Florin Cretu YO8CRZ

În precedentul articol pe care l-am scris pe tema unghiului optim de radiație la DX, a fost evidențiată importanța câștigului antenei la unghiuri reduse, favorabile pentru lucrul la DX.  A mai fost arătat de asemenea că unghiul de radiație necesar pentru o comunicație între două stații aflate la mare distanță depinde de distanța între stații și înălțimea ionosferei. În mod ideal antena noastră ar trebui să aibă câștigul maxim, exact la unghiul necesar pentru acea  legătură.  

Pentru un circuit dat, unghiul de radiație necesar depinde de înălțimea ionosferei. Înălțimea ionosferei depinde de  activitatea solara, de ciclul zi/noapte, de frecvență si anotimp. În anii cu activitate solară intensă, unghiul de radiate optim crește pentru un circuit radio dat și scade în anii de minim. Nu antena controlează deci unghiul optim necesar pentru un circuit radio dat, ci înălțimea ionosferei.

Unghiurile necesare sunt în general calculate cu diverse programe. Dacă distanța între stații se poate determina ușor, nu  la fel de ușor se determină înalțimea ionosferei, pentru frecvența si  ora dată.

Multe programe de prognoză a propagării folosesc pentru determinarea înălțimii ionosferei fie date statistice, colectate pe parcursul a câtorva cicluri solare, și care sunt de regulă  corelate cu mărimea fluxului solar și a numarului mediu de pete solare pentru luna în curs. Programele mai sofisticate lucrează cu un model dinamic al ionosferei și folosesc date  în timp real despre starea ionosferei.

Ultimele 3 ediții ale ARRL Antenna Handbook conțin pe CD-ul însoțitor, un număr de tabele cu unghiurile favorabile pentru circuite radio între diverse locații de pe glob. Aceste tabele conțin date statistice, ce prezintă probabilitatea ca un circuit radio pe o direcție dată să se desfășoare sub un anume unghi.

Programele de prognoză a propagarii disponibile pentru radioamatori, prezintă în general o acuratețe destul de bună atunci când propagarea se desfășoară folosind un model clasic de propagare și când activitatea geomagnetică este redusă.  Aceste programe simple nu pot însă prezice apariția modurilor speciale de propagare, motiv pentru care în aceste cazuri este posibil ca o anume stație DX să poată fi auzită foarte bine când prognoza spune că nu ar trebui să fie audibilă.  Ce sunt aceste moduri speciale de propagare?

Modurile speciale de propagare în unde scurte.

Existența acestor moduri speciale de propagare este cunoscută de un mare umăr de ani, însă până acum 20-30 de ani, încidența apriției acestor moduri speciale era considerată ca fiind foarte redusă. În trecut se considera că mai puțin de 0.5% din comunicațiile la mare distanță în unde scurte, se produc folosind un mod special de propagare. Se pare că radioamatorii au fost cei care au realizat faptul ca acest procent este de fapt cu mult mai mare. Evident, constatarea a fost rapid preluată de mediile profesionale și există astazi disponibile pe internet un numar mare de studii declasificate făcute în anii ‘80 pe acestă temă. Se pare că procentul real este de ordinul a 5% sau chiar ceva mai mare.

Există 3 moduri moduri speciale de propagare distincte.

1.       Popagarea pe coardă ionosferică

2.       Propagarea prin ducție între straturile F si E

3.       Propagarea prin rază Pedersen.

Propagarea pe coardă, apare când concaviatatea ionosferei nu este uniformă. Aceasta se întâmplă uneori la extremitățile zonelor iluminate de soare, permițând propagarea pe distanțe foarte mari, fără ca unda să atinga pământul sau sa traveseze stratul absorbant D. Aceasta permite o atenuare foarte redusă și în consecință la recepție semnale sunt mult mai puternice dacât în mod normal.  Îmbunătățirea intesității semnalului este de câteva puncte S.

Un caz special pentru propagarea pe coardă este propagarea trans-ecuatorială, unde ionosfera este foarte deformată cănd activitatea solară este intensă. Aceasta permite o propagre îmbunătățită  între cele două emisfere ale globului.

