Antena NVIS

Antena NVIS

Antena NVIS, to skrót od sposobu propagacji fali (Near Vertical Incidence Skywave) antena promieniująca fale radiowe pionowo w górę. Po polsku – antena promieniowania pionowego, w skrócie APP wykorzystywana przez wojsko polskie, a właściwie przez  armie wielu państw. Ten rodzaj propagacji fal uzyskiwany za pomocą odpowiednich anten, jest używany do zapewnienia 100% pewnej łączności 24h na dobę na obszarze całego, średniej wielkości państwa. Z samej zasady działania wiadomo, że ten rodzaj propagacji nie nadaje się do pracy DX’owej. Zalety pracy NVIS są następujące: brak wpływu strefy martwej w promieniu do 500 km, pewna i nieprzerwana łączność przez 24 godziny na dobę, łatwy montaż anten ze względu na niskie zawieszenie nad gruntem, znacznie poprawiony stosunek S/N, możliwość używania nadajników o mocy do 100 W w celu uzyskania silnego sygnału w odbiorniku korespondenta. Już przy mocach rzędu 2W odbierane sygnały są wystarczająco silne w stacji odbiorczej. Teren górzysty nie przeszkadza w uzyskiwaniu silnych sygnałów, zapewniających dobrą jakość łączności. W propagacji NVIS wiązka fali radiowej odbija się od warstwy F jonosfery pod bardzo ostrym kontem wracając niemal pionowo w dół.

Łączności lokalne na krótkich dystansach w zakresach fal krótkich „HF”, często bywały niesatysfakcjonujące ze względu na nieodpowiednie wybieranie częstotliwości dla połączeń lokalnych, oraz niewłaściwe anteny i występowanie strefy martwej. Obszar strefy martwej zaczyna się w odległości gdzie fala przyziemna słabnie wraz z odległością, a jeszcze nie występuje odbicie jonosferyczne. Przy pomocy propagacji NVIS i anten NVIS, można rozwiązać problem gdy górzysty teren uniemożliwia łączność w pasmach VHF / UHF. Ten sposób komunikacji jest używany w komunikacji wojskowej oraz radiowych służb ratunkowych i kryzysowych w Stanach Zjednoczonych, oraz FCC (Radio Amateur służby awaryjne) a także Ares sieci ARRL za (Amateur Radio pogotowie).

Ten system umożliwia pewną łączność 24 godziny dobę, w promieniu do około 300 km czyli okrągu o średnicy 600 km, dla potrzeb lokalnych łączności w zakresach HF. Obszar wykorzystania propagacji NVIS jest w stanie pokryć swym zasięgiem większość całych państw wielkości Polski. Propagacja NVIS odbywa się z wykorzystaniem anteny promieniującej pionowo pod kątem 70° do 90° przez odbicie od warstwy F jonosfery w kierunku do ziemi. W celu wykorzystania tego zjawiska konieczna jest praca na częstotliwościach, poniżej częstotliwości krytycznej, tj. takiej która jest odbijana przez warstwę F. Jest to bardzo skomplikowany proces, zależny od stanu jonosfery, która zmienia się zależnie od pory doby (dzień i noc), pór roku, 11-letniego cyklu aktywności słonecznej, oraz wielu innych czynników.

Nie wnikając w szczegóły, biorąc pod uwagę tylko stan jonosfery, interesujące są tylko dwie warstwami jonosfery, te które mają najbardziej znaczący wpływ na propagację fal radiowych w zakresach HF. Warstwa D która tłumi sygnał i warstwa F która umożliwia odbicie sygnałów w kierunku do Ziemi. Warstwę D można sobie wyobrazić porównując ją do mgły która ogranicza nam widoczność, a warstwę F do tafli wody, która odbija światło i obraz.

