Данная сборная статья является переводом оригинальной серии статей американского радиолюбителя Гарольда Мелтона (KV5R) посвященного связям на коротких волнах при помощи антенн зенитного излучения (NVIS).
Перевел RADIOCHIEF. Если заметите ошибки и не точности, пишите в комментариях. Приятного чтения.
Предисловие
Материал данной статьи основан на «Антенной книге ARRL» (The ARRL Antenna Book) изданий 1957, 1974 и 1999 годов, армейском полевом наставлении FM 24-18 и других источниках. Также при подготовке этого материала использовался ряд статей из журнала QST, различные публикации в интернете, написанные другими экспериментаторами в области NVIS и специалистами по КВ-антеннам и распространению радиоволн, такими как W4RNL. Различные характеристики, приведённые в качестве примеров, являются приблизительными оценками. Некоторые — с большим разбросом значений. Они не представляют собой нечто абсолютно , а показывают практическое применение, при котором высокий процент сообщений может быть передан без искажений в средних условиях.
Данная статья не претендует на роль полного руководства по распространению радиоволн на КВ или по аварийной радиосвязи. Автор предполагает, что читатели данной статьи имеют общее представление о КВ-антеннах и ионосферном распространении радиоволн. Читателям, которым нужны основы аварийной радиосвязи, рекомендуется обратиться к сайтам групп ARES и RACES, а также к ресурсам FEMA и MARS.
Автор выражает благодарность всем, кто внёс полезный вклад в освещение данной темы, и приветствует письменные замечания, которые могут быть использованы для улучшения этой статьи. Цитируя одного замечательного писателя 1830-х годов: «Прежде чем вы сможете убедить меня в ошибке, вам сначала придётся убедить меня в том, что вы понимаете, о чём я говорю». Пожалуйста, читайте внимательно.
Что такое NVIS?
NVIS (Near-Vertical Incident Skywave — пространственная волна с почти вертикальным углом падения) — это совокупность радиооборудования, пространственного (ионосферного) распространения радиоволн, операторских процедур, взаимодействия и знаний, используемых группой радиооператоров, которым необходима надёжная региональная связь. NVIS заполняет разрыв между связью земной волной в пределах прямой видимости и дальней связью посредством «скачкового» ионосферного распространения (skip).
Немецкие сухопутные войска впервые задокументировали методы NVIS во время Второй мировой войны. Более полно NVIS был изучен, описан и применён американскими войсками во Вьетнаме. Радисты в военных машинах обнаружили, что их КВ-штыревые антенны иногда работают значительно лучше, если их пригнуть в горизонтальное положение. Радиолюбители изучают распространение NVIS и соответствующие операторские методики как минимум пятнадцать лет. В тактическом военном применении NVIS обеспечивает связь в пределах региона, при этом создавая очень слабый сигнал земной волны, на который противник мог бы запеленговать передатчик. Любой радиооператор, использовавший горизонтальную антенну, подвешенную значительно ниже половины длины волны, фактически работал в режиме NVIS.
Распространение NVIS обычно представляет собой отражение от слоя F ионосферы при углах 70–90 градусов от горизонта. Это ионосферное распространение без обычной мёртвой зоны (skip zone). Цель NVIS — обеспечить местную и региональную связь на расстояния до нескольких сотен миль при умеренной мощности, с использованием простых антенн и без мёртвой зоны. NVIS обычно используется радиолюбителями на диапазонах 160, 80/75, 60 и 40 метров с применением относительно низко подвешенных горизонтальных проволочных диполей.
Работа в режиме NVIS оптимизируется путём понимания и контроля двух основных факторов:
- Правильная конструкция и размещение антенны
- Надлежащая подготовка операторов
Антенна конструируется и размещается таким образом, чтобы обеспечить максимально возможное усиление строго вверх, на двух или трёх частотных диапазонах. Подготовка операторов включает понимание принципов работы антенн, ионосферного распространения радиоволн и операторских процедур.
