestiv să exprimăm PR și PT în dBm, caz în care toate atenuările câștigurile și pierderile se exprimă în dB, iar factorii formulei se transformă în termeni, adică:
Propagarea determină atenuarea semnalului radio între cele două antene, respectiv LS – pierderea din cauza dispersării spațiale a undelor electromagnetice, la care se adună LA – atenuarea atmosferica. Restul atenuărilor și câștigurilor din canalul radio sunt corelate cu performanțele și arhitectura echipamentelor.
Atenuarea dintre antena de emisie și cea de recepție din cauza dispersiei spațiale a undelor electromagnetice poate fi determinată în mod analitic cu ajutorul următoarei ecuații:
Această pierdere, exprimată prin LS, rezultă din faptul că întreaga energie de emisie furnizată de iluminatorul antenei tinde să se disperseze prin radiație pe suprafața unei sfere de rază r. Această formulă este suficientă doar în cazul în care între stația de emisie și cea de recepție este vizibilitate directă. În cazul în care între emițător și receptor sunt obstacole gen: munți, clădiri, curbura pământului, copaci, păduri, vegetație, etc., atunci atenuarea este mai mare iar modelarea propagării se face diferențiat, pe segmente, funcție de tipul reflexiei, refracției sau curbării în gradient pe care mizăm pentru efectuarea QSO-ului.
Formula de calcul pentru LS poate fi exprimată și funcție de frecvența undei, iar dacă folosim ca unitate de măsură decibelii, formula de mai sus devine:
Figura 1. Atenuarea microundelor din cauza dispersiei spațiale[2]
Graficul de mai sus poate fi util în mai multe feluri. Poate contribui la proiectarea unei direcții radio prin dimensionarea echipamentelor tehnice care să permită o legătură radio stabilă. În altă abordare, dacă am ajuns la ODX-ul potențial pentru o anumită dotare, putem dimensiona îmbunătățirea minimă necesară pentru a atinge un nou ODX. De exemplu, pentru trecerea de la 100 la 200 de kilometri, în condițiile în care nu se pierde vizibilitatea directă, trebuie să mai mărim puterea de emisie cu 10 dB, adică de 10 ori. În situația când la echipamentul anterior am avut LNA de calitate, adică nu mai putem câștiga aici, această îmbunătățire o putem obține numai din mărirea puterii de emisie sau/și mărirea câștigurilor antenelor de emisie și recepție.
La atenuarea cauzată de dispersia spațială, prezentată mai sus, se adaugă atenuarea determinată de compoziția atmosferei: absorbția vaporilor de apă, absorbția oxigenului din aer, atenuarea dată de picăturile de ploaie, etc.
Graficul din figura următoare descrie atenuarea microundelor cauzată de vaporii de apă, adică de umiditate, și de oxigenul din aer.
Figura 2. Atenuarea microundelor din cauza componenței atmosferei[2]
Rezonanța moleculelor de apă produce primul maxim de atenuare foarte aproape de 24,048 GHz, frecvență de lucru pentru radioamatori. De asemenea, deși oxigenul rezonează pe frecvența de aproximativ 60 GHz, atenuarea pe flancurile laterale produce efecte și la 24 GHz.
Din același grafic se mai poate observa că deși modelul curbei de atenuare se conservă, nivelele de atenuare depind de umiditate, de presiunea atmosferică și de temperatură. Umiditatea este aici exprimată prin cantitatea de vapori de apă conținută într-un eșantion unitar de aer, 7,5 grame vapori de apă pe metru cub pentru curba A și 1 gram vapori de apă pe metrul cub pentru curba B. Aparatele de măsură comerciale și prognozele meteo oferă de obicei valori relative ale umidității, exprimate în procente din valorile de saturație, de exemplu 70%.
Mai concret, se poate observa că funcție de temperatură, presiune atmosferică și umiditate, atmosfera introduce o atenuare suplimentară pentru undele cu frecvența de 24 GHz care poate varia între 2,5 și 17 dB la suta de kilometri, efect care nu poate fi neglijat. Rezultă clar că iubitorii de DX-uri trebuie să prefere o atmosferă uscată, cu umiditatea cât mai mică, fără ceață și așa cum se va vedea în următorul grafic, fără ploaie.
Graficul următor reprezintă valorile atenuări microundelor pe porțiunea în care străbat o zonă cu ploaie. Datele sunt determinate prin utilizarea unor sonde de măsură iar curbele multiple corespund la intensități diferite ale ploii, de la ploaie ușoară, 1,25 mm precipitații pe oră, până la ploaie intensă, 150 mm pe oră. Funcție de intensitatea ploii, atenuarea suplimentară la 24 GHz poate varia de la 0,2 dB pe kilometru până la peste 20 de dB pe kilometru. Rezultă foarte clar că pasionații de legături în 24 GHz nu prea au cum să se bucure de ploaie pe timpul legăturii. Pe lângă disconfortul instalării antenelor pe ploaie și pericolul de distrugere a echipamentelor insuficient ermetizate, ploaia intensă poate ruina șansa efectuării cu succes a legăturii prin atenuarea suplimentară pe care o aduce canalului radio.
