Radiobølgeutbredelse på HF, med spesiell vekt på 5 MHz

 

Av Tom V. Segalstad, LA4LN

 

 

Norgespremièren på 60 meter, med tillatelse for gruppe- og klubbstasjoner, var 1. april 2005. Allerede fra midnatt var noen LA-stasjoner i gang: LA1K, LA1V, LA2AB og LA8W ble hørt. LA2G ble hørt senere på dagen.

LA2AB har rapportert at de hadde kontakt med LA, G, GI, GM, GW og W. LA1V rapporterer også disse landene, og i tillegg kontakt med OH, GD, VE, og en overivrig DK. Innenfor USA hadde LA1V kontakt med distriktene W1 (Fig. 1), W2, W4 (Fig. 2), W5, W8, W9 og WØ. W3 ble hørt, men for svakt til QSO. Videre har LA1V mottatt lytterrapporter fra Italia (I) og Puerto Rico (KP4).

 

 

Helgen 8. - 9. april er det "5 MHz Activity Day 2005", med forventet deltagelse fra alle land som har tilgang til 60 meter. Fra Newfoundland vil det denne helgen være operativt et radiofyr på 5269 kHz. Canadierne håper denne helgen å være aktive på alle sine frekvenser, som står oppført i "Amatørradio" nr. 3 / 2005.

PT's bestemmelser om gruppe- og klubbstasjoners adgang til å benytte 5 MHz står i HF-spalten i "Amatørradio" nr. 3 / 2005, og på NRRL's webside: www.nrrl.no.

 

 

Amatørradio-frekvenser på 5 MHz

 

Her er en oppdatert frekvensliste med skalafrekvenser for USB, hvis ikke annet er nevnt, á jour pr. begynnelsen av april. Canadas første prøveperiode for 5 MHz er over, bortsett fra for to VO1-stasjoner (VO1NA & VO1MRC) i Newfoundland (Canada-kolonnen i tabellen). Men de kanadiske radioamatørene har søkt om å få benytte alle de tidligere benyttede prøvefrekvenser under "5 MHz Activity Day 2005". Symbolet ? er derfor satt inn i tabellen nedenfor på de felles frekvenser kanadierne kan tenkes å komme på den helgen. I tillegg hadde de 4 egne frekvenser, se "Amatørradio nr. 5 / 2004.

 

 

 

For studier av radiobølgeutbredelse, og for å finne ut om båndet er åpent, er bruk av radiofyr en stor fordel. Fra De britiske øyer sender 3 radiofyr på frekvensen 5290 kHz, betegnet som skalafrekvens 5288.5 i tabellen: GB3RAL fra Oxfordshire (QTH-lokator  IO90IN), GB3WES fra Cumbria (IQ84QN), og GB3ORK fra Orknøyene (IO89JA). Alle tre  sender med en nominell sendereffekt på 10 W, men har et system for å redusere effekten under sending. Se mer på www.rsgb‑spectrumforum.org.uk/beacon_reporting.htm
og
http://www.netronic.co.uk/mm1rah/.

Et tysk radiofyr med kallesignal DRA5 sender på 5195 kHz. Fra Newfoundland regner de med å ha et radiofyr på 5269 kHz under "5 MHz Activity Day 2005".

 

 

Radiosamband på HF via ionosfæren

 

Radiobølgeutbredelsen på kortbølge (3 - 30 MHz) vil kunne grupperes i to: Jordbølger og rombølger. Jordbølger følger jordoverflaten og vil svekkes raskt, og vil bare gi brukbart samband ut til ca. 20-30 km fra senderen. I Fig. 3 ser vi en forenklet prinsippskisse i form av et vertikalprofil gjennom atmosfæren ned til jordoverflaten. LA4LN's sender befinner seg ved punkt A, og han ønsker kontakt med en motstasjon ved punkt B, f.eks. 150 km borte. Vi ser at jordbølgen nederst, merket bølge nr. 7 i Fig. 3, ikke rekker frem fra A til B.

