Перевод- “РадиоАлерт”
Зенитное излучение (в англоязычной терминологии NVIS, Near Vertical Incidence Skywave – волна почти вертикального распространения) – техника использования свойств ионосферы, при которой наиболее сильный сигнал от радиостанции распространяется вертикально вверх, а не в направлении к горизонту. Сигналы, распространяющиеся почти вертикально, достигают ионосферы под острыми углами и могут отражаться обратно в направлении Земли под такими же острыми углами. Практическим воплощением этой техники становится связь отражённой волной, уверенно работающая в радиусе нескольких сотен миль. Применение антенн зенитного излучения, АЗИ, позволяет закрыть брешь между покрытием, обеспечиваемым на УКВ ретрансляторами и станциями в прямом канале, и более дальней коротковолновой связью с направлением антенны в горизонт.
Техника работы АЗИ опирается на сочетание характеристик радиостанции, среди которых наиболее важные – применяемая частота, излучаемая мощность, и конфигурация антенны. Рассмотрим каждую из них в разрезе использования техники зенитного излучения.
Частота: отражающий эффект ионосферы изменяется в зависимости от частоты [волны, которая на неё попадает]. Отражение сигналов тем менее значительно, чем выше их частота. Вот почему волны двухметрового диапазона (144-146 МГц) и более высокочастотных диапазонов почти никогда не распространяются подобным способом. Коротковолновые диапазоны от 10-метрового (28 МГц) до 30-метрового (10 МГц) зачастую успешно отражаются обратно к земной поверхности, будучи излучёнными в направлении к горизонту, в этом случае они встречаются с ионосферой под острыми углами. Такое распространение волн обеспечивает длинные скачки на расстояния порядка 2500 миль (4 000 км – прим. перев.) каждый. Однако, ионосфера обычно не обладает свойствами достаточными, чтобы отразить обратно к Земле волны этих высокочастотных КВ-диапазонов, если они направлены от поверхности под углом, близким к 90 градусам.
Свойств ионосферы вполне достаточно, даже под острыми углами встречи с волной, для отражения обратно к Земле волн низкочастотных КВ диапазонов, а именно 40-метрового (7 МГц), 60-метрового (5,3 МГц), и 80-метрового (3,5 МГц). Эти диапазоны лучше всего подходят для техники зенитного излучения, даже в дневное время, когда более дальнее распространение отражённой волной неработоспособно в силу поглощения слоем D.
Излучаемая мощность: мощность передатчика при использовании техники зенитного излучения не должна быть велика. Очень надёжная связь может быть обеспечена стандартными для многих трансиверов ста ваттами. При подходящем состоянии ионосферы гораздо более низкая мощность обеспечивает уверенную связь. Когда ионосферные условия менее благоприятны, поддержать надёжность связи зенитным излучением можно, подключив усилитель мощности. Обычная практика для работы зенитным излучением – увеличение мощности в дневные часы, когда слой D поглощает сигналы, значительно ослабляя их.
Слой D в ионосфере обычно в дневное время поглощает сигналы диапазонов ниже 30-метрового, поэтому в дневное время связь отражённой волной на большие дистанции ненадёжна. Эти диапазоны открыты для длинных скачков в ночное время, когда слой D рассеивается и слой F отражает данные частоты. Однако, поскольку сигналы зенитного излучения падают на него под острыми углами, дистанция прохождения через слой минимальна, сравнительно с сигналами, направленными к горизонту. Как результат, минимально и поглощение сигналов зенитного излучения слоем D, и в дневные часы связь зенитным излучением вполне работоспособна при разных ионосферных условиях.
Конфигурация антенны: пожалуй, самая важная характеристика радиостанции, и, безусловно, самая оспариваемая в обсуждениях радиолюбителей, это выбор антенны для зенитного излучения, наилучшим образом формирующей вертикально направленные сигналы. Рассмотрим сперва основные вопросы, а затем углубимся в некоторые детали, по которым нет единодушия.