Figura 3. Atenuarea microundelor la traversarea zonelor cu ploaie[2]
Partea bună este totuși că atenuarea din graficul de mai sus nu intervine pe toată distanța dintre corespondenți, ci strict și ponderat pe zona în care plouă.
Propagarea microundelor între două locații atunci când nu avem vizibilitate directă, adică între cele două puncte avem obstacole, este foarte dificil de tratat și se face de la caz la caz. Ea nu poate fi ignorată pentru că în multe situații se constată posibilități de legătură chiar dacă nu există vizibilitate directă. O analiză superficială poate conduce la eșuarea efectuării legăturii. Explicația rezultă din reflexii si refracții, simple, multiple sau graduale, care sunt la fel de greu de modelat ca și modelarea ecranării undelor electromagnetice. Literatura de specialitate prezintă unele abordări particulare în acest sens, cum ar fi evaluarea penetrării microundelor a unei zone cu vegetație înaltă înfrunzită exprimată prin următoarea formulă empirică:
Formula este acceptabilă pentru perdele de vegetație cu grosimea până la 400 de metri, deci r≤ 400.
De exemplu, pentru r egal cu 10 metri, care ar corespunde la un copac mare sau două rânduri de copaci mai mici, unda cu frecvența de 24 GHz ar pierde la penetrarea acestui obstacol aproximativ 16 dB, valoare care nu poate fi neglijabilă.
Rezultate practice din traficul radio în banda de 24 GHz
Pentru documentarea privind legăturile radio reușite în banda de radioamatori de 24 GHz am analizat mai întâi rezultatele din ultimii ani din concursurile organizate de cea mai de încredere organizație în domeniu, International Amateur Radio Union (IARU) [3] - [14]. În tabelul următor am selectat o parte din legături, funcție de datele și timpul avute la dispoziție, încercând să surprind în afară de autori QSO-urilor, principalele date tehnice: puteri de emisie, antene folosite, altitudinea locațiilor – ASL, distanța pe care s-a reușit legătura. Pentru fiecare legătură se precizează sursa datelor, cu o trimitere la bibliografie unde se poate identifica și verifica denumirea concursului, data de desfășurare și link-ul de accesare a rezultatelor publicate pe pagina WEB oficială a IARU.
Tabelul de mai sus prezintă o selecție de QSO-uri verificate în concursurile IARU. Legături spectaculoase în banda de 24 GHz au fost înscrise în mult mai multe concursuri locale, regionale și internaționale de prestigiu. De asemenea, există diverse inițiative independente care înregistrează performanțele și recordurile obținute în traficul de radioamatori, indiferent dacă s-a efectuat sau nu în cadrul unui concurs.
De exemplu, asociația VUSHF[16] publică următoarea listă de recorduri ale distanțelor pe care s-au făcut QSO-uri în 24 GHz:
La rândul ei, pagina WEB oficială Asociației Radioamatorilor din America ARRL, actualizează permanent o listă cu recordurile de distanță a legăturilor reușite în fiecare bandă de microunde[15].
Figura 4. ODX-urile record în banda de 24 GHz prezentate de ARRL[15]
În tabelul de mai sus se remarcă realizarea de QSO-uri în banda de 24 GHz până la 543 kilometri, prin propagare troposferică. Se mai poate constata și faptul că legăturile rain scatter și snow scatter sunt posibile și în 24 GHz.
Inițiativa VHF-DX Toplist prezintă și actualizează pe portalul:
http://www.vhf-dx.net
administrat în prezent de DF6NA listele cu cele mai spectaculoase QSO-uri din benzile de de radioamatori: 50 MHz, 70 MHz, 144 MHz, 222 MHz, 432 MHz, 1296 MHz, 2320 MHz, 5760 MHz, 10368 MHz, 24048 MHz, 47 GHz, 76 GHz, 120 GHz, 145 GHz, 241 GHz și LASER.
Ordonarea și filtrarea listelor se poate face dinamic, funcție de QRB, numărul de carouri lucrate, modul de lucru, tipul propagării, etc.
Lista de ODX-urilor în 24 GHz are în prezent 90 de înregistrări iar cele care mi-au atras atenția în mod deosebit sunt prezentate în tabelul următor.