For å oppnå ønsket radiosamband mellom A og B, må rombølger benyttes. Rombølger har sin utbredelse i atmosfæren, og blir avbøyd i den del av atmosfæren som vi kaller ionosfæren. Den øvre atmosfære blir bombardert av partikler og stråling fra solen og himmelrommet. Her kan atmosfæregassen få løsrevet elektroner, den blir ionisert, og blir i stand til å avbøye radiosignaler tilbake til jorden.

Det er flere ionosfærelag, i forskjellige høyder, som har fått betegnelsene D, E og F (som igjen er inndelt i F₁ og F₂). Lagene vil ha en ioniserings-intensitet som varierer med solens intensitet og stilling, og ha forskjellig virkning på radiobølger. Alle lagene er til stede på jordens dagside. Om natten går F₁- og F₂-lagene sammen til ett enkelt F-lag, og E- og D-laget svekkes (se Fig. 3). F-lagene er de som er sterkest ionisert, spesielt F₂-laget, som er tegnet inn i Fig. 3.

Men tilbake til vårt radiosambands-problem mellom A og B i Fig. 3. Velger vi en meget høy frekvens (VHF = veldig høy frekvens) høyere enn ca. 100 MHz (3 m bølgelengde; bølge 1 i Fig. 3), vil signalene gå gjennom ionosfærelagene og ut i verdensrommet uten å bli avbøyd. Velger vi derimot en høy frekvens, f.eks. 3,7 MHz (80 m bølgelengde; bølge 3 i Fig. 3), vil bølgen bli avbøyd i F-laget slik at den kan treffe vår motstasjon ved B, og vi har opprettet et samband ved hjelp av HF-radio.

 

Fig. 3. Forenklet prinsippskisse i form av et vertikalprofil gjennom atmosfæren ned til jordoverflaten. Vår sender står ved punkt A, og ønsker samband med vår motstasjon ved punkt B over en distanse på 150 km. Ionosfærens E-, D- og F₂-lag er illustrert på figuren. Antennen ved A stråler i alle retninger. Enkelte av strålene, karakterisert av forskjellige vertikale utstrålingsvinkler, er tegnet inn og nummerert fra 1 til 7 (se teksten).

 

Skal vi rekke punkt C på ett hopp, kan vi benytte en enda høyere frekvens, f.eks. nær 5 MHz, som avbøyes mindre i F₂-laget (bølge 2 i Fig. 3). Merk at vi normalt ikke vil høre stasjoner som befinner seg mellom jordbølgens rekkevidde og der rombølgen har blitt reflektert ned mot bakken. For 5 MHz-eksempelets del vil vi normalt ikke kunne høre noen mellom rekkevidden av bølge 7 og punktet C. (Er ionosfærelaget ganske aktivt, vil vi imidlertid kunne høre stasjoner svakt reflektert tilbake fra ionosfæren, såkalt "backscatter"). Utregning av den maksimalt brukbare frekvens (MUF) for F-laget, ofte kalt FMUF, blir derfor av stor viktighet for oss.

Hvis vi på dagtid hadde valgt en midlere frekvens (bølge 5 i Fig. 3), kunne vi risikert at E-laget kuttet av radiobølgene, hindret dem i å passere gjennom til F-laget, og avbøyde dem slik at de ikke nådde frem fra A til B. Derfor blir utregning av E-lagets "cut-off" frekvens (ECOF) også vesentlig.

Hadde vi på dagtid valgt en lav frekvens, nær f.eks. 1,8 MHz (160 m bølgelengde; bølge 6 i Fig. 3), hadde ikke bølgen blitt avbøyd i det hele tatt, fordi den hadde blitt absorbert i D-laget.