Propagarea prin ducție între straturile F și E se produce prin reflexii succesive între straturile E și F. Unda parcurge o distanță condiderabilă între cele două straturi. Între cele două straturi E si F, ionizarea este foarte redusă. Ca într-un ghid de undă, undă poate parcurge distanțe foarte mari cu atenuare minimă. Se pare că inserția undei între cele două staturi E si F se face destul de ușor, problema este că rareori, unda reintră spre Pământ acolo unde trebuie... Este de asemenea posibilă atingerea unei zone a ionosferei unde ionizarea stratului F este insuficientă și unda penetrează stratul F pierzându-se in spațiu.

Figura de mai sus evidențiază și fenomenul de refracție care apare la trecerea prin startul E. Efectul este favorabil pentru DX pentru că unghiul de incidență la stratul F se reduce, însă în același timp trebuie spus ca și traversarea stratuli E produce o oarecare atenuare  a undei (mult mai mică decăt atenuarea prin stratul D).

În toate aceste cazuri, propagarea la distanță se face prin eliminarea cel puțin a unei reflexii cu solul. Aceasta implică deci, cu cel puțin două treceri mai puține prin startul D (care produce atenuarea undei) si cel puțin o refelexie mai puțin pe sol.  Implicația este reducerea pierderilor cu cca. 7-20dB pentru fiecare reflexie terestră  care nu se mai produce.

Pentru a înțelege mărimea pierderilor de semnal datorate reflexiilor pe sol iată graficele alăturate:

Pierderile de reflexie depind de frecvență, de natura suprafeței, unghiul de incidența și polarizare.

Examinănd figurile de mai sus (valabile pentru polarizare orizontală)  se poate vedea că pentru o reflexie pe sol la frecventa de 14MHz, pierderile de reflexie sunt de cca. 7.5dB pentru sol si cca. 12dB pentru ghiață dacă se asuma un unghi de incidență de 30 grade. Pentru un unghi de incidență de 5 grade, pierderile sunt de cca. 2dB, cu foarte mici diferente între pământ și ghiață. Undele polarizate vertical suferă atenuări suplimentare. Ca exemplu,  pentru un unghi de 30 grade, undele polarizate vertical sunt atenuate suplimentar cu cca. 6dB. 

Cel mai adesea pentru un circuit radio la distanță, există o soluție unică referitoare atât la unghiul de radiație necesar cât și numarul total de reflexii, mai ales când frecvența de operare se apropie de MUF. Atunci când există soluții multiple, de exemplu 4 reflexii F2  sau 5 reflexii F2, se poate ajunge la situația în care puterea semnalelor care ajung pe cele două căi este similară. Cum diferențele de fază între semnalele ajunse pe cele două căi se schimbă continuu, există în acest caz probabilitatea de apariție a fadingului. De notat că pot exista și alte cauze pentru apariția fenomenului de fading. 

Raza Pedersen se propagă pe distanțe mari în interiorul ionosferei. Caracteristic este unghiul mare de inserție, foarte apropiat de unghiul pentru care unda penetrează ionosfera.

Imaginea de mai sus reprezintă undele obișnuite 1, 2 si 3 la care reflexia este clasică, undele 4 și 5 – așa numitele raze Pedersen și unda 6 pentru care unghiul de plecare este prea mare și care penetrează  ionosfera.

Raza Pedersen, dar în anumită masură și propagarea prin ducție, presupune un unghi ridicat de atac al ionosferei. Acesta este cazul când o antenă cu unghi mare de radiație, poate triumfa în fața unei antene, cu unghi redus, fie ea și un beam cu multe elemente.

Fenomenul de insularizare, se produce în special în cazul razei Pedersen dar și la propagarea prin ducție. Insularizarea permite recepția unei stații Dx doar pe o arie foarte restrânsă. La distanță de doar câteva sute de Km, DX-ul este complet inaudibil!

Aceste moduri speciale de propagare dau uneori o șansă la DX și radioamatorilor dotați cu antene mai puțin performante, montate la înălțimi reduse și care au un unghi de radiație mare.

Există programe de predicție a popagării, care iau în considerare și aceste moduri speciale de propagare. PropLab, este însă probabil singurul program ce poate fi achiziționat de radioamatori, care permite simularea cel puțin a propagării prin ducție. Nu este însă un program gratuit.