Распространение NVIS
Когда горизонтальный диполь подвешен на высоте ½ длины волны, он имеет широкий провал в диаграмме направленности прямо над собой, а основной лепесток излучения имеет форму перевёрнутого конуса. Отражённая от земли волна находится в противофазе с излучением антенны и вызывает частичное фазовое подавление сигнала в зенитном направлении. Это делает антенну хорошей для дальней связи (DX) — с усилением на относительно низких углах и широкой мёртвой зоной. Однако проблемы возникают при работе в региональных сетях и в режиме «рэгчу» (ragchew — неформальных бесед) именно из-за мёртвой зоны.
По мере опускания диполя ниже половины длины волны этот перевёрнутый конус смыкается, зенитный провал исчезает, и основная часть мощности излучается вверх широким лепестком яйцевидной формы. Отражённая от земли волна оказывается ближе к синфазному состоянию с излучением антенны, что увеличивает амплитуду ВЧ-мощности в вертикальном направлении. Эффект в какой-то мере напоминает двухэлементный волновой канал (Yagi), направленный строго вверх. На высоте от 0,15 до 0,2 длины волны над хорошей землёй усиление может достигать 7 dBi строго вверх. Представьте себе мощный прожектор, направленный вертикально на облако: образовавшееся яркое пятно обеспечит рассеянное освещение на многие мили вокруг! С горизонтальной антенной, подвешенной значительно ниже половины длины волны, мы достигаем того же эффекта. Мы целенаправленно «подсвечиваем» слой F ионосферы (расположенный на высоте примерно от 100 до 300 миль) широким ВЧ-потоком, который создаёт рассеянное радиочастотное «освещение» всего региона.
Приведённые ниже графики показывают типичные диаграммы направленности в вертикальной плоскости для горизонтального диполя на диапазон 75 метров при различных высотах подвеса. Очевидно, что наилучшее покрытие в режиме NVIS может быть достигнуто при высоте подвеса около 3/8 длины волны, то есть примерно 90 футов (~27 м). Однако это непрактично для большинства установок, и антенны, подвешенные значительно ниже, будут работать почти так же хорошо, а основное различие проявится лишь на границе зоны покрытия. Обратите внимание на уровни мощности, доступные под различными углами для каждой представленной высоты подвеса.
Рисунки 1а–1d: Диаграммы направленности в вертикальной плоскости для горизонтального диполя на 75 метров над средним грунтом. (Эти графики хорошо согласуются с данными «Антенной книги ARRL».)
Таким образом, мы видим, что подъём NVIS-антенны на диапазон 75 метров с высоты 20 футов (~6 м) до 90 футов (~27 м) добавит около 8 дБ к лучу под углом 30 градусов, что весьма существенно, но обычно недостаточно для обоснования установки двух 90-футовых мачт на антенном хозяйстве.
Правило здесь довольно простое: если вам нужна надёжная дальность, скажем, 300 миль, используйте совсем низко подвешенную антенну. Если вы хотите несколько лучшего покрытия в утренние/вечерние часы — поднимайте до 90 футов как оптимальной высоты. Подъём антенны с 20 до 90 футов просто даёт вам немного больше мощности на низких углах. Часть этой дополнительной мощности обусловлена расширением основного лепестка, а часть — уменьшением потерь в земле. Наилучшее вертикальное усиление (около 7 dBi) достигается на высоте 0,15–0,2 длины волны, но антенна на высоте 20 футов всё равно будет иметь усиление около 5 dBi. Наилучший КСВ может быть достигнут при высоте подвеса около 41 фута (~12,5 м) над средним грунтом.
