Rozproszenie troposferyczne.

… czyli jak w pasmach UKF nawiązywać regularne łączności na trasie kilkuset kilometrów niezależnie od pory dnia, roku i aktywności Słońca.

1.Wstęp.

Mimo, że kilka razy przeczytałem od deski do deski polską biblię UKF'owca - czyli nieśmiertelny „Poradnik Ultrakrótkofalowca”, przez bardzo długi czas nie zdawałem sobie sprawy z istoty rozproszenia troposferycznego. Cały czas żyłem w przekonaniu, iż dalekosiężne łączności UKF są możliwe tylko w przypadku podwyższonych warunków propagacyjnych w troposferze (dukty, inwersja), występowania łączności jonosferycznej (zorza polarna, sporadyczna warstwa E) bądź też odbić od meteorów lub księżyca. Jak się niedawno okazało nic bardziej mylnego! Z błogiej nieświadomości wyrwała mnie lektura opracowania OZ1RH [2]. Okazuje się, że istnieje bardzo dobrze udokumentowana i wykorzystywana od kilkudziesięciu lat metoda na niezawodną dalekosiężną łączność w pasmach UKF. W zasadzie każdy odpowiednio wyposażony krótkofalowiec może przeprowadzać codzienne łączności na dystansie dochodzącym 700km.
Jak jest to możliwe?

2.Mechanizm powstawania propagacji TS.

Rozproszenie troposferyczne (TS – ang. Topo Scatter) jest zjawiskiem bazującym na nieregularnościach współczynnika refrakcji w troposferze. Jak wiadomo w normalnych warunkach współczynnik ten maleje ze wzrostem wysokości. Wiadomo też, że w przyrodzie nie ma nic idealnego – zmiana współczynnika refrakcji nie jest jednorodna. Jeżeli obszar niejednorodności jest duży – mamy do czynienia z duktami bądź typową propagacją troposferyczną, jeżeli nieregularności są małe – możemy wykorzystać je do łączności TS. Należy podkreślić, że niejednorodności cechują się dużą dynamiką: podczas gdy jedne zanikają, drugie się pojawiają a ich ilość i zachowanie opisuje się za pomocą metod statystycznych.
Owe niejednorodności można obrazowo porównać do pyłków kurzu unoszących się w powietrzu sali kinowej. Pyłki są w ciągłym ruchu, cały czas pojawiają się i znikają ale w danej jednostce objętości zawsze można doliczyć się ich stałej liczby.

3.Profesjonalne wykorzystanie propagacji TS.

W radiokomunikacji profesjonalnej propagację TS wykorzystuje się do budowania linków troposferycznych. Główne wymagania stawiane linkom profesjonalnym to dystans między stacjami dochodzący do 400-500km (rzadko więcej) i bardzo duża niezawodność łącza (sprawność transmisji na poziomie 99,9%). Z reguły stosowane są ogromne anteny ścianowe i bardzo duże moce nadawania. Tutaj można zobaczyć rozlokowanie aktualnie wykorzystywanych linków TS.

4.Amatorskie wykorzystanie rozproszenia troposferycznego.

Amatorzy godzą się z mniejszą niezawodnością łącza, przez co maksymalny dystans QSO często osiąga 700km, a przy szczególnie korzystnych warunkach nawet go przekracza! Oczywiście możliwości sprzętowo-antenowe krótkofalowców są dużo mniejsze niż stacji profesjonalnych – ale na szczęście wąskie pasmo nadawanego sygnału częściowo kompensuje tą różnicę.

5.Pasma amatorskie szczególnie przydatne do łączności TS.

Do łączności nadaje się w zasadzie każde pasmo UKF, niemniej jednak powinno uwzględnić się wypadkową dostępności sprzętu na dane pasmo i gabarytów anteny. Co prawda tłumienie trasy rośnie ze wzrostem częstotliwości ale zmianę tą jest stosunkowo łatwo skompensować większym zyskiem anteny. O ile zysk anteny przy danej aperturze zwiększa się ze wzrostem częstotliwości o tyle dużo trudniej jest budować wzmacniacze mocy na coraz to wyższe częstotliwości. Obecnie uważa się, że optymalnym pasmem do przeprowadzania łączności TS jest pasmo 70cm [2], ponieważ wzmacniacze mocy na to pasmo są stosunkowo tanie a wymiary anten na tyle małe, że łatwo jest osiągnąć odpowiednią kierunkowość. Szkoda tylko, że w pasmie 70cm pracuje w SP tak mało stacji... Zdecydowanie najpopularniejszym zakresem jest obecnie pasmo 2m co nie znaczy, że łączności TS nie można przeprowadzić na 6m albo jeszcze niżej :-)

6.Sygnał TS.

Sygnał dochodzący z obszaru rozproszenia troposferycznego jest chropowaty w brzmieniu, zmodulowany niską częstotliwością (skutek poruszania się zaburzeń) a jego siła podlega zanikom. Nie przeszkadza to jednak w nawiązaniu dalekiej łączności!

7.Anteny do TS.

