Rádiófrekvenciás hullámterjedés

Bolygónk légkörének felosztása

Troposzféra

11 km alatt elhelyezkedő réteg.

• Hőmérséklet a Föld felszínétől számítva 6-8 ˚C/km mértékben monoton csökken. 11 km magasságban -50 ˚C mérhető.
• Ebben a rétegben helyezkedik el a légkörünket alkotó részecskék (levegő) 75 %-a.
• Távolra tartó utasszállító repülőgépek repülési magassága.
• 9,7-11,1 kilométer magasságban található átmeneti réteg a Tropopausa, amely Közép-Europa felett márciusban a legalacsonyabb és júliusban a legmagasabb.
• A troposzféra a méteres hullámok (6 méter, 2 méter, 70 cm) terjedésében különös szerepet kap.

Sztratoszféra

11-80 km magasságban elhelyezkedő réteg. Vízgőz nincs benne.

• Hőmérséklete 11-20 km-ig közel állandó -50 ˚C, majd 20..35 km-ig 10 fokos melegedés után 35..50 km közt egyenletesen -40 ˚C-ról +50 ˚C-ra melegszik (ózon-zóna), 50..80 km közt pedig ismét visszacsökken -50 ˚C-ra.
• Meteorológiai ballonokat tartalmazhat a sztratoszféra.

Ionoszféra

70..400 km magasságig ionoszféráról beszélünk.

• Hőmérséklete 80..100 km magasságban a -50 ˚C-ról +50 ˚C-ra növekszik.
• Az ISS ürállomás (350 km), az alacsonypályás (LEO) műholdak (kb. 500-1500 km) találhatók itt.
• Igen sok elektromosan töltöt részecske (ion, elektron) található benne, amit a sugárzás és meteoritzápor okoz.
• Az elektomosan töltött részecskék miatt vezetővé vált rétegről visszaverődnek a rádiófrekvenciás hullámok. Azonban a visszaverődés mértéke függ a hullámhossztól és a beesési szögtől.
• Az ionizált réteg sűrűsödés maximumai alapján alrétegekre bontjuk az ionoszférát.

Az Ionoszféra rétegei

D réteg

60..90 kilométer magasságban napközben alakul ki, éjjel eltűnik.

• A 10 méteres,12 méteres, 15 méteres,17 méteres, 20 méteres és 30 méteres, hullámokat csekély veszteséggel átengedi
• a 40 méteres hullámterjedést erősebben csillapítja
• a 80 méteres és 160 méteres hullámterjedést számottevőbb abszorpciónak teszi ki.

E-réteg

100..125 km magasságban a legnagyobb az elektron koncentrációja

• a napsugárzástól függ, déltájt a legerősebb. Éjjel eltűnik.
• az alacsonyabb frekvenciákat veri vissza, közepes napfoltszámnál 6-7 MHz-ig. Térhullámú összeköttetésre felhasználható, de sűrűsége okozta abszorpciójaként ötször akkora teljesítmény szükséges a vele történő közvetítéshez ugyanakkora térerősség elérésére, mint a magasabb rétegek használatához. Így főként a nagyobb teljesítményű (50-250 kW-os) műsorszóró adók nappali rétege..

F réteg

Nyáron a nappali órákban kettébomlik F1 és F2-rétegre, éjjel azonban egy réteget alkot. Az ionizáció maximumai: 200..230 km F1, 300..400 km F2-réteg esetén.

• Az F2-réteget a rövidhullámú DX-ek miatt szeretjük. Nyáron 400 km magasra húzódik, télen 250..300 km-re.

Érdekesség: a sarki fény 200 km magasságban alakul ki.

Szporadikus E-réteg

Az E-réteg magasságában sokszor megjelenik egy tőle függetlenül keletkező, az E-rétegnél legtöbbször jóval nagyobb sűrűségű, de nem egyenletesen takaró ionfelhőzet. Jelölése Es. Eddigi legmagasabb visszaverődése Magyarország felett függőleges beesésnél 15 MHz volt. Létezése és a visszaverődés időtartama teljesen bizonytalan.