Warstwa D uniemożliwia odbicie wiązki fali radiowej, więc jest wręcz szkodliwa, ponieważ tłumi sygnał i utrudnia lub wręcz uniemożliwia prowadzenie łączności, warstwa F jest konieczna do prowadzenia łączności z wykorzystaniem odbicia od jonosfery niczym obrazu w tafli jeziora. Warstwa D tworzy się w ciągu dnia, na wysokościach pomiędzy 50 a 100 km, nocą warstwa D zanika a warstwa F rozciąga się na wysokości około 400 km nad ziemią.

Konieczne jest określenie optymalnej częstotliwości do pracy z wykorzystaniem propagacji NWIS. Zazwyczaj nazywana jest optymalną częstotliwością roboczą (FOT, fr. Frequence Optimum de Trafic) przyjmuje się że FOT=0,85*MUF.

Ta częstotliwość musi być na tyle wysoka, żeby miała małe tłumienie w warstwie D, lecz nie może być wyższa od częstotliwości krytycznej MUF, aby uniknąć przenikania fali przez warstwę F i ucieczkę prosto w kosmos, uniemożliwiając odbicie w kierunku do ziemi.

Wiązka radiowa przechodząc niemal pionowo w górę przez warstwę D, wykazuje minimalne straty w przeciwieństwie do propagacji pod niskim kątem, który powoduje dwukrotnie dłuższą drogę przez warstwę D. Te zależności wynikają ze stanu jonosfery, która zmienia się z godziny na godzinę.

Na podstawie badań propagacji pomiędzy częstotliwościami 2 MHz a 10 MHz, zauważono, że latem częstotliwości do 4 MHz są wykorzystywane do pracy w nocy czasu lokalnego, od godziny 17 wieczorem do godziny 9 rano. Częstotliwości z zakresu od 7 do 10 MHz przez cały dzień czasu lokalnego, od godziny 9 rano do godziny 17 wieczorem.

Zimą są możliwe łączności lokalne przez cały dzień na częstotliwościach do 4 MHz a nocą trzeba skorzystać z niższych częstotliwości poniżej 2 MHz.

Wiadomo, że częstotliwości w paśmie 80 m lub 40 m są używane przez radioamatorów. W naszym przypadku ustalamy częstotliwości pracy NVIS, na przykład w ciągu dnia 7150 kHz a w nocy 3715 kHz. Konstrukcyjnie anteny NVIS są antenami drutowymi, z innymi rozwiązaniami jak na razie nie spotkałem się.

Jeżeli antena promieniuje maksymalną moc pod dużymi kątami od 70 do 90 stopni, to sygnał będzie odbijany z powrotem do  Ziemi i obejmie obszar o średnicy około 600 km w tym całą martwą strefę, oraz strefę gdzie wciąż występuje silna fala powierzchniowa. W tym przypadku może dochodzić do  interferencji tych dwóch fal, które przeszły różne drogi i mają różne fazy, co może powodować zaniki odbioru. Jest zatem konieczne ograniczenie promieniowania fali powierzchniowej. Osiąga się to poprzez zmniejszenie mocy nadajnika do 100 W, jak również przy pomocy anten promieniujących pod maksymalnie wysokim kątem, co zapewni pokrycie terenu wyłącznie falami odbitymi od jonosfery.

Antena otrzyma maksimum sygnałów padających pod kątem prostym nie otrzymując zakłóceń, oraz szumu atmosferycznego i wyładowań statycznych, które przychodzą z daleka pod niskim kątem, oraz innych zaburzeń przychodzących z daleka, jest to bardzo dobrze zauważalne na niższych częstotliwościach. W ten sposób radykalnie zwiększa się stosunek sygnał / szum, ponieważ drastycznie spadnie szum i zakłócenia przychodzące pod niskim kątem. Propagacja NVIS wymaga anten NVIS, czyli promieniujących sygnał pod bardzo wysokim kątem, maksymalnie w górę. Jednocześnie wymaga maksymalnej redukcji promieniowania pod małymi kątami. Anteny do łączności NVIS nie odbierają odległych sygnałów, przychodzących pod niskim kątem, więc nie nadają się do pracy DX’owej.