Vi ser altså at ionosfærens forskjellige lag plukker ut forskjellige deler av vårt radiosignal, behandler dem forskjellig, og de forskjellige lagene styrer hvilke vertikale utstrålingsvinkler som vil være virksomme. For lengre rekkevidder enn ett hopp, kan vi også vurdere flere hopp mellom jordoverflaten og ionosfærelaget. For å rekke f.eks. Newfoundland må vi basere oss på 2 hopp, og for å rekke Puerto Rico må vi ha 3 hopp mellom jordoverflaten og F₂-laget. For slike lange distanser vil vi måtte ha antenner som gir utstråling ved ganske lave vertikale utstrålingsvinkler, fordi det er der ionosfærelaget tillater radiobølgeutbredelse over slike distanser.

Våre beregninger baserer seg på tilnærmet ren refleksjon fra ionosfæren. Egentlig foregår det en gradvis avbøyning over en lengre strekning av ionosfæren, en refraksjon, som gjør at vi ofte kan observere høyere vertikale utstrålings­vinkler enn beregnet.

Men det er to viktige ting vi må merke oss. For det første: For HF-samband over distanser lengre enn jordbølgens rekkevidde (20-30 km), er det av avgjørende betydning for radiosamband via rombølge å velge riktig frekvens til riktig tid. For det andre: For HF-samband ved relativt korte distanser for rombølgesamband ut til ca. 500 km, vil vertikal utstrålingsvinkel være høy (høyere enn 45 grader). I vårt eksempel vil HF-sambandet ved 150 km distanse via ionosfærens F-lag (bølge 3 i Fig. 3) ha en vertikal utstrålingsvinkel på 74 grader. På grunn av "de høye hoppene" kan HF-samband benyttes i kraftig kupert terreng, hvor VHF-radio, som trenger tilnærmet fri sikt, ikke ville oppnå samband (med mindre vi benyttet repeater-stasjoner).

De færreste tenker over at radiosignalene ved HF-samband over noen titalls mil går praktisk talt rett opp, og at dette får betydning for valg av antennetype, antennehøyde og om mulig valg av lende med god jordledningsevne, alternativt utleggelse av ekstra jordledninger ("motvekter" eller "radialer") for å forbedre jordledningsevnen. Ved riktig valg av slike faktorer, kan radiosambandet på HF optimaliseres.

 

 

Frekvensvarsler

 

Fordi solen har stor påvirkning på ionosfærens evne til å avbøye radiobølger, blir det viktig for utregning av radioutbredelses-prognoser, det vi kaller frekvensvarsler, å ha sol-data. Disse kan være på forskjellig form. I flere hundre år har man daglig observert og talt antall solflekker, og funnet ut at ved høyt solflekktall er radiobølgeutbredelsen generelt sett bedre enn ved lavt solflekktall. I tillegg vil de påvirke valg av frekvens. Antall sol­flekker varierer langs en 11-års syklus. Vi går akkurat nå mot solflekkminimum, som estimeres å inntreffe om ca. 2 år. Dessverre må vi vente i 7-8 år før neste solflekk­maksimum inntrer.

Men observatørene av solflekker har et problem når det er overskyet, og de ikke kan se solen! Derfor har man også startet å måle styrken av solens radiostøy, kalt solarfluksindeksen (SFI), på frekvensen 2800 MHz (10,7 cm bølgelengde). SFI korrelerer godt med solflekktallet, og er et nøyaktigere tall. Ved solflekkminimum er SFI under 70, ved solflekkmaksimum er SFI over 300. I tillegg ønsker vi et mål for forstyrrelser av jordens magnetfelt, fordi slike forstyrrelser vil kunne påvirke radiobølgeutbredelsen. Her oppgis en A-indeks for siste 24 timers forstyrrelser på en skala fra 0 til 400, og en K-indeks for siste 3 timers forstyrrelser på en skala fra 0 til 9. SFI, A og K kan man motta fra stasjonen WWV (National Bureau of Standards i Fort Collins, Colorado, USA), som har AM-sendinger på frekvensene 5, 10, 15 og 20 MHz eksakt, nøyaktig 18 minutter over hver time. Hele døgnet er informasjonen også tilgjengelig på telefonsvarer på telefon 00-1-303-497-3235, og forskjellige steder på Internett.