Графики на рисунке 1 не отражают полностью механизм сокращения дальности распространения на диапазоне 75 метров в дневное время. Следующий важный фактор — поглощение в слое D, которое постепенно нарастает утром после восхода солнца и постепенно ослабевает ближе к вечеру. Поскольку основная часть мощности сигнала сосредоточена на больших углах, он продолжает проникать через поглощающий слой D на пути вверх, отражается от слоя F2 и снова проходит через слой D на пути вниз. На низких углах доступная мощность значительно меньше из-за взаимодействия антенны с землёй, и луч на низких углах несёт дополнительные потери, проходя через слой D (дважды) под более пологим углом. Например, если толщина слоя D составляет 30 миль, луч, идущий под большим углом, пройдёт примерно 30 миль поглощающего слоя D (дважды), тогда как луч под углом 30 градусов пройдёт при таком наклоне уже 60 миль (дважды). (См. рисунок 2.)
Рисунок 2: Дневные потери на трассе для лучей под углами 70 и 30 градусов, диапазон 75 метров.
На рисунке 2 мы наблюдаем два из трёх механизмов, которые совместно ослабляют низкоугловые дневные сигналы: (1) Сравните излучаемую мощность, которая составляет примерно −2 дБ от пиковой на угле 70 градусов, с углом 30 градусов, где она ниже примерно на 14 дБ. (2) Сравните расстояние, которое лучи должны пройти через поглощающий слой D (дважды) под различными углами: луч под углом 30 градусов имеет примерно вдвое большие потери, чем луч, идущий почти вертикально. (3) Добавьте обычное ослабление за счёт длины трассы (не показано). Эти три фактора, плюс небольшие потери в тропосфере, совместно ослабляют низкоугловые сигналы в дневное время. По мере того как солнце поднимается выше, ионизация слоя D усиливается, и эффективная дальность ещё больше сокращается.
С позднего вечера до раннего утра диапазон 75 метров может «раскрываться» до 1500 миль и более, поскольку слой D исчезает и поглощение перестаёт быть фактором в потерях на трассе. Типичная диаграмма направленности NVIS-антенны показывает, что мощность сигнала под углом 20 градусов ниже на 20 дБ, поэтому более вероятно, что контакты на расстоянии 1000–2000 миль осуществляются не одним скачком ослабленного на 20 дБ луча, а двумя или даже несколькими скачками значительно более мощных лучей, доступных на больших углах. Ещё одним фактором «растягивания» диапазона является скачок Педерсена (Pedersen ray) — механизм, который можно грубо описать как волноводное распространение в области F ионосферы. Один из неприятных эффектов «удлинения» диапазона заключается в том, что в тёплые месяцы в пределах этой гигантской зоны покрытия где-то обязательно будут существовать грозы. Это приводит к высокому уровню атмосферных помех, которые делают нижние диапазоны практически бесполезными летом в ночное время — особенно для слабосигнальных контактов.
Утром солнце постепенно восстанавливает ионизацию слоя D. Он начинает поглощать мощность сигнала подобно гигантскому одеялу затухания, и его воздействие неуклонно усиливается (более или менее) по мере подъёма солнца. При использовании NVIS-антенны низкие углы, где ВЧ-мощность минимальна, в какой-то момент становятся непригодными, и практическая дальность связи сокращается до двух-трёхсот миль к середине или концу утра. Это происходит потому, что основная часть мощности сигнала сосредоточена на больших углах, и только главный лепесток антенны достаточно мощный, чтобы дважды пробить слой D. К позднему утру (как правило) сигналы на расстояниях свыше 150–200 миль обычно становятся очень слабыми, а затем неслышимыми. Подъём обеих антенн на значительную высоту (до 125 футов / ~38 м) обеспечил бы больше мощности на низких углах и тем самым увеличил бы дальность и/или время доступности, но это обычно совершенно непрактично. Практическое решение — переход на 40 метров, где поглощение в слое D значительно меньше, а антенна вдвое выше в длинах волн. Переход на 20 метров даст покрытие по всей стране, но с широкой мёртвой зоной — при условии, что слой F2 не возмущён. Радиолюбители, коротковолновые вещательные станции, военные, морские и авиационные станции регулярно меняют рабочие частоты в соответствии с суточным циклом, чтобы обеспечить максимально надёжный уровень сигнала на заданном расстоянии.