Hullámterjedés-fajták

Felületi hullámok

• Talajmenti hullámok
• Közvetlen hullámok. Jellegzetességét lásd a szakaszcsillapítás szócikkben.
• Talajról visszavert hullámok

Troposzféra-hullámok

30 MHz felett egyre jelentősebb a troposzférikus terjedés hatása, amely következtében

• nagyobb távolság hidalható át, mint amekkorát az optikai rálátás sugallna (akár 1000 kilométereket is!)
• néha a rádióhullám a troposzféra csapdájába kerül, fel-le pattogva benne, majd valahol a távolban visszaverődik a földre. Ezt troposzférikus vezetésnek nevezzük. Negatív hatása: a profi hírközlő rendszereknél kellemetlen nagy távolságból érkező zavar előidézői lehetnek.

Közvetlen hullámterjedés számításakor a Föld átlagos 6370 km-es sugara helyett 8500 km-es sugárral számolhatunk. Ennek oka, hogy a bolygónkhoz közelebb található levegő sűrűbb, törésmutatója nagyobb. Így ez bolygónk felé való elhajlást okoz.

A troposzferikus vezetés általában úgy alakul ki, hogy egy meleg légréteg felett egy másik, hideg légréteg található és ezek törésmutatója egymáshoz képest igen erőteljes. Így viszaverődés lép fel a két légréteg közötti térben. Ezzel a jelenséggel találkozva akár 2-3000 km-es távolságú DX-re is van lehetőségünk.

Elhalványulás (fading): több különböző úton, különböző úthosszat megtevő jelek a vevő antennájánál nem azonos fázisban találkoznak. Az ellenfázisú jelek gyengítik, legrosszabb esetben teljesen ki is olthatják egymást. A fading az antenna helyének megváltoztatásával (másik antennára kapcsolással) illetve a frekvencia kismértékű megváltoztatásával is orvosolható, hiszen utóbbi esetben éppen a vevőantennán érzékelhető jelek találkozási fázisszögét toltuk el.

Térhullámok

Ha ionoszférikus visszaverődésre számítunk nem mindegy, hogyan választjuk meg adási frekvenciánkat.

Kritikus frekvencia

Függőlegesen sugároznak az ionoszféra felé rövid impulzusokat és detektálják a visszaverődést. A visszaverődési időből azt is kiszámíthatjuk, hogy milyen rétegről verődött vissza. A frekvencia növekedésével ez a visszaverődés egy pont elérésekor már a következő rétegről jön vissza, majd egy pont elérésekor már a világűrbe sugárzódik ki, azaz a visszaverődés megszűnik. Egyébként ezt a közel függőleges kisugárzást nem csak mérésre, hanem NVIS alapú, nagyjából 200 km sugarú körben történő holtzóna nélküli összeköttetésre is felhasználhatjuk.

Legmagasabb használható frekvencia

(MUF, Maximal Usable Frequency): laposabb szögben sugározva az ionoszféra felé és a frekvenciát növelve egyre magasabban levő rétegekről verődik vissza a jelünk. A frekvenciát növelve lesz egy pont, ahol már a visszaverődés helyett jelentős mértékben kisugárzódik a világűrbe. Ezt hívjuk legmagasabb használható frekvenciának. Érdekességképp ez 3..5-szöröse a kritikus frekvenciának, amely arány függ attól, mely réteg vert vissza és milyen beesési szöggel sugároztunk az ionoszférára.

Legalacsonyabb használható frekvencia

(LUF, Lowest Usable Frequency, másik jelölése LUHF, Lowest Usable High Frequency): laposabb szögben sugározva az ionoszféra felé és a frekvenciát csökkentve az ionoszféra visszaverő képessége csökken, mivel a D réteg elnyelő hatása növekszik. Egy bizonyos ponton, ahol jelentőssé válik ez a D rétegbeli elnyelődés, ott húzunk meg egy határt, az a legalacsonyabb használható frekvencia. A LUF függ a napszaktól és sok egyéb tényezőtől. Ugyanakkor nem éles határ, a kimenő teljesítmény növelésével és keskenysávú üzemmódok használatával a LUF frekvenciája alacsonyabb értékü lesz. Azaz, hogy a visszaverődött jel a partnerállomáson vehető is legyen akkora effektív teljesítmény kell, ami ellentételezi az útvonalveszteséget, a vétel helyén lévő zajteljesítményt és eleget tesz a választott üzemmód jel-zaj viszonyának. Ez annyiban frekvenciafüggő, hogy minél magasabb a frekvencia, annál kisebb az effektív teljesítménnyel ellentételezendő veszteség és minél alacsonyabb a frekvencia, ez annál nagyobb. A LUF, ellentétbe a MUF-al, nem terjedési paraméter, hanem technikai. Akkora effektív teljesítményt és kedvező üzemmódot kíván, hogy értéke a MUF alatt maradjon és ne kerüljön afölé.

