Skriv ut

Inledning

NVIS bild 0

Bild 0 NVIS - för radioamatörer och militär

Denna artikel skall ses som en faktabakgrund för den fieldday med NVIS-experiment som planeras i klubben och är därför avsedd som en sammanställning av befintliga fakta i ämnet baserade på professionella mätningar och resultat samt gjorda simuleringar. Observera att simuleringar alltid är enbart en modell av verkligheten. När det gäller resultaten påverkas de av en rad faktorer men syftet med en simulering är att få en hint om verkligheten, inte att få en absolut sanning.

Dean, N6BV var i många år senior teknisk redaktör för ARRL:s medlemstidskrift QST. Han skrev 2005 en utmärkt artikel om NVIS. Jag redogör i kortform för hans undersökningar och slutsatser i denna artikel kompletterat med faktiska professionella mätningar på NVIS-antenner och simuleringar.

 

Sammanfattning av N6BV:s artikel

Det är cirka 12 svenska mil mellan San Francisco i Kalifornien och delstatshuvudstaden Sacramento. Detta avstånd vill man kunna överbrygga på ett säkert sätt i den jordbävningsutsatta delstaten.

VHF- och UHF-repeatrar i San Franciscoområdet är för långt ifrån Sacramento och kommunikationerna mellan städerna är dåliga liksom telefonförbindelserna. Dessutom är terrängen runt San Francisco bergig så kortvåg är lösningen på kommunikationsproblemen.

Man undersökte reflektionsvinkeln på HF för kommunikation mellan San Francisco och olika städer i delstaten, som är nästan lika stor som Sverige. Därför är en jämförelse intressant, se tabellen nedan som innehåller några av sträckorna som undersöktes.

Ort

Avstånd i km

Medelreflektionsvinkel i grader

San Jose

69

80

Sacramento

120

78

Fresno

257

63

Reno Nevada

300

60

Los Angeles

563

44

 

Här blir det tydligt att för kommunikation på nära håll på ett avstånd upp till cirka 10 svenska mil krävs reflektionsvinklar kring 80 grader och på avstånd mellan 25 och 30 mil krävs reflektionsvinklar runt 60 grader.

Nu skall vi akta oss för att dra förhastade slutsatser då vågutbredningen är beroende av markkonduktiviteten bland annat. SGU som gör dessa undersökningar i Sverige ligger på gångavstånd från mig och jag har varit i kontakt med deras forskningschef i mitt tidigare jobb. En mätning på en specifik plats kostar i storleksordningen 20 KSEK varför det är utanför de flesta amatörers budget men SGU har karterat ett stort antal mätplatser i bl. a Skåne sedan tidigare och på Kristianstadsslätten råder högre ledningsförmåga i marken än den genomsnittliga på grund av högt grundvatten och markens beskaffenhet i övrigt så det är rimligt att räkna med detta. I Kalifornien råder normala jordförhållanden eller något sämre på de flesta platser men mätningarna ovan ger ändå en fingervisning om i vilken härad vi rör oss.

Om vi nu överför tabellen ovan till förhållanden i Skåne så kan det behövas samband inom hela Kristianstads kommun samt mellan Kristianstad och Malmö och regionledningen där i ett krisläge.

Avståndet mellan kommunens extrempunkter norr om Bökestad i norr och Agusa i söder är 57 km. Avståndet mellan kommunens västligaste punkt väster om Linderöd till den östligaste vid Blistorp är cirka 53 km. Vi kan då från de amerikanska studierna anta att vi behöver reflektionsvinklar i storleksordningen från 90 grader till mer än 80 grader för att nå hela kommunen vid nödsamband. Lägre reflektionsvinklar än runt 80 grader är inte intressant. Sträckan mellan Kristianstad (klubblokalen) och Malmö är cirka 85 km varför även den sträckan ryms runt 80 graders reflektionsvinkel enligt de amerikanska försöken.

NVIS som är en förkortning för Near Vertical Incidence Skywave, eller direktöversatt ”nästan vertikalt infallande rymdvåg” blev först utrett som vågutbredningsfenomen under Vietnamkriget av USA. Man gjorde mätningar med mätsonder placerade under helikoptrar. Professionella antennmätningar idag sker på samma sett. I den täta djungeln visade sig VHF och UHF vara oanvändbart och därför förlitade man sig på kortvåg och NVIS. På senare tid är Balkankrigen med den bergiga terräng som är där ett annat exempel då NVIS-kommunikation varit framgångsrik.