Poate ar trebui amintit aici si despre porpagarea pe lina gri, care se produce la apusul și la răsăritul soarelui. Acest mod de propagare, exploatat cu grijă, poate asigura legături la mare distanță în special în benzile joase de unde scurte. O explicație mai detaliată poate fi găsită în cartea Radiotehnica.

Polarizarea ionosferică.

Ionosfera  determină schimbarea aleatorie a polarizarii undelor incidente. Indiferent de polarizarea undei incidente, după reflexie, polarizarea se schimbă, cel mai adesea  în polarizare circulară sau eliptică. Plarizarea circulară sau eliptică permite recepția undei atât cu antene polarizate orizontal cât și cu antene polarizate vertical. Dacă nu ar fi așa, ar exista diferențe majore de intensitate a semnalului , în situația când între antena de emisie și cea de recepție există diferențe de polarizare. În microunde (sau chiar VHF/UHF), diferențele de polarizare între antene cauzează reduceri ale semnalului cu peste 20dB....

Ionosfera poate determina însă și rotirea polarizarii în timp și efectul este foarte sesizabil dacă polarizarea este eliptică. Uneori pot fi favorizate antenele polarizate orizontal, alteori cele polarizate vertical. La recepție efectul este simțit ca un fading, de fapt însă intensitatea undei nu se schimbă ci doar polarizarea. Din acest motiv au fost create sistemele de recepție cu diversitate de polarizare, la care recepția se face simultan pe antene cu polarizare diferită.

Iată o istorie pe acestă temă, petrecută cu mult timp în urmă. Mă aflam la radioclubul YO8KAE împreună cu alți radioamatori, unde Costi-YO8BAM (SK) testa o nouă antenă de tip Quad. Ca element de comparație era folosită vechea antenă GP. În cursul testării, au fost recepționate și comparate pe cele două antene un mare număr de stații. Cei prezenți  au constatat rapid  superioritatea indiscutabilă a Quad-ului. În mod paradoxal însă, au existat câteva stații pentru care Quad-ul era inferior antenei GP, deși Quad-ul era orientat pe direcția corectă. Ascultând însă cu atenție, se putea constata că după o perioada de timp semnalul scădea pe GP si creștea pe Quad. Asistam personal atunci pentru prima dată  la fenomenul de rotire a polarizării... Atât  pentru mine cât și pentru ceilalți radioamatori prezenți atunci la experiment  a fost o adevărată lecție și o revelație...

Și un ultim comentariu aici legat de polarizare. Se cunoaște că propagarea prin undă directă (de suprafață), se poate face la nivelul solului doar dacă unda este polarizată vertical. Aceasta are însă implicații nu doar asupra undei directe ci și asupra propagării ionosferice, la unghiuri extrem de reduse. La unghiuri de sosire de 1-2 grade, unda este aproape paralelă cu solul, ceea ce atenuează masiv componenta orizontală a polarizarii. Ar rezulta deci că antenele verticale ar putea fi avantajate pentru semnale cu unghi atât de redus la sosire. Practic însă câștigul unei antenei verticale instalate pe sol sau deasupra solului, la unghiuri atât de mici este foarte redus, cu excepția când antena verticală este plasată pe apă sărată. În acest ultim caz o antenă verticală, la asemenea unghiuri reduse, se comportă mai bine decât un Yagi cu multe elemente...

HFTA și efectul reliefului asupra radiației antenei

Doar câteva considerații aici, despre programul de simulare HFTA și modul în care putem obține cu ajutorul acestuia o ințelegere mai bună despre modul în care o antenă funționează într-un mediu real.

Programul HFTA scris de N6BV este disponibil pe CD-ul ce însoțește cartea ARRL Antenna Book.  Programul este însoțit de un numar de fișiere statistice cu unghiurile optime necesare pentru comunicații între o entitate DXCC si un alt continent. Valorile date reprezintă valori medii pe parcursul unui ciclu solar de 11 ani.

Iată ca exemplu unghiurile optime probabile, pentru YO3- W0, în banda de 20m.

