Térhullám
Térhullámnak nevezzük azt a rádiófrekvenciás terjedési módot, amelyben részt vesz az ionoszféra rádióhullámokra gyakorolt visszaverő hatása. Ennek a terjedési módnak a felhasználásával nagy távolságok hidalhatók át.
A reflexió sohasem veszteségmentes, ezért a visszavert térhullámoknál mindig kisebb-nagyobb járulékos csillapítással kell számolni. Az ionoszféra csillapítása frekvenciafüggő: a kisebb frekvenciák csillapítása nagyobb, mint a nagyobb frekvenciáké.[1]
Az ionoszféra hatása a rádióhullámokra
[szerkesztés]![](http://178.128.105.246/cars-http-upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/39/Ionoszfera-rajz.png/220px-Ionoszfera-rajz.png)
A rádióhullámok terjedési sebessége (vi) az ionoszférában valamivel nagyobb, mint a troposzférában és lényegében az elektronkoncentráció és a frekvencia függvénye:
- k – egy időben változó tényező
- N – az elektronkoncentráció (e/m3)
- f – a frekvencia (Hz)
- c fénysebesség (m/s)
Az N és a k értékei időben változnak, aktuális értékei leolvashatóak ITT.
![](http://178.128.105.246/cars-http-upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/84/Ionosphere-ref.png/220px-Ionosphere-ref.png)
Az összefüggésből látható, hogy az N elektronkoncentráció növekedésével – adott frekvencián-a terjedési sebesség is növekszik. Ha a hullámhomlok nem merőlegesen, hanem 90°-nál kisebb szöggel lép be az ionoszférába, a hullámhomlok felső része "gyorsabb", mint az alsó része. Az eltérő terjedési sebesség következtében a terjedési irány megtörik és elegendő nagy elektronkoncentráció esetén a hullám a Föld felé visszaverődik.
A jelenséggel kapcsolatosan az alábbi összefüggések érvényesek
- Minél nagyobb az üzemi frekvencia, annál nagyobb elektronkoncentráció szükséges a reflexió feltételeinek biztosítására.
- A térhullám visszaverődése a Föld felé annál könnyebben valósul meg, minél laposabban lép be az ionoszférába.
Kritikus frekvencia (fkr) az a legnagyobb frekvencia, amely az ionoszférát merőlegesen elérve még visszaverődik. A φ belépési szög függvényében meghatározható a felső üzemi határfrekvencia, a MUF (angolból: Maximal Usable Frequency). A MUF és kritikus frekvencia közötti összefüggés:
- fkr – kritikus frekvencia
- φ – belépési szög
- Θ – kisugárzási szög
A visszavert rádióhullám visszatérési távolságának becslése tökéletes tükrözést feltételezve
[szerkesztés]Kiindulási értékek:
- φ – a kisugárzás vertikális szöge
- lr – a visszaverő réteg talaj fölötti magassága km-ben (E=120 F1=250 F2=300)
- r – a Föld sugara km-ben (6 371)
Először kiszámítjuk a β törési szöget:
Kiszámítjuk a kisugárzás és a beérkezés közti navigációs szöget (γ):
Végül megkapjuk az l távolságot:
A képlet néhány értékre kiszámolva, az l értéke km-ben:
Réteg | Kisugárzási szög | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
0 | 20 | 40 | 60 | 80 | 85 | 89 | |
E | 1883 | 1319 | 878 | 505 | 164 | 82 | 16 |
F1 | 3135 | 2197 | 1464 | 841 | 247 | 137 | 27 |
F2 | 3758 | 2635 | 1756 | 1009 | 329 | 165 | 32 |
Terjedés többszörös visszaverődéssel
[szerkesztés]![](http://178.128.105.246/cars-http-upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/22/Ionosphere-multiref.png/220px-Ionosphere-multiref.png)
Többszörös terjedés akkor fordul elő, amikor a Föld azon pontján lép be a rádióhullám az ionoszférába, ahol a szürkületi időben meszűnik az F2 réteg. Ilyenkor előfordulhat, hogy a legyengülőben lévő E rétegen áthatol a hullám és az F rétegről verődik vissza. Az innen visszavert hullám az E réteg egy erősebben visszaverő részére irányul, ahonnan ismét visszaverődik az F2 rétegre. A hullám a 2 réteg között oda-visszaverődve terjed, mindaddig, amíg az E réteg olyan pontjára nem kerül, ami már kevésbé visszaverő hatású, és így ismét visszajut a talajra.