Anteny, które spełniają te założenia to:

Antena poziomy dipol osadzony nisko nad ziemią lub reflektorem, w odległości 1/8 do 1/20 fali.

Poziomy kwadrat lub delta pozioma nisko powieszona, dołożenie reflektora bezpośrednio nad ziemią zwiększa zysk układu.

Antena Double bazooka powieszona 1/20 fali nad reflektorem umieszczonym nad ziemią – takie rozwiązanie wykazuje wybitnie dobre połączenie w pracy NVIS.

Dipol nisko zawieszony nad ziemią zmienia swoje właściwości. Zmienia się charakterystyka promieniowania dipola tak, że maksymalny kąt promieniowania to 90 stopni, jednocześnie spada wartość impedancji wejściowej. Ze względu na niskie zawieszenie anteny, blisko ziemi, pogarsza się sprawność instalacji ponieważ powstają straty w ziemi. Można przeciwdziałać stratom w ziemi rozciągając pod anteną reflektor na wysokości 20 cm nad gruntem.

Aby wykorzystać zalety dipola zasilanego z jednego końca, mającego wysoką impedancję wejściową, dla zminimalizowania strat w ziemi oraz zwiększenia zysku stosujemy reflektor dłuższy o 5% od anteny w pewnej odległości nad ziemią. Więc uzyskujemy zorientowany pionowo dwuelementowy układ antenowy. To samo odnosi się do poziomej delty czy poziomego kwadratu.

Możemy wykorzystać asymetryczny dipol znanej anteny WINDOM, stosowany tylko dla pasma 80 metrów. Antena powinna być zawieszona nisko nad ziemią i dla zwiększenia zysku anteny stosujemy reflektor który pozwala na uzyskanie takich samych rezultatów jak w przypadku dipola.

Można zejść w dół z zawieszeniem dipola, jeszcze bliżej ziemi i rozciągnąć pod nim jeden, lub więcej izolowanych przewodów o długości o 5% większej od promiennika anteny. Pionowe promieniowanie dipola może zauważalnie wzrosnąć, jeśli użyjemy kilku przewodów reflektora rozstawionych w pewnych odległościach od siebie. Końcowe dostrajanie anteny osiąga się, przez zmianę wysokości anteny nad ziemią lub przewodami reflektorów, ponieważ przewodność ziemi w lokalizacji użytkownika bywa różna. Jest to nieuniknione ze względu na niskie częstotliwości, które przenikają do gleby oraz odbijają się od ziemi i okolicznych budynków. Ponadto, poprzez zmianę długości i położenia drutu anteny nad przeciwwagą (reflektorektorem) można wykorzystać w dostrajaniu.

Ponieważ anteny dla niskich zakresów są przeważnie stosunkowo nisko zawieszane, często nie mamy świadomości, że w praktyce już częściowo wykorzystujemy technikę pracy NVIS. W celu osiągnięcia maksymalnych korzyści z propagacji NVIS konieczne jest aby wszyscy korespondenci korzystali z anten NVIS, oraz pracy w zakresach częstotliwości 2 do 10 MHz w zależności od pory doby.

Według większości publikacji, najbardziej optymalna wysokość zawieszenia anteny NVIS nad ziemią, lub jeszcze lepiej nad reflektorem, to tylko 1/20 fali a nie 1/8 czy 1/10 jak podają inne źródła, zamierzam kiedyś dokładnie zbadać te zależności. Zatem optymalna wysokość zawieszenia na 7 MHz to 2 m a na 3.7 MHz 4m nad ziemią lub lepiej nad reflektorem, reflektor warto zawiesić 20 cm nad gruntem, czyli 2 m wysokość zawieszenia anteny nad reflektorem a 2.2 m nad gruntem dla 7 MHz i adekwatnie 4.2 m dla 3.7 MHz.