Se observă că  în peste 65% din cazuri, unghiul optim necesar este de sub 8 grade. În doar 0.1% din situații unghiul optim este de 22⁰...

Iată și datele pentru  cazul VE7-YO în banda de 20m.

In acest caz în 74% din cazuri unghiul optim este de sub 8 grade.

Tabelele complete furnizează date statistice la scară globală, pentru toate benzile de la 80m la 10m. Iată un exemplu:

Programul folosește aceste date pentru a determina dacă diagrama de radiație a antenei folosite în condițiile locale date, este adecvată.

Programele de simulare a antenelor din clasa NEC folosesc pentru simulare un teren plat. Programul HFTA foloseste diagrama de radiație a antenei (generat de NEC), obținută în condiții ideale de teren plat, pe care o modifică funcție de relieful local. Natura reliefului este considerată până la cca. 4400m distanță.  HFTA permite folosirea unor fișiere 3D ale reliefului din zona de interes. Cartogarfierea 3D a planetei a fost facută la  începutul anilor 2000 în cursul unei misiuni a navetei spațiale.  Aceste fișiere 3D sunt acum disponibile public, la scara aprope întregii planete. Pentru fișierele disponibile public, rezoluția este mai bună de 30m în SUA si  90m în restul lumii, ceea ce este mai mult decât suficient pentru această aplicație. Documentația programului indică cum se pot obține și cum se pot prelucra aceste fișiere 3D.

Spre deosebire de NEC, programul HFTA ia în considerare și difracția și nu doar reflexia semnalului, ceea ce dă o imagine mai completă a radiației antenei la distanțe mari și permite înțelegerea în detaliu a modului în care relieful afectează radiația la distanțe mari.

Cateva cuvinte despre fenomenul de difracție. Difracția permite propagarea undelor radio în zona de „umbră” creată de formele de relief sau clădiri înalte. Practic, unda electromagnetică se curbează în oarecare măsură după teren. Difracția este invers proportională cu frecvența, fiind mai evidentă la frecvența de 1.8MHz decât la 28MHz. Cu cât unda pătrunde mai mult în zona de umbră cu atât este mai mare atenuarea semnalului.

Figura alăturată ilustrează mărimea pierderilor de cale la diverse frecvențe, datorate unui obstacol. Este asumată polarizare verticală și undă de suprafață, atât emițătorul cât și receptorul fiind la nivelul solului. Dacă la 100KHz practic nu există atenuare în spatele obstacolului, la 10MHz, la baza acestuia atenuarea este de peste 20dB. Evident, natura si marimea obstacolului afectează nivelul atenuării.

Iată si efectul  terenului asupra diagramei de radiatie, suprapus peste datele statistice referitoare la unghiul optim de radiatie, necesar pentru  o directie data.

Cu albastru închis este prezentat câștigul antenei funcție de unghiul de radiație în plan verical, în condiții de teren real. Cu albastru deschis este prezentată diagrama de radiație în condiții de teren plat, ideal.

În cazul prezentat efectul terenului este favorabil, se remarcă creșterea câștigului la unghiuri reduse datorată unei pante negative a terenului în fața antenei. Evident dacă avem un deal pe direcția de radiație, efectul este de reducere a câstigului real la unghiuri foarte joase. Ceea ce trebuie urmărit este ca câștigul maxim al antenei sa fie la unghiurile la care probabilitatea  realizarii circuitului radio este maximă pe direcția cerută.

Programul permite deplasarea antenei, in raport cu locația de bază, pentru a se putea observa efectul asupra  radiației la distanță. Lucru cunoscut, uneori chiar si o deplasare cu doar câțiva metri poate avea efecte notabile.

În mod normal o asemenea analiză trebuie efectuată de orice radioamator cu pretenții la performanță. Din câte cunosc, în YO (sper să greșesc) singura analiză publicată a  radiației antenei facută cu programul HFTA a fost facută de YO3CTK  în articolul „Influenta terenului asupra performantelor antenelor Yagi”.