Vi har allerede nevnt to karakteristiske frekvenser vi kan regne ut for et rombølgesamband på HF, nemlig F-lagets maksimalt brukbare frekvens (FMUF) og E-lagets "cut-off" frekvens (ECOF). Statistisk sett vil MUF støtte samband 50% av tiden, og ha minst absorpsjon, og derfor største signalstyrker. En frekvens like over ECOF vil støtte samband opp mot 100% av tiden. Det mest pålitelige HF-sambandet vil vi få om vi velger frekvenser mellom MUF og ECOF. Noen ønsker å legge seg på en frekvens som er ca. 0,85 ganger MUF, og som skal støtte samband 90% av tiden. Denne frekvensen betegnes ofte FOT, "Frequency of Optimum Transmission" (optimal sendefrekvens, også kalt "Frequency of Optimum Traffic" og OWF, "Optimum Working Frequency").

Høyere frekvenser enn FMUF og lavere frekvenser enn FOT kan også benyttes, men tilgjengeligheten, målt i hvor mange prosent av tiden samband kan oppnås, vil forventes å bli lavere. Vi kan snakke om HPF, "Highest Possible Frequency" (høyeste mulige frekvens), som er ca. 1,15 ganger MUF og vil støtte samband 10% av tiden. Og vi kan snakke om LUF, "Lowest Usable Frequency" (laveste brukbare frekvens), som er ca. 0,25 ganger MUF og vil støtte samband mindre enn 100% av tiden. LUF vil i praksis representere en støygrense, og vil også være avhengig av sendereffekt, mottagerfølsomhet, mottagerbåndbredde, antenner, osv.

 

 

Frekvensvarsel-diagrammer

 

La oss se på hvordan vi kan bruke diagrammer som viser FMUF (F-lagets maksimalt brukbare frekvens) og ECOF (E-lagets cut-off frekvens) som en funksjon av tiden på døgnet. Beregningene presentert her er utført for kontakter fra Oslo ved hjelp av programmet MINIPROP (den gamle versjon 2 for MS-DOS; gratis nedlastbar fra Internett) av W6EL for 1. april 2005 med SFI = 78. Resultatene burde kunne være anvendelige for april og mai i år.

En tilleggskommentar til MINIPROP: W6EL's nyere versjoner av sitt program, både for MS-DOS og Windows, presenterer dessverre ikke den beregnede verdi for ECOF. Derfor vil den eldre DOS-versjon 2 av programmet være bedre egnet hvis vi vil se både FMUF og ECOF i frekvensvarsel-diagrammer. Denne eldre versjonen av MINIPROP er "freeware", og kan f.eks. lastes ned fra:

http://www.astrosurf.org/lombry/Radio/miniprop-w6el.zip.

 

 

Fig. 4. Frekvensvarsel for HF-samband til Kypros fra Oslo via  F₂-laget for april-mai 2005.  Vertikal utstrålingsvinkel for radiosambandet Oslo - Kypros er beregnet til 3 grader for ett hopp via atmosfærens F₂-lag. Kurver er plottet for frekvens som funksjon av tid på døgnet (UTC) for FMUF (F-lagets "Maximum Usable Frequency"; tilgjengelighet 50%) og ECOF (E-lagets "cut-off" frekvens; tilgjengelighet opp mot 100%). Utregnet for solarfluksindeks 78 (tilsvarende solflekktall 19,1) og A- og K-indeks 0 (ingen geomagnetiske forstyrrelser).