Låt oss betrakta de två bilderna nedan, (A) och (B).

A visar förväntad vågutbredning på 40 m från en 100 W sändare till en inverterad dipol med fästpunkten 6 m över mark och ändpunkterna 2,5 m över mark på vardera sidan, i december månad nära solnedgången med ett solfläckstal (SSN, Smoothed Sunspot Number) på 20. Alltså jämförbart med konditioner under solfläcksminimum

B visar samma förhållanden när det gäller effekt, solfläckstal, tid på året och tid på dygnet men för en horisontellt uppspänd dipol på 30 m höjd. S9, S7, S5, och S3 visar förväntad signalstyrka i de olika områdena.

Den inverterade dipolen ger lägre signalstyrka på riktigt långa avstånd som förväntat men bättre signalstyrka på nära håll.

NVIS bild 1

Bild 1

En av de bästa artiklar som skrivits i ämnet är Ed Farmers, AA6ZM, från QST januari 1995. Där utgår Ed från militära resultat och anpassar dem till förhållanden som råder för oss radioamatörer samt gör egna analyser med de datorbaserade verktyg som finns idag men som började komma runt 1995.

En praktisk antenn för både 80 m och 40 m består av två dipoler med respektive dipolben 90 grader mot den andra dipolens dipolben för att interaktionen mellan antennerna skall bli minimal, se bilden nedan:

NVIS bild 2

Bild 2

Håll dipoländarna 2,5 m över mark för att förhindra skador på människor och djur.

Dipolen i fall B i figuren uppvisar ett tapp i signalstyrka på relativt nära håll vilket förklaras av nedanstående simulering:

NVIS bild 3

Bild 3

Här ser vi ett nollställe strax över 40 graders elevationsvinkel i den röda kurvan som utgör just gain i dBi för den rakt uppspända dipolen på 30 m höjd. Vid denna elevationsvinkel är dipolen lika ineffektiv som en dipol uppspänd 60 cm över marken. Rakt uppspända dipoler på höjd har i regel sådana nollställen i strålningsdiagrammet vilket kan ställa till det i kommunikationen, på vissa avstånd går dipolen riktigt dåligt.

Att ta med i beräkningarna är att vi inte vill få in QRM och QRN från längre avstånd som Tyskland, Polen och kontinentala Europa, speciellt sommartid är ju QRN framför allt ett problem som vi alla vet, på främst 80 m.

För den lågt sittande inverterade-V antennen så kommer signal-/brusförhållandet att vara underlägset det för den högt sittande dipolen på distanser ut till cirka 80 mil från vår stationsplats. Den lägre sittande inverterade-V antennen kan inte dämpa QRN och QRM med höga elevationsvinklar men QRN och QRM från längre avstånd dämpas.

Här har vi en viktig lärdom, själva essensen av NVIS vågutbredning. NVIS går ut på att utnyttja de fördelar som en lågt sittande antenn ger på vissa avstånd, att sätta upp en antenn så högt som möjligt är inte alltid bättre.

Om nu NVIS bara handlade om att få upp en antenn för en frekvens så skulle vi vara färdiga här men det handlar om att vid varje givet tillfälle på dygnet välja den frekvens som ger de bästa förutsättningarna för kommunikation och denna frekvens varierar med dygnets timmar och årstiderna samt solfläckstalet. Låt oss titta på vad som händer i ett ”worst case” scenario, vid sommarsolståndet runt Midsommar år med låga solfläckstal, 20 i detta fall.

NVIS bild 4

Bild 4

Den röda kurvan i figuren ovan anger 40 m och den blå 80 m. Simuleringen är gjord för antenner motsvarande våra lågt sittande dipoler. 10 i signalstyrka betyder S9+10 dB minst. Sträckan San Fransisco Los Angeles är 56 mil. Tyvärr är ju betydligt längre avstånd än i Sverige mer relevanta i det väldiga USA men det är principerna, inte sträckan, som är det viktiga här.