Pentru un circuit radio dat, unghirile de plecare optime la emisie și recepție pot fi diferite, însă cel mai adesea diferențele sunt nesemnificative. Pot exista însă situații când un circuit radio se produce la recepție prin propagare clasica și la emisie printr-un mod special. În aceste condiții apre o asimetrie majoră  în circuitul radio când unul din corespondenți il aude bine pe celalalt însă nu și reciproc. De menționat însă că asimetria într-un circuit radio mai poate avea însă și alte cauze.

Unghiul de incidență ionosferică și coeficentul de multiplicare a MUF

În articolul precedent am prezentat o formulă de calcul pentru frecvența maximă utilzabilă (MUF), funcție de unghiul de incidență la ionosferă. Din păcate, formula de calcul asumă un unghi incorect, bazat (prin simplificare excesivă) pe o suprafață terestră și ionosferică plată. Eroarea este prezentă din păcate pe multe surse disponibile pe internet, inclusiv Wikipedia. Este încă o dovadă (dacă mai era nevoie) că multe din informațiile găsite pe internet trebuie filtrate cu mare grijă.  Cer scuze cititorilor pentru imprecizia precedentă (TNX YO4BKM pentru atenționare!) și iată în continuare, unghiurile ionosferice corespunzătoare și coeficientul de mutiplicare M al frecvenței maxim utilizabile, funcție de unghiul de incidență.

De data aceasta ionosfera a fost considerată sferică, și în mod firesc, unghiul de incidență la ionosferă depinde de înălțimea ionosferei. Se poate constata că la unghiuri de plecare egale la sol (alfa), unghiurile de incidență ionosferică (beta) se schimbă funcție de înălțimea ionosferei. În tabelul următor au fost prezentate două cazuri, pentru înăltimea ionosferei, de 100Km (corespunzătoare  stratului E) și 400Km (corespunzătoare stratului F2).

Se constată ca erorile fața de situația prezentată anterior în care pentru simplificare era asumată o suprafață terestră si ionosferică plană, sunt mari când unghiurile  de plecare sunt reduse. Erorile scad însă pentru unghiuri de peste 25 de grade.  În tabelă, M este coeficientul de multiplicare a MUF funcție de unghiul de incidență.

Se observă că unghiul de incidență ionosferică se schimbă foarte puțin pentru unghiuri de plecare terestă sub 10 grade (valori tipic necesare pentru DX). De aici rezultă regula empirică de mutiplicare cu 3 a MUF pentru reflexie/refracție pe stratul F2 pentru unghiuri de plecare sub 10 grade și multiplicare cu 5 a MUF pentru stratul E la aceleași unghiuri de plecare sub 10 grade.

Regula multiplicării cu 3 a MUF pentru F2 si 5 pentru stratul E, apare în unele cărți de specialitate, fără o explicție consistentă însă. Marturisesc că și eu abia acum am înțeles de unde provine această regulă empirică.

Cum folosim practic această informație? Dacă MUF (F2) este la o anumită oră și pentru o anume locație de pe glob 9MHz, rezultă că pentru pentru unghiuri reduse frecvența maximă utilizabilă poate fi de până la 27MHz (3x9MHz). Reflexii se pot produce însă și pe stratul E,  însă cu un MUF mult mai redus.  Cei care doresc să afle mai mult despre MUF și mărimea acestuia în timp real, pot folosi programele  DX Atlas și Ionoprobe scrise de VE3NEA.

Câștigul efectiv al antenei la unghiul optim necesar pentru un circuit DX

Iată mai jos o diagramă de radiație pe care am prezentat-o și în articolul precedent, ce prezinta căștigul unei antene dipol montată la înălțimea de 0.5 lambda de sol, la unghiurile de 3, 5, 10 și 30 de grade.

Iată încă o informație repetată: unghiul  de radiație optim necesar pentru un circuit DX dat, este impus de ionosferă și nu de antena proprie. Înălțimea ionosferei și lungimea circuitului radio dictează atăt unghiul  de radiație necesar cât și numărul de reflexii necesare.

Calculul pierderilor de cale pentru un circuit radio, includ în mod specific atât câștigul antenei de emisie cât și al antenei de recepție la unghiurile necesare pentru acel circuit. Evident, calculul complet include și pierderile de cale datorate  distanței (6dB pentru fiecare dublare a distanței), pierderile cauzate de reflexiile cu solul sau ionosfera, precum și absorbția suferită la trecerile prin stratul D (în special) și E.