Разумеется, все «цифры» варьируются в широких пределах в зависимости от текущих ионосферных условий и окружения антенны, в особенности от проводимости грунта. Приведённые «цифры» приблизительно основаны на тщательно задокументированных испытаниях армии США, в ходе которых составлялась статистика процента точно переданных сообщений для различных частот в различное время суток, и на основе этих данных строились частотно-временные диаграммы. Случаются и исключения, но данная статья посвящена надёжной тактической связи, а не отдельным исключениям, обусловленным необычными, нетипичными условиями прохождения.
Всё вышесказанное объясняет, почему надёжная эффективная дальность связи на диапазоне 75 метров сжимается и расширяется в соответствии с суточным циклом.
Ещё одним важным фактором является качество грунта, определяемое проводимостью и диэлектрической проницаемостью. Лепестки и провалы в диаграмме направленности антенны формируются сложением прямого и отражённого от земли лучей на удалении: они могут оказаться в фазе (лепесток), в противофазе (провал) или в любом промежуточном состоянии для промежуточных уровней мощности. Проводимость грунта в непосредственной близости от антенны влияет на входное сопротивление и степень поглощения мощности. Качество грунта в радиусе нескольких миль влияет на диаграмму направленности. Отличный грунт, например морская вода, обеспечит наилучшие результаты, тогда как плохой грунт поглотит больше мощности и существенно сместит фазу отражённого луча, значительно снизив мощность на низких углах. Различия в качестве грунта от одного места к другому объясняют, почему одна станция с относительно слабой антенной может иметь гораздо лучший сигнал — благодаря очень хорошему грунту, тогда как другая станция с тщательно оптимизированной антенной может иметь относительно слабый сигнал из-за плохого грунта. Поскольку качество грунта — данность, оператору с очень хорошим грунтом нет необходимости прилагать особые усилия к оптимизации установки, тогда как оператору с плохим грунтом следует оптимизировать антенну в максимально возможной степени. Средним грунтом считается грунт с проводимостью 5 миллисименс на метр (мСм/м) и диэлектрической проницаемостью 13. Рельеф местности в окрестностях антенны также влияет на диаграмму направленности. Высота подвеса над средним грунтом влияет на входное сопротивление следующим образом:
Таблица 1: Входное сопротивление центрально-запитанного резонансного полуволнового горизонтального проволочного диполя над средним грунтом.
В таблице 1 диполь моделировался над средним грунтом на различных высотах. Для каждой высоты длина диполя оптимизировалась до резонанса. Очевидно, что обычные диполи следует подвешивать на высоте около 41 фута (~12,5 м), если требуется достичь минимально возможного КСВ при питании 50-омным коаксиальным кабелем. Альтернативный вариант — петлевой диполь (folded dipole), который можно разместить на высоте около 16 футов (~5 м). Поскольку петлевой диполь обеспечивает трансформацию 4:1, входное сопротивление составит около 50 Ом. Кроме того, петлевой диполь имеет значительно более широкую полосу пропускания.
Положительным эффектом вертикального лепестка NVIS-антенны является ослабление приёма атмосферных помех от удалённых гроз (в дневное время), поскольку большая часть атмосферных помех приходит под углами ниже 15 градусов. Сужение вертикальной ширины луча антенны дополнительно снижает уровень шумов. Это достигается опусканием антенны до тех пор, пока не будет получено наилучшее соотношение сигнал/шум. Альтернативный вариант — поднять антенну до высоты 0,2 длины волны и установить под ней на земле рефлекторный элемент, создав тем самым двухэлементный волновой канал, что сузит ширину луча и увеличит усиление. Это дополнительно улучшит соотношение сигнал/шум на площадках с плохой почвой. Опыт показывает, что грозы слышны, когда они находятся в пределах эффективной зоны покрытия антенны, которая ночью значительно больше, чем днём. Когда грозы находятся поблизости, никакие манипуляции с антенной не улучшат ситуацию с помехами — но если ваш корреспондент находится, скажем, в 150 милях, а гроза — в 300 милях, опускание антенны определённо улучшит соотношение сигнал/шум за счёт сокращения эффективного радиуса действия, исключающего грозу из зоны покрытия.