Антенна с горизонтальной поляризацией обеспечивает наилучшее зенитное излучение. Проволочный полуволновой диполь, с длиной, подобранной для используемой частоты, очень эффективный и также широко распространённый вид антенны для зенитного излучения. Горизонтальные полноволновые, рамочные антенны также очень эффективны. В случае с полуволновым диполем хорошо работает полностью развёрнутая конфигурация либо слегка наклонная в форме инвертед-V. Но, вне зависимости от конкретного типа используемой антенны с горизонтальной поляризацией, ключевым моментом является высота антенны над поверхностью.
Чтобы направить основную часть излучения вертикально, антенна должна быть расположена относительно низко над землёй. Взаимодействие напрямую излучённых сигналов с отражёнными от земли приводит к усилению сигнала, излучённого в вертикальном направлении, при условии, что горизонтальная антенна находится над поверхностью на высоте значительно меньшей, чем половина волны. Высота над поверхностью при работе зенитным излучением обычно составляет менее четверти длины волны, и многие операторы предпочитают ещё меньшую высоту в силу подтверждённых улучшений в эффективности. Для надёжной связи зенитным излучением часто используется высота 1/8 или 1/10 длины волны. На 40-метровом диапазоне диполь, поднятый на высоту всего 4 метров, способен обеспечить весьма устойчивое распространение волн зенитным излучением на расстояние нескольких сотен миль.
Касательно точной высоты подвеса антенны зенитного излучения над поверхностью общего согласия нет. Модели антенн, по сообщениям Джека Свиндена W5JCK (опираясь на работы Л.Б. Себика W4RLN), обещают наилучшую эффективность на 40-метровом диапазоне при подвесе на высоте 0,175 длины волны (7 метров) над поверхностью, и на 80-метровом диапазоне при подвесе на высоте 0,165 (13 метров) над поверхностью. Пат Ламберт WØIPL провёл обширные исследования и сообщает о наилучшем покрытии при подвесе на высоте всего 1/120 длины волны. Он отмечает, что шум значительно снижается, если антенна расположена ниже 1/8 длины волны, и что связь с близко расположенными станциями (удалением до 300 миль) значительно улучшается при настолько низко размещённой антенне, в особенности на 80-метровом диапазоне.
Другие факторы: помимо высоты антенны, мощности, и частоты, на эффективность влияют и другие условия. Высота над поверхностью влияет на сопротивление точки питания диполя. Когда диполь размещается ниже четверти волны над поверхностью, сопротивление точки питания значительно понижается, и КСВ может повыситься. Для наилучшей эффективности желательно подрезать дипольную антенну на высоте, на которой её планируется использовать.
Проводимость почвы по месту размещения может повлиять на эффективность антенны, приёмные качества ухудшаются над каменистой или песчаной сухой почвой. С более проводящей подстилающей поверхностью, над более влажной почвой, приёмные возможности антенны улучшатся. Это приводит нас к следующему фактору, по которому нет согласованного мнения, а именно использованию лежащей на земле проволоки, параллельной горизонтальным элементам диполя. Вы можете представить себе эту конструкцию как нацеленную вверх двух-элементную антенну Яги, в которой наземная проволока представляет собой “отражатель”.
Дополнительный проволочный рефлектор обычно имеет длину на 5% больше элемента антенны, под которым располагается. Расстояние от излучающего элемента до отражателя обычно рекомендуется порядка 0,15 длины волны, хотя обсуждаются и другие значения. Различные источники рекомендуют приподнимать над поверхностью отражатель на высоту 0,01-0,06 длины волны (1,24-7 футов для диапазона 40 метров) ради лучшей эффективности и меньшего влияния на КСВ антенны в рабочей полосе частот. Применение проволочного отражателя несколько сужает полосу пропускания антенны, и Джек W5JCK отмечает существенно сужение на 25-50% с проволокой на земле либо вблизи неё. Более того, его данные свидетельствуют об улучшении работы антенны на передачу с такими отражателями всего на 0,2 дБ, в лучшем случае на 0,7 дБ. Таким образом, встаёт вопрос об оправданности использования проволочного отражателя. С другой стороны, Пат WØIPL сообщает об улучшении сигнала на передачу с наземным отражателем до значения 6 дБ.