Vågutbredningen på kortvåg påverkas av D, E och F-lagren som omger jorden. F lagret brukar delas upp i F1 och F2 skikten. Alla dessa lager har påverkan på vågutbredningen på kortvåg. D-lagret befinner sig 60 till 90 km över jordens yta och är det första lagret våra utsända vågor stöter på. D-lagret uppstår då partikelstrålning från solen joniserar detta skikt varför joniseringen avtar nattetid och absorptionen i D-skiktet då blir minimal. Absorptionen är störst på VLF upp till de lägre kortvågsbanden och avtar med frekvensen. VLF-signaler utsätts dock för refraktion i D-lagret även nattetid. Skilj på refraktion och reflektion. Refraktion är riktningsändringen då en elektromagnetisk våg passerar från ett medium till ett annat eller riktningsändringen som uppstår då mediet påvisar en gradvis förändring när vågen passerar mediet. Ett typexempel på refraktion är när WiFi-signaler passerar en tegelvägg.

D-skiktet uppstår genom något som kallas för Lymanstrålning med en våglängd på 1215 Ångström. Denna strålning joniserar den kväveoxidgas som finns i jordens atmosfär. Jonisering innebär att en eller flera elektroner i en atom tas bort så att atomen får en positiv laddning. Den blir en så kallad katjon. För att jonisering skall uppstå krävs en viss energi.  Röntgenstrålning från solen bidrar också till joniseringen, speciellt gäller detta vid höga solfläckstal. Det har visat sig att absorptionen i D-skiktet avtar med en faktor fyra om frekvensen fördubblas. Dämpningen i D-skiktet uppstår genom att de fria elektronerna i skiktet av solens jonisering vibrerar när de träffas av radiovågor. De fria elektronerna som vibrerar kolliderar med molekyler i atmosfären och vid varje kollision sker en energiomvandling. Kom ihåg att energi bara kan omvandlas, inte förloras, enligt fysikens lagar, så att tala om energiförlust är ett oegentligt begrepp. Kom ihåg att för varje reflektion i de lager som ligger högre än D-skiktet måste den elektromagnetiska vågen passera D-skiktet två gånger, en gång på uppvägen och en gång på nervägen för varje hopp. Vid flerhoppsförbindelser på låga HF-frekvenser kan därför dämpningen i D-skiktet vara märkbar.

Låt oss nu återvända till figuren ovan. Kurvan för 40 m visar att den maximalt användbara frekvensen sjunker under 7 MHz efter solnedgången (observera amerikansk tid) och ligger under 7 MHz 14 h av dygnet, från 03Z till 17Z, kvälls- och nattetid i Kalifornien. 40 m är alltså ett band för dagtid under perioder med låga solfläckstal.

Tvärtom är det för 80 m under perioder med låga solfläckstal. 80 m uppvisar starka signaler från efter skymningen till ungefär en timme efter gryningen då 80 m-signalerna påverkas påtagligt av absorptionen i D-skiktet. Under perioder med låga solfläckstal är 80 m helt och hållet ett band för dygnets mörka timmar.

Låt oss nu titta på vad som händer på samma avstånd i perioder med hög solfläcksaktivitet, 120 i detta fall:

NVIS bild 5

Bild 5

Här ser vi att 80 m blir ett helt värdelöst band under dygnets ljusa timmar (återigen amerikansk tid). Däremot håller signalnivåerna på 40 m acceptabel nivå under hela dygnet.

Låt oss nu titta på den kortare sträckan mellan San Fransisco och Sacramento, som är 12 svenska mil, under Midsommar år med högt solfläckstal, SSN 120. Det gör vi då detta är ett annat ”worst case ” scenario. Figuren nedan visar att 40 m är öppet dygnet runt men signalnivån sjunker strax före soluppgången (amerikansk tid). Vid soluppgången så sjunker Maximum Usable Frequency, MUF, eller ”maximalt användbar frekvens” på svenska, till nära 7 MHz. 80 m är fortfarande främst ett band för trafik nattetid även om användbara signalnivåer finns även dagtid. Emellertid är 40 m bättre mellan 14:00 UTC och 04:00 UTC så 40m är fortfarande huvudsakligen ett band för dagtid.

NVIS bild 6

Bild 6

 

Att välja rätt frekvens

Nu börjar vi se ett mönster utkristallisera sig när det gäller att välja rätt frekvens för NViS kommunikation.

Men 160m och 60m då frågar säkert någon?

Även under de ”worst case” scenarios som presenterats så faller aldrig MUF under 3,5 MHz tillräckligt ofta för att förstöra möjligheterna till kommunikation i Kalifornien.