Cum poate fi modificat câștigul antenei la diferite unghiuri de radiație? Pentru radioamatori, unghiul de radiație maximă  pentru o antena polarizată orizontal poate fi controlat prin doar prin înălțimea antenei față de sol.  Modificarea unghiului de radiație funcție de situație este însă dificilă (și costisitoare!) și implică folosirea fie a unui turn telescopic cu înălțime maximă de cca. 2 lambda, fie (preferabil) un stack vertical de antene la care există și posibilitatea de comutare  individuală pentru fiecare antenă.

Concluzii

Prezicerea apariției acestor moduri de propagare speciale  este foarte dificilă și în acest moment practic în afara zonei de acces pentru cei mai mulți radiamatori. Aceste moduri de lucru permit însă ca în unele situații, stațiille puțin dotate să poată concura cu cele ce au dotare adecvată atât din punct de vedere al antenei cât și a puterii disponiblie la emisie. Cum probabilitatea apariției acestor moduri este redusă (cca. 5%), este riscant însă să se conteze pe apariția acestora. Adevărul este că un număr considerabil de factori (asupra cărora nu avem nici un control!) trebuie să se alinieze corect pentru ca să putem beneficia de aceste moduri speciale de propagare. Da, unii au putut realiza în acest fel legături la distanțe absolut spectaculoase, cu putere redusă și cu antene improvizate. Pe de alta parte însă știm cu toții că există stații dotate, pentru care capriciile propagării contează mai puțin și pentru care apariția miraculoasă a unui asemenea mod special de propagare nu este necesară pentru a intra în logul unei stații DX.  Într-un an de maxim solar, într-un concurs gen CQWW, o stație cu dotare corespunzătoare, poate lucra în 48 de ore peste 150 de entități DXCC. Același număr poate fi realizat de o stație cu dotare modestă, dar mai ales cunoștiințe tehnice precare, în... 30 de ani....

Nu putem controla propagarea...dar dacă putem însă maximiza performanțele antenelor  și reduce pierderile din sistemul de emisie, putem reduce dependența de capriciile propagarii. În acest fel, putem ajunge la prezențe frecvente în logurile marilor expediții DX, și nu doar la prezențe întâmplatoare.  În multe situații însă, o antenă mai bună pur și simplu nu este posibilă, iar locația permanentă este o adevărată “gaură neagră” pentru DX. Soluția unanim recomandată în aceste cazuri (exceptând schimbarea locuinței...hi,hi) este ca măcar atunci când sunt concursuri internaționale mari, unde apar de multe ori stații foarte rare, să se recurgă la lucrul din portabil, dintr-o zonă aleasă cu grijă, unde chiar și fără a ridica o antenă la mai mult de 10m înălțime se pot obține rezultate absolut de neimaginat față de locația permanentă. În acest caz, pentru eficacitate maximă, e bine să vizăm concursurile care apar în preajma echinocțiilor, când propagarea suferă de regulă îmbunătațiri majore, chiar și în condiții de minim solar (CQ WW, CQ WPX). Sigur, mai există și soluția operării „remote”, în care  recepţia  şi  uneori chiar şi emisia este efectuată din alta locaţie.

Programele de simulare a propagării ne pun la dispoziție mijloace foarte utile pentru a înțelege propagarea ionosferică. Evident, folosirea acestora nu ne include în mod automat în logul unei stații DX și nici nu garantează o anume legătură  DX... Pur și simplu trebuie luate ca încă un instrument  de lucru (alături de altele), ce poate fi de ajutor în multe situații. Personal pot afirma fără șovăire că în cazul meu m-au ajutat să includ în palmares un număr considerabil de DX-uri grele.

Sper că recentele articole pe această temă să fi reușit să trezească interesul unui numar cât mai mare de radioamatori față de acest subiect. Propagarea ionosferică este complicată, cele scrise aici neacoperind decât o mică parte a acestei problematici. Cred  însă că o înțelegere corectă a mediului în care ne desfășurăm activitatea de radioamatori este importantă.  

Florin Cretu YO8CRZ

Articol aparut la 20-11-2014

7573