Ilyenkor létrejöhet olyan hatás, hogy a Föld azon pontján lép be, ahol napnyugta van, végigpattog a nappali oldalon, és ott érkezik a talaj irányába, ahol napkelte van, vagy fordított irányban. Kelet-nyugat irányban ez azon a félgömbön történik így, amelyen tél van, és a rövid nappalok miatt gyenge, vagy hiányzik az F1 réteg.
Jellemző még a szürkületi zónák vonalán is ez a terjedés, észak-dél irányban, vagy fordítva.
A napkeltekor végbemenő ionizáció, és a napnyugta időszakában bekövetkező rekombináció területileg nem egyenletes, ezekben a zónákban szigetszerűen keletkeznek, illetve szűnnek meg az ionoszféra adott rétegei. A folyamat véletlenszerű, így az is véletlenszerű, hogy mely irányokban van ilyen módon terjedés.
Az ionoszférát befolyásoló külső hatások[2]
[szerkesztés]A Napból érkező ionizáló sugárzások
[szerkesztés]A Napból érkező ionizáló sugárzások a légkört alkotó gázokat ionizálják. Az ionizáció mértéke függ az ionizáló sugárzás energiájától, az ionizáló sugárzás hullámhosszától, és a gázok anyagi minőségétől. Az légkört alkotó gázok ionizációját kiváltó hullámhosszokat és az ionizációt kiváltó energiákat az alábbi táblázat foglalja össze:
Gáz | O2 | O | N2 | N | He | H2 | H | NO |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
λkr (nm) | 102.6 | 91 | 79.5 | 85 | 50,3 | 80,2 | 91 | 134 |
eUkr (eV) | 12.2 | 13.6 | 15.5 | 14.5 | 24.6 | 15.4 | 13,6 | 9.25 |
A nappali órákban a Nap sugárzásának hatására különböző magasságokban 4 ionizált réteg keletkezik:
- D réteg 60 – 80 km
- E réteg 100 – 120 km
- F1 réteg 189 – 200 km
- F2 réteg 250 – 450 km
Naplemente után félbeszakad az új elektronok képződési folyamata, megkezdődik a rekombinációs folyamat, amely időben hamar végbemegy, különösen a légkör alsóbb, sűrűbb rétegeiben. Ez a magyarázata a D réteg naplemente utáni gyors eltünésének.
Szintén gyorsan eltűnik az F1 réteg is. Az éjszakai órákban az ionoszféra csak két rétegből áll, az E és az F2 rétegekből.
A napfoltok 11.3 éves ciklusa leginkább a 12 – 30 MHz-es frekvenciatartományban folyásolják be a terjedést. Ebben a tartományban napfoltmentes időszakban nincs használható ionoszférikus terjedés. Ez 3 ~ 4 éves időszak, ilyenkor távolsági összeköttetések ezeken a sávokon nem hozhatók létre.
Napfoltmentes időszakokban kevesebb ionizáló UV és röntgensugárzás éri az ionoszférát, így nem tud kialakulni az F rétegeken a visszaverődéshez szükséges ionkoncentráció.
Mögel-Dillinger hatás
[szerkesztés]Egyes rövidhullámú frekvenciákon hirtelen, rövid időre megszűnik az ionoszféra visszaverő rétege. Általában az 5 – 30 MHz közti tartományban szokott bekövetkezni, nem hat ki a teljes rövidhullámra, időtartama 15perc és 1 óra között alakul. A rádióamatőrök "holt negyedórának" nevezik. A jelenség Nap felületén végbemenő intenzív hidrogénkitörésekkel van összefüggésben.
- Amikor a kidobódott anyag eléri a Földet, az ionoszférikus terjedés teljesen megszűnik. Ez az elhalkulás kihathat a teljes rövidhullámú sávra, akár 1 ~ 2 napig, a kidobódás mértékétől függően.
- Ezután nagyon erős ionoszférikus terjedések következnek, több napig, a kidobódás mértékétől függően. Ez a felerősödés kihathat akár az URH tartományra is. Ilyenkor URH-n is létesíthetőek több ezer km-es összeköttetések, igaz, csak rövid ideig, instabil térerősséggel, és véletlenszerű irányokba.
- Pár nap, maximum 1 hét alatt visszaállnak az időszakra jellemző terjedési viszonyok.
Az ionoszférát befolyásoló légköri hatások
[szerkesztés]Légköri turbulencia
[szerkesztés]A légtömegek turbulens mozgásának hatására az F2 rétegből töltött részecskék áramlanak lefelé, az E rétegbe, ennek hatására az E réteg töltése az adott helyen jelentősen megnövekszik. Ezt a megnövekedett ionkoncentrációval rendelkező részt sporadikus E rétegnek (ES) nevezzük. A sporadikus E réteg kiterjedése néhány 100 m-től néhányszor 10 km-ig terjed. Vízszintes mozgást is végez, aminek sebessége akár 300 km/s is lehet.