Рабочая частота для конкретного времени выбирается в диапазоне между вертикальной МПЧ (максимально применимой частотой — наивысшей частотой, которая ещё отражается обратно при почти вертикальном падении) и верхней частотной границей интенсивного поглощения в слое D. Как правило, это 40 метров днём и 75/80 метров ночью. Диапазон 160 метров может использоваться в предрассветные часы, если ВЧ-излучение начинает пробивать слой F2 на 75 метрах. На практике диапазон 75 метров может использоваться для региональных контактов примерно с 17:00 до 9:00, а 40 метров обеспечит связь в течение дня с 9:00 до 17:00. Существует несколько важных исключений:
- 75 метров может быть бесполезен ночью в грозовые месяцы из-за высокого уровня помех — а 160 метров тем более.
- 75 метров может полностью «выпасть» в предрассветные часы из-за прекращения отражения от слоя F. Именно тогда может быть задействован диапазон 160 метров — при условии, что уровень атмосферных помех это позволит.
- 40 метров может стать непригодным в дневное время из-за солнечной активности. Другие диапазоны также будут затронуты.
Ещё один фактор, который следует учитывать, — земная волна. Если станции расположены достаточно близко, земная и пространственная волны смешиваются в приёмнике, вызывая многолучевые искажения из-за значительной разницы в длине путей. Например, для станций, удалённых друг от друга на 10 миль, земная волна пройдёт 10 миль, но пространственная — 200–300 миль. По этой причине земную волну необходимо ослаблять насколько возможно. Это достигается тем, что обе станции опускают антенны до практически минимальной высоты — обычно 10–15 футов (~3–4,5 м) на открытой местности и 4–6 футов (~1,2–1,8 м) на заборах.
Некоторые операторы, работающие в мобильном режиме, отмечали наличие небольшой «мёртвой зоны», простирающейся на несколько миль за пределами дальности земной волны. Это может иметь одну из двух причин, или обе сразу. Во-первых, стационарная станция работает в режиме NVIS, но мобильная использует вертикальный штырь. ВЧ-мощность, приходящая строго сверху над штырём, не может наводить в нём ток. Именно поэтому в военных полевых наставлениях предписывается пригибать штыревую антенну на технике. Во-вторых, некоторые исследователи предполагают, что вертикальный лепесток NVIS имеет крошечное «отверстие» прямо под углом 90 градусов. Обоснование заключается в том, что восходящая и нисходящая волны не могут занимать одно и то же пространство без фазового подавления — так что можно сказать, что существует «мёртвая зона», хотя и крошечная. Автор полагает, что оба этих механизма могут проявляться при определённых обстоятельствах.
NVIS: зачем это нужно?
В первую очередь — для полного устранения мёртвой зоны. Это улучшает все виды местной и региональной КВ-связи для любых практических и экспериментальных целей.
Аварийные группы, такие как ARES и RACES, изучают распространение NVIS, соответствующие методики и развёртывание оборудования для обеспечения готовности к чрезвычайным ситуациям. NVIS является предпочтительной системой тактической связи в горной местности, в любых районах без полного покрытия репитерами, а также во всех ситуациях, когда репитерные системы вышли из строя или могут выйти из строя. С недавним появлением серийно выпускаемых мобильных и даже портативных КВ-радиостанций КВ-связь и антенны, использующие распространение NVIS, должны стать значительно более популярными и полезными для тактической связи в условиях катастроф.