Kalifornien ligger dock på avsevärt sydligare latitud än Skåne så här skiljer sig förhållandena i Kalifornien mot de svenska tyvärr avsevärt åt. På den nordliga latitud som Skåne ligger på så räcker den kvarvarande joniseringen i jonosfären nattetid inte till för att höja MUF över 3,8 MHz ganska ofta under vinter och vår, då fungerar inte heller 80 m tyvärr. En dipol på 160m blir som bekant gigantisk. Men en mobilvippa då på 160m föreslår säkert någon? En sådan antenn får väldigt dålig utstrålning i höga elevationsvinklar och väldigt låg effektivitet så det är inte ett alternativ. Tyvärr är det ofta inte möjligt rent praktiskt med NVIS-kommunikation nattetid under vinter och vår i Skåne.

60 m faller mellan 80m och 40m även om bandets egenskaper är mest lika 40m. Begränsningarna avseende effekt och frekvenser gör däremot bandet olämpligt för trafik i det svenska fallet men bandet som sådant är absolut ett alternativ.

Några andra observationer om NVIS – Strategi

Vi kan ställa oss frågan om NVIS är en utbredningsmod eller en strategi. Jag vill hävda att det är en strategi. NVIS handlar om att välja både rätt frekvens och sedan en lämplig antenn som uppfyller våra syften med kommunikation på aktuell frekvens. Som en generell regel kan vi ha att välja en låg frekvens nattetid och den högre frekvensen dagtid även om 80 m i vissa fall, som vi sett, kan fungera dygnet runt.

Andra observationer kring NVIS – antennhöjd

En del personer som är entusiaster kring NVIS-kommunikation förordar antenner bara någon meter över mark enligt principen ”ju lägre desto bättre”. Det kan säkert finnas fall då denna princip fungerar. Det är lockande att montera en 40 m dipol mellan två trafikkoner i ett nödläge. Däremot är det ytterst osäkert om detta fungerar i ett verkligt fall som vårt då vi vill kommunicera även med Malmö kanske i ett krisläge. Det gäller speciellt på 80m.

Låt oss titta på en simulering av två fall. Figuren (B) nedan visar förväntad signalstyrka från en sändare på 100 W till en 80m dipol monterad 60 cm över mark. Figur (A) nedan är den tidigare beskrivna inverterade-V antennen med mittfästet 6 m över mark. Markkonduktiviteten i simuleringen antas vara normal. Simuleringen är gjord för december månad med låga solfläckstal, SSN 20, klockan 0300 UTC. Observera att detta är amerikanska förhållanden så 0300 UTC är klockan 19:00 lokal tid i Kalifornien.

Vi ser att responsen från den på 60 cm höjd sittande dipolen är 2 S-enheter eller 12 dB svagare än med den inverterade-V antennen med mittpunkten på 6 m över mark. Nu skall omedelbart sägas att detta varierar i ett verkligt läge, inte minst beroende på markkonduktiviteten men det är trenderna som är det viktiga här. Det är avgjort så att en mycket lågt sittande dipol ger väsentligt sämre signalstyrkor. Den främsta anledningen är jordförluster i marken under antennen. Vi kan förvänta oss i vårt fall att dessa förluster är mindre än i denna simulering, som är gjord med medel markkonduktivitet, inom Kristianstads kommun. Detta beror på högt liggande grundvatten i stort sett i hela kommunen och markens sammansättning i övrigt.

Simuleringen i figuren nedan visar att de ofta förekommande störningar som man vill undertrycka från Centralamerika i form av illegala sändare inte minst och QRN från åskväder är ungefär 4 S-enheter lägre än nyttosignalen med båda antennerna. Det finns ingen fördel alltså med den lågt sittande dipolen ur denna aspekt. Detta beror på att kurvorna för de båda antennerna när det gäller förväntad signalstyrka i förhållande till tiden på dygnet följer varandra. De 2 S-enheterna lägre signalstyrka på den lågt sittande dipolen är alltså konstant över dygnet.

Observera att den generella regeln att ju lägre en antenn är monterad ju lägre signalstyrka ger den, alltid gäller. Fysikens lagar ändrar sig inte!