Antena jest kluczowym elementem wyposażenia. Jej zadaniem jest odpowiednie uformowanie wiązki promieniowania, tak aby „oświetlić” w sposób optymalny żądany wycinek troposfery. Im większy zysk anteny tym lepiej ale tylko do pewnego momentu. Jeżeli wiązka będzie zbyt wąska oświetlimy za mały wycinek troposfery w którym to statystycznie wystąpi za mało niejednorodności. Na szczęście zjawisko to może wystąpić dopiero od 23cm wzwyż, gdyż na niższych pasmach nie da się zrobić aż tak kierunkowych anten.
W warunkach amatorskich optymalnym rozwiązaniem jest zastosowanie szyku antenowego z antenami Yagi umieszczonymi jedna nad drugą W ten sposób nasza wiązka jest szeroka w płaszczyźnie poziomej a energia jest wypromieniowywana pod małym kątem. Szeroki kąt promieniowania w płaszczyźnie horyzontalnej zapewnia łatwość w celowaniu na korespondenta, a niski kąt w płaszczyźnie poziomej powoduje że punkt rozproszenia znajduje się daleko.

8.Optymalne parametry sprzętu nadawczo-odbiorczego.

Aby osiągać dobre wyniki w łącznościach TS trzeba spełnić dwa warunki:
- korzystać z anten kierunkowych promieniujących wiązkę pod możliwie małym kątem
- posługiwać się wzmacniaczem o mocy zbliżonej do górnego limitu posiadanego pozwolenia
Ze względu na duży poziom zakłóceń stosowanie przedwzmacniacza odbiorczego jest niewskazane.

9.Dobór odpowiedniego QTH.

Choć może się to wydawać paradoksalne ale wyjazd z radiem i antenami w góry jest złym rozwiązaniem. Nawet w przypadku nadawania z Mount Everestu horyzont radiowy wcale nie jest tak duży jakby się mogło wydawać, a pojawiają się problemy z przesterowaniem odbiornika bardzo mocnymi sygnałami od stacji znajdujących się w polu widzenia anteny. W takich warunkach bardzo ciężko jest usłyszeć słabą stację, ciężko też wypromieniować wiązkę pod odpowiednio niskim kątem.
Zdecydowanie lepszym miejscem jest POJEDYŃCZE wzniesienie na równinie z którego w każdym kierunku rozciąga się widok aż po horyzont. Jeżeli górkę porastają drzewa, należy podnieść anteny ponad ich korony. Ważne jest aby miejsce to było odległe od źródeł zakłóceń elektromagnetycznych czyli daleko od drogi i innych nadajników.

10.Mity dotyczące rozproszenia troposferycznego.

Im wyższe góry tym lepiej.
Nic bardziej mylnego (chyba że znasz miejsce gdzie występuje tylko jedna samotna góra otoczona równiną).
Im wyższe pasmo tym krótsze dystanse można osiągnąć.
Jest dokładnie na odwrót.
Im bardziej kierunkowa antena tym lepiej.
Tak, ale tylko do pewnego momentu! Zbyt kierunkowa antena pogarsza parametry łącza.

11.Podsumowanie czyli 10 przykazań miłośnika TS.

  1. Warunki TS występują o każdej porze dnia i nocy, są niezależne od aktywności słonecznej ani od pory roku.
  2. Propagacja TS jest wykorzystywana na częstotliwościach gdzie propagacja jonosferyczna występuje rzadko (czyli 50MHz i wzwyż).
  3. O zasięgu decyduje moc nadajnika i zysk anteny.
  4. Propagacja TS – a przez to uzyskiwane zasięgi - jest praktycznie niezależna od częstotliwości (w zakresie 50MHz do 10GHz), im wyższa częstotliwość tym większy zysk anteny ale tym trudniej wykonać wzmacniacz mocy. Najlepszym kompromisem wydaje się obecnie pasmo 70cm.
  5. Zbyt duży zysk anteny (a przez to zbyt wąska wiązka promieniowania) pogarsza parametry łącza (ale zjawisko to występuje dopiero na górnych pasmach UKF).
  6. Do przeprowadzenia łączności obie stacje powinny celować w ten sam obszar troposfery.
  7. Główna wiązka powinna być wypromieniowana z anteny pod możliwie małym kątem – stąd wskazane pionowe szyki antenowe.
  8. Rozproszenie TS opiera się na statystyce. Zakładając mniejszą niezawodność łącza – teoretyczny dystans wydłuża się.
  9. Dobre QTH to 98% sukcesu – anteny muszą widzieć horyzont, preferowane tereny równinne.
  10. Nadawanie ze szczytu góry z reguły przynosi efekt odwrotny od zamierzonego (chyba, że kogoś bawi zrobienie 100 łączności na małym dystansie).

12.Literatura.

[1] Zdzisław Bieńkowski SP6LB „Poradnik uktrakrótkofalowca”, WKiŁ 1988.
[2] Palle Preben-Hansen, OZ1RH „Everyday VHF, UHF, and SHF propagation: 700 km DX anytime using troposcatter”, http://www.qsl.net/oz1rh/
[3] ITU-R P.617-1* „Propagation Prediction Techniques and Data Required for the Design of Trans-Horizon Radio-Relay Systems”