A sporadikus réteg megjelenése véletlenszerű, nem előrejelezhető jelenség. A fennállási ideje tág határok között változik, általában nem haladja meg a néhány órás értéket.
A sporadikus E réteg ionkoncentrációja olyan mértékű, hogy visszaverő hatást gyakorol az URH tartományú rádióhullámokra is.
Az ionoszférát befolyásoló geofizikai hatások
[szerkesztés]A földmágnesség változása
[szerkesztés]A Föld mágneses terének ingadozása az ionoszféra ionizációjában olyan változást okoz, ami a rádióhullámok visszaverődéskori polarizációs-szög változását eredményezi. Ez a zavar mindig egész sávtartományokat érint, ezért a jelátvitelben torzítást nem okoz, csak elhalkulást.
Az ionoszféra ionizált tartományainak lényeges jellemzői
[szerkesztés]A jellemző megnevezése | D réteg | E réteg | F1 réteg | F2 réteg |
---|---|---|---|---|
Keletkezési mód |
|
Valamennyi gáz ionizációja a lágy röntgensugárzás útján | Az oxigén ionizációja a rekombinációs tényezőnek a magasság függvényében való gyors csökkenése mellett. | Az oxigén ionizációja lágy UV, röntgen és korpuszkiláris sugárzás által. |
Magasság (km) |
|
95 – 120 |
|
230 – 240 |
Molekuláris sűrűség (1/cm3) | 1014 -1016 | 5*1011 – 1013 | 1011 | 1010 |
Ionkoncentráció (1/cm3) |
|
|
2*105 – 4.5*105 |
|
Ütközési frekvencia (1/s) | 10-7 | 105 | 104 | 103 – 104 |
Rekombinációs tényező (cm3/s) | 10-5 – 10-7 |
|
4*10-9 |
|
A térhullámú terjedés gyakorlatban használt paraméterei[3]
[szerkesztés]Kritikus frekvencia
[szerkesztés]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.
Legmagasabb használható frekvencia
[szerkesztés](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.
Legalacsonyabb használható frekvencia
[szerkesztés](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.
Gyakorlati jelentősége
[szerkesztés]Az ionoszféra állandó változásban van, még azokban az időszakokban is, amikor amikor zavartalan, normális állapot áll fenn. A tükröző felület leginkább a hullámzó tenger felületéhez hasonlatos. Ebből következik térhullámokkal megvalósított összeköttetések térereje állandóan ingadozik. Az ingadozások a következő okokra vezethetők vissza:
- a vétel helyére különböző úton érkező hullámok interferenciája, interferencia fading
- a polarizáció irányának időbeli változása, polarizáció fading
- az ionizáció mértékének időbeli változása, villogó fading
Az ingadozások frekvenciaspektruma sem egyenletes, akár egy keskenysávú hangcsatorna spektruma is spektrális torzítást szenved. SSB hangátvitelnél ez a hangszín hullámzását okozza, AM hangátvitelnél pedig erős torzítást.
Összességében elmondhatjuk, hogy a térhullámok remek terepet biztosítanak beszédalapú és keskenysávú digitális jelátvitel számára. Ahhoz, hogy meghatározzuk, hogy adott irányba történő összeköttetésre, mikor, milyen frekvenciát használjunk, elengedhetetlen a térhullámok tulajdonságainak ismerete.
Források
[szerkesztés]- K. Andrae, F. W. Fussnegger, O. Kronjäger, G. Lesche, W. Lichthardt, O. Morgenroth, W. Müller, K. Rothammel, E. Schneller, K. H. Schubert.szerk.: Hans Joachim Fischer: Rádióamatőrök kézikönyve – Kézi- és segédkönyv rövidhullámú adó- és vevőamatőrök számára [archivált változat] (djvu) (magyar nyelven), Budapest: Műszaki Könyvkiadó. ETO 621.396.72, 621.396.6.029.55/62 [1960] (1962). Hozzáférés ideje: 2024. március 22. [archiválás ideje: 2020. március 7.] „Eredeti mű: AMATEURFUNK, Verlag Sport und Technik, Berlin, 1960”
Jegyzetek
[szerkesztés]- ↑ Rádióamatőrök kézikönyve. Műszaki könyvkiadó. ISBN 2399997844871. Hozzáférés ideje: 1962.
- ↑ M.P. Doluhanov. Rádióhullámok terjedése (1978)
- ↑ Rádiófrekvenciás hullámterjedés. (Hozzáférés: 2023. szeptember 22.)