NVIS bild 7

Bild 7

 

Låga antenner och lokala störningar från kraftledningar

En del anhängare av lågt sittande antenner för NVIS-kommunikation gör gällande att de mottagna störningarna är lägre än för högre sittande antenner. Detta beror emellertid på bruskällans natur. Om bruskällan är avlägsna åskoväder så är skillnaden mellan antennerna obetydlig, vilket kan ses i figuren ovan.

Om störningarna istället kommer från en trasig isolator i en kraftledning en kilometer bort så kommer den störningen att anlända till båda antennerna som en markvåg. Om vi simulerar detta (visas ej) så kommer störningen att vara 4,4 dB svagare på den lågt sittande dipolen, 60 cm över mark. Men, det är det som är det viktiga i sammanhanget, för lite lägre elevationsvinklar så blir skillnaden mindre. I fallet Los Angeles till San Francisco, så blir skillnaden bara 7,1 dB – 4,4 dB = 2,7 dB då den lägre sittande dipolen 60 cm över mark ger 7,1 dB lägre signalstyrka på detta avstånd. Denna skillnad är i praktiken betydelselös. För att summera våra iakttagelser:

 

Orkanen Katrina – ett praktikfall

Under orkanen Katrina slogs fiberoptiska nät, mobilmaster, blåljusmyndigheters kommunikationsnät, telefonnät med mera ut. Kortvågsnät med ibland flera reläpunkter blev räddningen.

En erfarenhet från dessa kortvågsnät var att olika bredbandsdipoler som T2FD och andra varianter inte fungerade. De radierade inte tillräckligt för pålitlig kortvågskommunikation. När dessa antenner ersattes av enbandsdipoler för 40 m och 80 m blev tillförlitligheten och hörbarheten betydligt bättre på 80 m och 40 m. NVIS-kommunikation spelade en avgörande roll vid denna katastrof.

 

Summering

 

Simulering av olika antenner

Som vi sett ovan vet vi nu att en antenn inte måste vara placerad mycket lågt för att vara en bra NVIS-antenn och att detta i de flesta fall försämrar snarare än förbättrar funktionen. Detta är i bästa fall en missuppfattning och i värsta fall en osanning. Dessa påståenden är baserade på ogrundade rykten, eller antagandet att eftersom en låg antenn sattes upp och skapade kontakter, måste det vara det bästa sättet att installera en NVIS-antenn. Till exempel, om militären använder en mycket låg antenn för kommunikation måste det vara det bästa eller enda sättet att göra saker.

Nedan redovisas några faktiska uppmätta data från en NVIS-antennstudie från Vietnam-eran av Hagn-Barker. De små cirklarna som visas ovanför eller under de släta kurvorna är faktiska fältstyrkemätningar gjorda 1970 av Hagn och Barker. Uppgifterna är från antennmätningar från helikopterflygningar över antennen. 

Jämför mätpunkterna plottade som små cirklar med NEC-3-kurvor (den omarkerade böjda linjen) som använder en något annorlunda markkonduktivitet. NEC 3 står för Numerical Electromagnetics Code, version 3 och är ett datorprogram som ursprungligen skrevs i programspråket FORTRAN (FormulaTRANslation) och som för den mest avancerade varianten av den ”motor” som används av antennanalysprogram. NEC 3 kräver särskild exportlicens från USA och är inte något för gemene man.

Numerical syftar på att för att lösa elektromagnetiska problem annat än triviala måste man tillgripa numeriska metoder där man med godtycklig noggrannhet på numeriskt sätt löser system av partiella differentialekvationer men det hoppar vi över, det tillhör den allra högsta fysiken och matematiken. Systemen blir i regel så stora att datorhjälp krävs varför NEC:s tillkomst var ytterst viktig för att analysera antenner.

Uppmätta data, representerade av cirklar, är över mycket god svart djungeljord i Sydostasien. Denna jord är bättre än traditionell jordbruksmark och har därför mindre förluster.

NVIS bild 8

Bild 8

Observera att mellan 0,02 våglängder och 0,12 våglängder stämmer uppmätta data (cirklar) väl med datormodellen. Vid cirka 0,02 våglängder skiljer sig modellen och uppmätta data, modellen är överoptimistisk med cirka 6 dB på mycket låga höjder.

Den optimala höjden för NVIS-antenner är något över 1/8 våglängd, eller cirka 9,1 – 10,7 m på 80 m. Signalnivån minskar snabbt när höjden är lägre än cirka 0,05 våglängder, eller cirka 4,3 m.  

