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 prawie wszystkie armie świata. Ten rodzaj propagacji fal i 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, nieprzerwana łączność 24 godziny na dobę – znacznie poprawiony stosunek S / N – moc nadajników do 100 W, łatwy montaż anten ze względu na niskie zawieszenie nad gruntem.

Ze względu na nieodpowiednie wybieranie częstotliwości dla połączeń lokalnych oraz niewłaściwe anteny i występowanie strefy martwej, łączności lokalne na krótkich dystansach, w zakresach HF, często bywały niesatysfakcjonujące. 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 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. takich które są odbijane 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, zajmiemy się tylko dwiema warstwami jonosfery, tymi które mają najbardziej znaczący wpływ na propagację fal radiowych w zakresach HF. Warstwa D który 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.

Z punktu widzenia radioamatora, warstwa D nie jest korzystna, jest wręcz szkodliwa, ponieważ tłumi sygnał i utrudnia lub wręcz uniemożliwia prowadzenie łączności. Warstwa D może być korzystna dla wojska w warunkach pola walki, w celu prowadzenia łączności lokalnych, na niskich częstotliwościach, tak jak to się robi na zakresach UKF i UHF, ponieważ tłumiąc falę rozchodzące się w kierunku do warstwy F oraz w kierunku do satelitów szpiegowskich, uniemożliwia wrogowi podsłuchiwanie transmisji za pomocą satelitów. Częstotliwości radiowe z zakresu UKF i UHF wykorzystywane do lokalnej łączności w warunkach pola walki mają wiele zalet, jak np. szerokie kanały informacyjne umożliwiające dużą przepustowość informacji, mają też jedną bardzo poważną z punktu widzenia strategicznego wadę, przelatują przez jonosferę w kierunku satelitów szpiegowskich bez żadnych przeszkód. Wadę tą można próbować wyeliminować używając szyfrowania które jednak nie załatwia wszystkiego. Każdy szyfr w da się złamać, zawsze należy brać to pod uwagę, po za tym nawet bez rozszyfrowania informacji wiadomo w których momentach rośnie aktywność radiowa wroga. Najpoważniejsza wada, da się zlokalizować pozycję geograficzną stacji radiowej nadającej zaszyfrowane informacje.

Można by próbować używać anten kolinearnych o płaskiej charakterystyce kierunkowej, podobnej do talerza lecz i one dają się wykryć przez satelity znajdujące się tuż nad horyzontem. Jest pewne rozwiązanie które mogło by zdać egzamin, bardzo kierunkowe radiolinie o małej mocy z antenami „śledzącymi” automatycznie dostosowującymi kierunek do zmieniającego się położenia sygnału korespondenta będącego w ruchu, można to porównać do lufy czołgu która nie zmienia położenia pomimo że czołg jest w ruchu i ciągle manewruje to lufa utrzymuje stały kierunek śledząc cel. Jest bardzo mała możliwość że jakiś satelita szpiegowski znajdujący się nisko nad horyzontem, dodatkowo znajdzie się w osi wiązki anteny, a nawet jak jeden się znajdzie, to tylko na krótką chwilę, jednym satelitą nie można zlokalizować położenia nasłuchiwanej stacji.

W przypadku konfliktów zbrojnych pomiędzy państwami o wysokim stopniu zaawansowania i rozwoju gospodarczego, posiadające satelity szpiegowskie takie rozwiązanie może mieć kluczowe znaczenie. Typowym przykładem może być konflikt zbrojny pomiędzy Rosją a dowolnym innym państwem.

Chcąc uniemożliwić Rosji podsłuch łączności z pola walki przeciwnika, należy używać bardzo niskich częstotliwości do prowadzenia łączności lokalnych, np. od 500KHz do 4 MHz zależnie od pory doby. W tym zakresie częstotliwości sygnał nie wydostaje się w kosmos, oraz nie podlega odbiciu od jonosfery, jest możliwa łączność tylko w odległościach horyzontalnych jak z wykorzystaniem fal UKF czy UHF. Przykładowo na 1.5 MHz w trakcie dnia nie ma propagacji ale w zakresie horyzontalnym fali bezpośredniej czyli w promieniu około 30km, zależnie od wysokości zamocowania anten, jest dobra łączność i nie wydostaje się po za ten obszar. Ten sposób wykorzystania „niedobrej” warstwy D może mieć kluczowe znaczenie w walce z tak trudnym przeciwnikiem jakim jest Rosja czy inne zaawansowane technicznie mocarstwo.

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 częstotliwości MUF, która musi być na tyle wysoka żeby miała małe tłumienie w warstwie D, ale nie może być wyższa od częstotliwości krytycznej aby uniknąć przechodzenia przez warstwę F uniemożliwiając odbicie w kierunku do ziemi. Przechodząc przez warstwę D prostopadle straty są minimalne, 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 częstotliwości do 4 MHz są wykorzystywane latem do pracy w nocy czasu lokalnego, od godziny 17 wieczorem do godziny 9 rano a częstotliwości 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 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, czy też 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 przeciwwagami (reflektorami) w odległości 1/8 fali lub niżej.

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

Antena Double bazooka powieszona 1/20 nad reflektorem umieszczonym nad ziemią – to rozwiązanie wykazuje wybitnie dobre właściwości.

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 dwu elementowy 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, bliżej ziemi z zawieszeniem dipola i powiesić nad jednym lub więcej izolowanych przewodów o długości o 5% większej od promiennika anteny. Pionowe promieniowanie dipola może zauważalnie wzrosnąć, jeśli użyjemy kilku przewodów reflektora. Końcowe dostrajanie anteny, osiąga się przez zmianę wysokości anteny nad ziemią, 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 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 drutem bezpośrednio z anteną, bez pośrednictwa kabla koncentrycznego pomiędzy skrzynką antenową a zasadniczą anteną.

Na zdjęciu poniżej widzimy pancerwagen, pojazd łączności wykorzystywany w armii niemieckiej w czasie II wojny światowej. Dzięki zainstalowanej antenie NVIS armia niemiecka dysponowała bardzo sprawną łącznością pomiędzy oddziałami frontowymi a sztabem dowodzenia co bezpośrednio przyczyniło się do szybkiego osiągania założonych celów lub ich korekcji w dynamicznie zmieniającej się sytuacji pola walki.

Szkoda że Polska armia nie miała dobrej łączności, być może losy wojny potoczyły by się inaczej, w naszej armii rozkazy przeważnie były wysyłane listownie za pomocą kurierów konnych. Opisując pancerwagena z anteną do łączności NVIS nie próbuje gloryfikować armii hitlera. Mój dziadek Antoni był jednym z młodych obrońców Twierdzy Modlin w kampanii wrześniowej. Dziadek wiele razy opowiadał  mi o tamtych czasach, i na prawdę nie mam za co lubić najeźdźców. Dziadek wspominał wielokrotnie o przewadze technologicznej i logistycznej wroga, które jak widać są bardzo istotne w osiąganiu sukcesów na polu walki. Nie wszystko da się załatwić duchem walki i niezłomnością, przykładem sławetna bitwa pod Wizną, Westerplatte czy Powstanie Warszawskie.

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