Результатом этих противоречащих данных и отчётов служит тот факт, что область конфигураций антенн зенитного излучения является едва тронутой целиной для экспериментов! Наиболее вероятно, что расхождения в моделировании, отчётах и утверждениях являются следствие влияния неконтролируемых факторов, влияющих на эффективность антенн зенитного излучения. Проводимость почвы, высота над поверхностью, реализация и конфигурация проволочного отражателя, наличие других ВЧ-проводников поблизости, меняющиеся атмосферные условия, уровни мощности передатчика, качество линии питания, точность измерения уровня сигнала, и, вероятно, множество других факторов влияют на эффективность антенны зенитного излучения. Таким образом, пожалуй, наилучшим подходом будет ознакомиться с теорией и затем опробовать несколько вариантов, чтобы выяснить, что работает лучше всего в ваших условиях и в вашей конкретной ситуации.
Подводя итог по антеннам: если вы не стремитесь к совершенству, пытаясь управлять перечисленными противоречивыми факторами, наиболее работоспособным вариантом представляется горизонтальный луч на высоте дробной длины волны, который обеспечит вам удовлетворительный радиус радиосвязи. Я (автор текста, Стюарт Тёрнер WØSTU) часто разворачиваю диполь на диапазон 40 метров в форме инвертед-V или полностью раскрытым на 1/10 длины волны над поверхностью, без проволочного отражателя над каменистой сухой почвой штата Колорадо. С мощностью 100 Ватт мне часто удаются связи в пределах 25-300 миль. Ниже следует описание моего решения задачи антенны зенитного излучения, это один из множества различных способов реализовать такую антенну.
Концепция портативного диполя зенитного излучения на диапазон 40 метров. Этот диполь создан с возможностью быстрого переключения между проволочными элементами и нагруженными элементами антенны типа Hamstick. Центральной деталью служит кронштейн MFJ-347 Double T Pipe Mount. Он легко крепится к любой мачте диаметром до 1/25”, в моём случае используется раздвижная малярная “удочка”, опирающаяся на б/у-шный штатив для прожектора. Этот кронштейн MFJ оснащён разъёмом SO-239 и двумя стандартными винтовыми антенными креплениями типоразмера 3/8”– 24. Одно винтовое крепление соединено с центральной жилой коаксиального разъёма, а второе с оплёткой. Попросту подключаете пару элементов, каждый в свой разъём, и в вашем распоряжении диполь. При закреплении кронштейна на малярной удочке, раздвигающейся до 13 футов, и с элементами, развёрнутыми и закреплёнными надлежащим образом, диполь зенитного излучения готов к работе.
В случае с проволочным диполем полной длины, я вкручиваю в крепления пару болтов с соответствующей резьбой и прижимаю ими пару кольцевых контакторов с припаянной к ним проволокой. Либо же я прибегаю к удобным Hamstick’ам, а именно MFJ-1640T. Они вкручиваются в крепления взамен болтов с проволочными элементами. Полоса пропускания по КСВ более узкая и эффективность ниже (примерно -3 дБ) при использовании укороченных элементов, но такая антенна может быть быстро развёрнута и в большинстве случаев обеспечивает надёжную связь в технике зенитного излучения.
Зенитное излучение – один из моих самых любимых способов работы в эфире. Я получаю настоящее удовольствие, связываясь с радиолюбителями своей округи вне зоны покрытия ретрансляторов. Попробуйте и вы развернуть свой низковисящий диполь и поработать в зенит!
Источник – hamradioschool.