De remarcat că legăturile efectuate în banda de 24 GHz din lista de mai sus, cu un QRB între 320 km și 710 km, au fost înregistrate între anii 2006 și 2024.
Concluzii:
Existența celor aproximativ 10 setup-uri de 24 GHz, operaționale deja în YO, la care se adaugă perspectiva ca din cele aproximativ 70 module WAVELAB 23X1008XP și XN achiziționate să mai fie operaționalizate un număr semnificativ de stații în această bandă, va conduce cu siguranță la intensificarea traficului și la creșterea numărului și lungimii legăturilor.
Un argument încurajator pentru cei care au achiziționa module WAVELAB 23X1008 îl reprezintă și reușita recentă dintre VA3TO și K0SM, care au lucrat din locațiile FN03AN și FN12EU. QSO WAVELAB la WAVELAB, QRB 205 km iar înregistrarea legăturii și alte detalii sunt disponibile la:
https://www.youtube.com/watch?v=ILrpTjuMQlM
Documentarea în vederea determinării performanțele practice care pot fi atinse în banda de 24 GHz a permis, pe lângă obiectivul principal, identificarea unor ”best practices” în domeniu. Exemple cum ar fi cele publicate la:
https://youtu.be/17fSm6Iu0rk
https://youtu.be/pMZggYB_vtw
https://youtu.be/hZM3nwSZlNg
https://youtu.be/0J8DXVbaJDk
https://www.facebook.com/cristian.burcin/posts/pfbid0NuLC3tkBtk3oW3G6F7SQymR8WcBos8z3ipB6BiApeGtw4ogJSWzaqs8LrzMWm3CQl
în care legăturile au fost filmate de ambii corespondenți, chiar dacă regulamentul nu impune acest lucru, sunt edificatoare. Rezultă utilitatea ca printre primele accesorii cu care trebuie dotată stația de microunde să fie o cameră performantă, din clasa GoPro. Poate acest lucru ar trebui să apară cumva și în regulamentele concursurilor.
Bibliografie:
[1] - https://www.qsl.net/yo4hfu/Link_23GHz.html
[2] - FEDERAL COMMUNICATIONS COMMISSION, , Bulletin Number 70 July, 1997, https://transition.fcc.gov/Bureaus/Engineering_Technology/Documents/bulletins/oet70/oet70a.pdf
[3] - 2024 3. Subregional IARU Contest, 2024-07-06/07, https://iaru.oevsv.at/v_upld/prg_resultstable.php?cont_id=61
[4] - 2024 Microwave Subregional IARU Contest, 2024-06-01/02, https://iaru.oevsv.at/v_upld/prg_resultstable.php?cont_id=60
[5] - 2024 2. Subregional IARU Contest, 2024-05-04/05, https://iaru.oevsv.at/v_upld/prg_resultstable.php?cont_id=58
[6] - 2024 1. Subregional IARU Contest, 2024-03-02/03, https://iaru.oevsv.at/v_upld/prg_resultstable.php?cont_id=56
[7] - 2023 IARU Reg. 1 UHF/Microwaves Contest, 2023-10-07/08, https://iaru.oevsv.at/v_upld/prg_resultstable.php?cont_id=54
[8] - 2023 3. Subregional IARU Contest, 2023-07-01/02, https://iaru.oevsv.at/v_upld/prg_resultstable.php?cont_id=51
[9] - 2023 Microwave Subregional IARU Contest, 2023-06-03/04, https://iaru.oevsv.at/v_upld/prg_resultstable.php?cont_id=49
[10] - 2023 2. Subregional IARU Contest, 2023-05-06/07, https://iaru.oevsv.at/v_upld/prg_resultstable.php?cont_id=47
[11] - 2023 1. Subregional IARU Contest, 2023-03-04/05, https://iaru.oevsv.at/v_upld/prg_resultstable.php?cont_id=45
[12] - 2021 IARU R1 UHF/MW Contest, 202-10-02/03, https://iaru.oevsv.at/v_upld/prg_resultstable.php?cont_id=30
[13] - 2020 IARU R1 UHF/MW Contest, 2020-10-03/04, https://iaru.oevsv.at/v_upld/prg_resultstable.php?cont_id=20
[14] - 2019 IARU R1 UHF/MW Contest, 2020-10-03/04, https://iaru.oevsv.at/v_upld/prg_resultstable.php?cont_id=8
[15]- ARRL, https://www.arrl.org/files/file/WA50-Standings/Distance-Records-19-May-2023-Rev.pdf
[16]- https://vushf.dk/vushf/wp-content/plugins/IARU-DxList/ShowQso.php?Call=DL7QY&Band=24,048%20GHz&Propagation=TR&Distance=58
- Gheorghe Ursulean YO3GNF
-