Hogyan válasszuk meg az optimális üzemi frekvenciát?

Mivel általánosságban elmondható, hogy minél magasabb frekvenciával (rövidebb hullámhosszal) dolgozunk, az ionoszférában annál magasabb rétegről verődik vissza a jelünk. A magasabb rétegről való visszaverődések szerencsések, hiszen a D réteg egyre kevésbé nyeli el a jelünket és ráadásul a magasabb rétegről ugyanannyiszor visszapattanó jel nagyobb távolság áthidalását jelenti. Azonban azt is tudjuk, hogy a MUF felett pedig kisugárzódik a világűrbe.
A MUF értéke sajnos változik a hely függvényében is, így ökölszabályként elmondható, hogy a legoptimálisabb sáv a DX összeköttetésre a MUF alatt 15%-kal található, elnevezése FOT (Frequency Optimal Transmission).

Hullámterjedés hullámsávok szerint

VLF

3 – 30 kHz (100 km – 10 km hullámhossz): évszaktól és napszaktól függetlenül igen nagy távolságra terjedő felületi hullám, nappal a talaj és a D-réteg között is terjed. Rádióamatőr sáv nem található itt.

LF - hosszúhullám

30 – 300 kHz (10 km – 1 km hullámhossz): főleg felületi hullám, nappal a talaj és a D-réteg között is terjed. Ezzel kísérletezni a 2200 méteres rádióamatőr sávban lehet.

MF - középhullám

300 – 3000 kHz (1000 m – 100 m hullámhossz): szintén felületi hullám. Azonban éjjel az E és F-réteg visszaveri, amikor a D-réteg gyakorlatilag megszünik. Térhullámú terjedése igen veszteséges. Ezzel a jelenséggel kísérletezni a 160 méteres sávban lehetséges.

HF - rövidhullám

3 MHz – 30 MHz (100 m – 10 m hullámhossz): E rétegről való visszaverődés és F1, F2 rétegről való visszaverődés a jellemző.

A hullámterjedési jelenséggel való kísérletezésre rádióamatőr sávok bőven találhatók ebben a tartományban:

• 80 méter:
• 40 méter:
• 30 méter:
• 20 méter:
• 17 méter:
• 15 méter:
• 12 méter:
• 10 méter:

VHF- ultrarövid hullám

30 – 300 MHz (10 m – 1 m hullámhossz): Néha-néha E-rétegű visszaverődést tapasztalhatunk. Különleges esetekben (például erős napfolt-tevékenységek alkalmával) pedig F1, F2-rétegű visszaverődés is elképzelhető 80 MHz alatt.

Általában közvetlen hullámterjedés, tereptárgyakról való visszaverődéssel a jellemző. Néha troposzférikus vezetés is tapasztalható.

A kísérletezéshez a 6 méteres és 2 méteres rádióamatőr sávok állnak rendelkezésünkre.

UHF

300 MHz – 3000 MHz (10 dm – 1 dm hullámhossz): közvetlen hullámterjedés, tereptárgyakról való visszaverődéssel. Néha troposzférikus vezetés is tapasztalható.

A kísérletezéshez a 70 cm-es, 23 cm-es és 13 cm-es sávok állnak rendelkezésünkre.

SHF - mikrohullám

3 GHz – 30 GHz (10 cm – 1 cm): közvetlen hullámterjedés. Eső jelentős mértékű szakaszcsillapítást okoz, ugyanakkor visszaverődést is. Ezáltal elterjedt játék a rain scatter, az esőfelhőről való visszaverődés jelenségét kihasználó akár 1000 km-es összeköttetés létesítése.

A kísérletezéshez az 50 mm-es, 30 mm-es és 12 mm-es rádióamatőr sávok állnak rendelkezésünkre.

EHF

Ugyan találhatóak itt is rádióamatőr célokra kiosztott sávok (47 GHz, 75 GHz, 122 GHz, 134 GHz, 241 GHz), de ezek jelenleg inkább egyetemi kutatások színterei, mintsem otthon barkácsoló rádióamatőrök játszóterei. Egyébként itt a sávonként és időjárási körülményenként más-más elnyelődést lehetne jól vizsgálni.