 

MÄTDATAANALYS

Från 1/4 våg höjd till 1/8 våg höjd, finns ingen skillnad i NVIS fältstyrka. Detta skulle vara cirka 10,7 m högt på 40 meter eller 21,3 m högt på 80 meter. Den optimala NVIS antennhöjden för 80 till 40 meter är cirka 9,1 m!

Observera följande trender när vi minskar antennhöjden från 5 m på 40 meter, eller 10 m på 80 meter:

 -13dB från 0,125 våglängders höjd. Detta är 1/20 av den optimala utsända signalnivån!

Vi kan rimligen förvänta oss, över mycket bra jord, att en 1,5 m hög 80-meters antenn skulle vara
 -13 dB sämre än en antenn som är 9 m hög. Detta skulle vara sant på vilket avstånd som helst.

 

EZNEC+ modeller

EZNEC+ är en variant av NEC som använder NEC version 2 som motor, fullt tillräckligt för våra behov.

 

Höjd 0,12 våglängder (9,4 m)

NVIS bild 9

Bild 9

 

 

Jämför detta med +8dBi uppmätt i Thailand. Mycket bra överensstämmelse mellan modell och uppmätta värden. Låt oss nu flytta antennen lägre:

 

Höjd 0,02 våglängder (1, 5 m)

NVIS bild 10

Bild 10

Jämför detta med -5dBi för den riktiga antennen och vi ser att det fortfarande är väldigt bra överensstämmelse mellan modell och uppmätta värden. Detta visar att både EZNEC+-modellen och en verklig mätning stämmer överens. EZNEC+ berättar för oss att vi förlorade 11,6 dB medan de faktiska mätningarna säger oss att vi förlorade 13 dB.

 

Höjd 0,005 våglängder (0,4 m)

NVIS bild 11

Bild 11

 

Vi ser nu att EZNEC+ visar -11,4dBi vilket är -19,4dB sämre än vår 9 m höga antenn. Den faktiska mätningen från Thailand visar att signalen var -25 dB från den högre dipolen. I det här fallet överskattar EZNEC+ signalstyrkan med cirka 6 dB.

Nu något att tänka på:

Många hävdar att fjärrsignaler blir svagare och kortskipsignaler blir starkare när antennen sänks till mycket låga höjder. Det är faktiskt inte sant. Vi har mätningar gjorda med sofistikerad utrustning med hjälp av helikoptrar som flyger över antennområdet och plottar strålning. Dessa mätningar visar att vi tappar avsevärd signalnivå vid sändning eftersom antennen sänks under 0,05 våglängder (cirka 3,7 m). Vi har modeller som stämmer överens (förutom på mycket låga höjder).

Vi ser också att mönstret knappast förändras. Om mönstret eller riktningen knappast ändras kommer signal-brusförhållandet vid mottagning inte heller att ändras. Den enda skillnaden blir en svagare signal och svagare brus, precis som att lägga till en dämpare. Problemet är att en låg antenn dödar din sändande signal och förvandlar en 100W rigg till motsvarande en 1 watts sändare i fallet med en mycket låg antenn.

Snälla, låt oss inte ge dumma råd som att 1,5 m höga antenner är bra idéer för nödkommunikation eller NVIS-drift. Mycket låga antenner producerar mycket låga signalnivåer på vilket avstånd som helst jämfört med antenner med blygsam höjd.

 

Markskärmar eller reflektorer placerade under NVIS-antenner

Vissa hävdar att en skärm eller ett motvikts- eller reflektornät under en låg dipol inte kommer att förbättra signalnivåerna. Vi skall nedan visa att detta inte är sant. Ett motviktssystem kan faktiskt förbättra signalnivåerna. Detta gäller även när skärmen eller motvikten inte är avstämd. 

Låt oss titta på förluster i en låg 80-meters dipol över jord:

NVIS bild 12

Bild 12

Denna antenn utan jordskärm har 4,81 dBi förstärkning

 

 

NVIS bild 13

Bild 13  En motviktsledning under antennen. Denna antenn har nästan 2 dB högre signalnivå än föregående. förbättring.

 

NVIS bild 14

Bild 14 Denna antenn, med tre oavstämda motviktsledningar, har 3 dB högre signalnivå än dipolen utan motviktsnät.