Do pracy mobilnej NVIS, anteny pionowe należy położyć poziomo. Ja do mobilnej pracy NVIS, zamierzam wykorzystać antenę WA-27 zasilaną poprzez coupler, czyli skrzynkę antenową montowaną bezpośrednio pod anteną. Wyjście skrzynki antenowej musi być połączone zwykłym drutem bezpośrednio z anteną, bez pośrednictwa kabla koncentrycznego pomiędzy skrzynką antenową a zasadniczą anteną. Kabel koncentryczny stosujemy wyłącznie pomiędzy radiem a skrzynką antenową (couplerem).

Na zdjęciu poniżej widzimy wojskowy pojazd łączności wykorzystywany w zwiadzie armii niemieckiej w czasie II wojny światowej. Dzięki zainstalowanej antenie ramowej, armia niemiecka dysponowała bardzo sprawną łącznością pomiędzy oddziałami frontowymi a sztabem dowodzenia, co bezpośrednio przyczyniało się do szybkiego osiągania założonych celów, lub ich korekcji w dynamicznie zmieniającej się sytuacji pola walki. Dzięki doskonale funkcjonującej niemieckiej łączności, wróg posiadał bardzo dobrą świadomość sytuacyjną pola walki, co umożliwiało dowództwu sprawne podejmowanie decyzji. Czas podejmowania decyzji oraz ich korekcja, odgrywają kluczową rolę w warunkach pola walki, a to może zapewnić tylko sprawna łączność radiowa.

Niemcy jako pierwsi postawili na sprawną łączność, żeby móc szybko reagować na dynamicznie zmieniające się sytuacje na froncie. Używali do tego odpowiednio wybieranych częstotliwości radiowych, lecz przede wszystkim odpowiednich anten, często o charakterystykach NVIS. To zapewniało im sprawną oraz niezakłóconą łączność, pomiędzy sztabem dowodzenia a oddziałami frontowymi.

 

Antena NVIS na pojeździe łączności Pancerwagen z pętlową anteną NVIS
Wojskowy pojazd łączności z zamontowaną pętlową anteną NVIS

 

W trakcie kampanii wrześniowej, głównym problemem armii polskiej był całkowity brak świadomości sytuacyjnej na polu walki, uniemożliwiającej sprawne dowodzenie. Głównym powodem takiego stanu rzeczy był brak sprawnej łączności. Rozkazy z dowództwa armii w Warszawie do wojsk frontowych, przekazywano listownie za pomocą kurierów konnych !!! Sprawne dowodzenie, to szybkie podejmowanie decyzji oraz wydawanie rozkazów adekwatnych do aktualnej sytuacji na froncie.

Szkoda że Polska armia nie miała sprawnej łączności, być może losy wojny potoczyłyby się inaczej. Przedstawiając „pancerwagena” z poziomą anteną ramową, nie próbuje gloryfikować armii hitlera a jedynie wykazać przewagę sprawnej łączności radiowej nad „innymi formami łączności”. W tym samym czasie w polskiej armii, rozkazy przeważnie były wysyłane listownie za pomocą kurierów konnych. Różnica w mobilności oraz szybkości przekazywania rozkazów jest nieporównywalna w żaden sposób.

Mój śp. dziadek Antoni w trakcie kampanii wrześniowej, był jednym z młodych obrońców Twierdzy Modlin. Dziadek wiele razy opowiadał  mi o tamtych czasach, więc naprawdę nie mam za co lubić najeźdźców. Dziadek wspominał wielokrotnie o przewadze technologicznej oraz logistycznej wroga, które jak pokazała historia, są niezwykle istotne w osiąganiu sukcesów na polu walki. Nie wszystko można załatwić odwagą, niezłomnością oraz duchem walki, przykładem sławetna bitwa pod Wizną, Westerplatte czy Powstanie Warszawskie. To były czyny niezwykle bohaterskie lecz zarazem tragiczne, a jak wiemy pomimo całego bohaterstwa zakończone klęską.