Исследователи и пользователи отмечают, что NVIS-антенны работают значительно лучше в долине, чем на вершине горы. Это обусловлено гораздо лучшей проводимостью грунта в долине по сравнению с сухой, скалистой горной вершиной. Этот приятный факт избавляет от необходимости лишних восхождений и позволяет использовать деревья как для подвеса антенны, так и для маскировки.
Стационарные любительские станции, оснащённые NVIS-антеннами, могут наслаждаться региональными сетями и неформальными беседами (рэгчу) без раздражающей мёртвой зоны. Это особенно полезно для контролёров сетей и групп, отрабатывающих действия в аварийных ситуациях. Всем стационарным станциям следует незамедлительно дополнить своё антенное хозяйство как минимум двухдиапазонной NVIS-антенной (описанной далее в этой статье).
Эксперименты с антеннами и распространением радиоволн — это УВЛЕКАТЕЛЬНО! Постройка и установка антенн — это самое близкое к «самоделкам», с чем сталкиваются многие радиолюбители. NVIS — это настолько простая область антенного экспериментирования, насколько это вообще возможно. Антенны просты и устанавливаются очень низко. Тонкий провод и нейлоновый шнур можно закрепить на деревьях на высоте, доступной с приставной лестницы. Снять диполь и внести в него изменения — дело нескольких минут, и это легко может сделать один человек без необходимости искать помощников или устраивать масштабное мероприятие.
NVIS-антенны незаметны. Ассоциации домовладельцев с их «коммунизмом по договору» ограничивают размещение видимых антенн и серьёзно подавляют удовольствие радиолюбителей, их готовность к чрезвычайным ситуациям, экспериментирование и новаторство. С NVIS тонкий провод можно протянуть через деревья или проложить вдоль верхнего края забора. Радиолюбитель, оснащённый таким образом, возможно, никогда не выиграет наград за DX на нижних диапазонах, но всё равно будет иметь достаточно возможностей для QSO и работы в сетях в пределах региональной зоны покрытия, обеспечиваемой NVIS-антенной в дневное время, а также некоторые возможности DX на нижних диапазонах ночью — особенно зимой, когда грозы прекращаются.
Если бы у вас могла быть только одна антенна, это должна быть NVIS-антенна с питанием через лестничную линию (ladder line) и антенный тюнер, поскольку в таком варианте она может использоваться на всех диапазонах. «Лучшей» многодиапазонной антенной, вероятно, является 260-футовый (~79 м) диполь или 520-футовая (~158 м) петля с 76 футами (~23 м) оконной лестничной линии и тюнером.
Как сделать хорошую NVIS-антенну
Лучшая NVIS-антенна — та, которая проста и эффективна. Один из популярных вариантов — двухдиапазонный диполь. Эта антенна состоит из двух диполей: одного на 75 метров (длиной около 122 футов / ~37 м) и одного на 40 метров (длиной около 65 футов / ~20 м), оба подключены непосредственно к 50-омному коаксиальному кабелю и подвешены в 5 точках на деревьях на высоте 10–12 футов (~3–3,6 м). Два диполя должны быть хорошо разнесены на концах, иначе они будут взаимодействовать друг с другом. Их можно растянуть в виде буквы «X» или «+». Полоса пропускания диполя на диапазон 75 метров будет весьма узкой (менее 100 кГц), поэтому целесообразно использовать два комплекта проводов с разнесённой настройкой. Некоторые исследователи рекомендуют, чтобы концы проводов были на несколько футов выше середины. Это увеличит усиление и несколько повысит входное сопротивление в точке питания. Если входное сопротивление окажется слишком низким для согласования, антенну следует выполнить в виде петлевого диполя (folded dipole), который повысит входное сопротивление в четыре раза. Размещение антенны над