 

 

NVIS bild 15

 Bild 15 Med många motviktsledningar förbättrar modellen signalstyrkan gentemot dipolen utan motviktsnät med 3,7 dB. Rapporter från faktiska försök visar på runt 5 dB

 

Slutsatser

 

Lokala förhållanden

För att få vetskap om lokala förhållanden rekommenderar jag varmt att du försöker ta dig igenom min artikel om jonosonder även om den kan vara svårsmält, läs framförallt delen om hur man tolkar jonogram från Juliusruh som ligger närmast Skåne. När detta skrivs i månadsskiftet mars – april kan det vara svårt att få förbindelse på 80 m på sträckor upp till 100 km under perioden cirka 2,5 h efter solnedgång till cirka 2,5 h före soluppgång. Detta beror på att joniseringen av jonosfären då är som lägst då det råder mörker i kombination med att Sverige, även Skåne. ligger långt norrut och därför får mindre joniserande solinstrålning. MUF sjunker ofta till runt 3.5 MHz eller lägre denna period. 40 m är för tillfället oanvändbart då MUF för förbindelser under 100 km inte går över 7 MHz någon del av dygnet för att i augusti återigen ligga nära eller sjunka under 3.5 MHz. 80 m är problematiskt nattetid på distanser under 80–100 mil den mörkare delen av året på svenska latituder.

I takt med att dagarna blir längre blir mer jonisering kvar i jonosfären nattetid och vid Midsommar når inte MUF under drygt 4 MHz någon del av dygnet för att sedan gå under 3.5 MHz någon del av natten i augusti.

---------------------------------------------------------------------------------------

Den kommersiella antennen AS-2259

Den kommersiella antennen AS-2259 är en militär design av en NVIS-antenn som omnämns överallt på Internet i NVIS-sammanhang, därför tar jag upp den i denna artikel. Antenndesignens dimensioner i fot (1 fot = 0,3048 m) visas i figuren nedan. Ytterligare information finns på W9WIS:s webbplats: https://www.greenradio.de/e_as2259.htm Trådlängderna på cirka 11,6 m respektive cirka 7,6 m ger en ganska liten antenn men resonansfrekvenserna ligger tyvärr långt utanför 40 m och 80 m och kräver användning av en antenntuner, vilket som vi skall se blir en katastrof. Antennen går däremot att modifiera för amatörradiobruk som vi också skall se senare.

NVIS bild 16

Bild 16

Antennen analyserades med hjälp av EZNEC+ för att fastställa dess grundläggande egenskaper och för att identifiera eventuella förbättringar som kan göras. SWR-diagrammet som visas i figuren nedan visar att antennen har låg SWR endast vid 5,9 MHz och 9,1 MHz. Vid 3,8 MHz har antennen en impedans i matningspunkten på 12,51 - j406,4 ohm, vilket leder till mycket hög SWR. Prestanda vid 7,2 MHz är inte bättre, med en matningspunktsimpedans på 923,8 - j205,3 ohm. Hög SWR på 40 m och 80 m samt resonanserna runt 5,9 MHz och 9,1 MHz har bekräftats vid mätningar på installerad antenn av amerikanska amatörer bland andra.

NVIS bild 17

Bild 17

Även om en bra antenntuner kanske kan matcha antennen på 40 m och 80 m blir SWR på koaxialkabeln som matar antennen mycket hög, vilket leder till höga förluster långt utöver de förluster som fås vid matchningen mellan koaxialkabeln och antennen. En snabb beräkning visar att på 3,8 MHz, vid matning med 30 m RG213 bidrar hög SWR till ytterligare till 11,6 dB förlust ovanpå grundläggande 0,4 dB matchningsförlust i koaxialkabeln. Den totala förlusten på 12 dB betyder att en 100 W sändare bara får 6,3 W in i antennen. Så varför fungerar den här antennen för militären? För det första är radion vanligtvis precis i botten av masten, inte många meter bort, vid militära installationer. Även för den militära versionen (åtminstone versionen byggd av Collins Radio) är själva masten utformad för att vara en transmissionsledning med låg förlust, alltså med stor diameter. Ytterligare en faktor är att man i militära sammanhang ofta använder effekter kring minst en kW eller mer.

Så vad kan vi göra för att förbättra den här antennen för användning på 40 m och 80 m amatörband? En lösning är att få antennelementen att se längre ut elektriskt genom att lägga till spolar nära mitten av antennen. EZNEC+ har en mycket trevlig metod att lägga till serieimpedanser i antennsegment. I det här fallet behöver vi induktiv impedans. Lite ”trial and error” resulterade i det mycket förbättrade SWR-diagrammet som visas i figuren nedan. Vid 3,8 MHz så sjunker SWR till respektabla 2:1. På 40 m är SWR ännu bättre och sjunker till cirka 1:1,6 runt 7,2 MHz.

NVIS bild 18

Bild 18

Hur gör vi spolarna? Formeln för en tätlindad spole i ett enda lager finns i ARRL-handboken. K7MEM har en on-line kalkylator här: https://k7mem.com/Ind_Coil_Ind_Calc.html 

De ur EZNEC+ härledda induktansvärdena används för att bygga spolar med PVC-rör för spolformen. 80 m-spolarna använder 1,5 tums rör (som har en ytterdiameter på 1 7/8 tum) och 40 m-spolarna använder 3/4 tums rör (som har en ytterdiameter på 1,05 tum). Isolerad AWG (American Wire Gauge) nummer 14 av typ FK-kabel för 220 V-installationer används. Den amerikanska AWG # 14 motsvarar ungefär 2,1 mm2 vilket är något mindre tvärsnittsarea än den i handeln vanligt förekommande 2,5 mm2 kabeln. AWG #14-kabel finns att tillgå på Internet för den som vill slippa kompensera och laborera med spolarna. Efter lite justeringar för att justera antalet varv för att uppnå bästa SWR mätt av MFJ-259, kom amerikanska amatörer fram till 14 varv för 40 m-spolarna och 19,5 varv för 80 m-spolarna. Skillnaderna mellan de av EZNEC+ beräknade värdena (19 varv på 40 m och 22,5 varv på 80 m) och de slutliga MFJ-259-bekräftade värdena beror förmodligen på fel vid modellering av en antenn så nära mark, plus det faktum att spolkablar ger extra längd till antennkabeln.

Spolarna lindas tätt på PVC-röret och förankras genom att ett litet hål borras igenom röret för att trä änden av tråden genom. Ena änden är monterad på en liten skruv och mutter. Spolsystemet installeras enkelt mellan antennens ändlock och den aktuella antenntråden. 40 m-spolen visas i bilden nedan och 80 m-spolen i bilden efter. Observera att måtten är i tum, en tum är 25,4 mm.

NVIS bild 19

Bild 19 spole för 40m

 

NVIS bild 20

Bild 20 spole för 80m

 

NVIS bild 21

Bild 21 Närbild av antennen med alla fyra spolarna installerade

Observera att nackdelen med denna antenn är att den ovillkorligen måste modifieras för amatörradiobruk och att spolarna tillför en potentiell felkälla men den omnämns väldigt ofta på Internet och saluförs av många, därför tar jag upp den. Ur driftssäkerhetssynpunkt är de två dipolerna i inverterat-v-utförande som nämns tidigt i artikeln som ett fördelaktigt val av antenn klart att föredra då enkla trasiga antenntrådar är lätta att reparera i fält till skillnad från spolförsedda dito.

Uppdatering NEC, Numerical Electromagnetic Code

Numera finns version 5 av programvaran. En personlig licens eller företagslicens utanför USA kostar tyvärr 2400 USD, idag cirka 23 000 kronor, att jämföra med en dito licens för amerikanska medborgare i USA som "bara" kostar cirka 1000 SEK. Det har att göra med att programvaran är amerikansk, förr var den belagd med exportkontroll men den kraftiga skillnaden i licensavgift får nog ses som ett sätt att minska spridningen utanför USA. NEC 4, föregångaren, i olika versioner är också tillgänglig men även den kräver licensavgift, jag har inte hitttat prisuppgifter men priset är förmodligen lägre men ändå avskräckande för privatpersoner. EZNEC Pro/2+ med NEC 2-motorn kan laddas ned gratis här . https://www.eznec.com/ Observera att ingen support ges men det finns massor om hur programmet fungerar på engelska på Internet så det är bara att söka rätt på det. Programmet fungerar även med NEC 4 eller NEC 5 men svindyr licens måste alltså lösas innan programmet kan installeras och användas i EZNEC. NEC2-motorn räcker gott och väl till för de flesta amatörers behov.

 Lycka till med experimenten, de AA7G / SM5LWC, Gert

Träffar: 739