 

Fig. 4 viser som eksempel et frekvensvarsel for kontakt mellom Oslo og Kypros (kallesignal-prefiks 5B). Hvis vi skal ha det mest pålitelige HF-sambandet via F-laget, velger vi altså frekvenser mellom FMUF og ECOF. Vi ser at vi ikke kan benytte en og samme frekvens hele døgnet igjennom for å få kontakt med Kypros. 80 m (3,5 MHz) vil gi kontakt mellom kl. 20 og 2 UTC; 60 m (5 MHz) mellom kl. 19 og 3 UTC; 40 m (7 MHz) mellom kl. 18 og 3 UTC; 30 m (10 MHz) mellom kl. 16 og 5 UTC; 20 m (14 MHz) mellom kl. 4 og 6 og mellom kl. 14 og 22 UTC; 17 m (18 MHz) mellom kl. 6 og 19 UTC; 15 m (21 MHz) mellom kl. 7 og 18 UTC; 12 m (25 MHz) mellom kl. 9 og 15 UTC; tidene avrundet til nærmeste hele time. [UTC = Universal Coordinated Time, tidligere betegnet GMT = Greenwich Mean Time; normaltid i England, 1 time etter norsk normaltid].

Vi ser av Fig. 4 at radioforholdene vil bli begrenset av bare FMUF for de høyeste HF-frekvensene (over ca. 16 MHz), av både FMUF og ECOF for de midlere HF-frekvenser (ca. 12 - 16 MHz), og av bare ECOF for de laveste HF-frekvensene (under ca. 12 MHz).

 

 

I Fig. 5 er det tegnet inn frekvensvarsler for to strekninger: Oslo - England (G) i rødt, og Oslo - Finland (OH) i blått. I Fig. 6 er det også tegnet inn frekvensvarsler for to strekninger: Oslo - Puerto Rico (KP4) i rødt, og Oslo - Newfoundland (VO1) i rødt.

 

 

I Fig. 7 er det tegnet inn frekvensvarsler for 7 strekninger mellom Oslo og forskjellige kallesignal-distrikter i USA. Merk at for noen av strekningene blir ECOF beregnet å ligge høyere enn FMUF i noen timer. Dette er en situasjon som aldeles ikke vil gi samband.

I Fig. 8 er det tegnet inn frekvensvarsler for 7 strekninger fra Oslo til norske områder: Svalbard (JW), Jan Mayen (JX), Finnmark (fylke Y), Troms (fylke X), Nordland (fylke W), Hordaland (fylke O), og Sør-Trøndelag (fylke U).

 

Frekvensvarsel-tabell for 5 MHz

 

For samband fra Oslo på 5 MHz kan vi summere opp informasjonen fra beregningene og frekvensvarsel-diagrammene i en tabell (tider avrundet til nærmeste hele time), som bør være gyldig for april og mai 2005):

 

 

 

Fra tabellen ser vi at for 5 MHz på denne tiden (april-mai 2005) er det FMUF som begrenser og gir deg dagsamband på distanser opp til 1000 km. Videre er det ECOF som begrenser og gir deg nattsamband på distanser lengre enn 1000 km. Ved 1000 km distanse (f.eks. Oslo - Troms) kan man ha samband hele døgnet uten begrensning av FMUF og/eller ECOF. Merk at tidene for den beregnede radiobølgeutbredelse vil forandres hvis solarfluksindeksen forandrer seg.

Et tillegg her for NRRL's nødsambandstjeneste: Beregningene viser dermed at 5 MHz vil forventes å være det desidert gunstigste frekvensvalg for heldøgns nødsamband på HF mellom våre to hovedredningssentraler i Sandnes og Bodø.

 

 

Naturlige hindringer

 

Alle disse beregningene er fine, så lenge det ikke legges forskjellige naturlige hindringer i veien for radiosignalene. Den største hindringen er forstyrrelser i jordens magnetiske felt. En A-indeks på 15 eller høyere, tilsvarende en K-indeks på 4 eller høyere, viser at det er aktive forstyrrelser av det jordmagnetiske feltet. Dette fører til absorpsjon, og i beste fall forstyrrelser, av radiosignaler i ionosfæren, og det kan være muligheter for å se nordlys. Slike forhold må vi være fortrolige med, fordi de opptrer 50 til 200 dager i året avhengig av sted i landet. Ved slike forhold bør man om mulig legge seg på en så lav frekvens som mulig over ECOF for å oppnå et så lite forstyrret samband som mulig. Her er det igjen en fordel å kjenne ECOF. Telegrafi vil også være en betydelig fordel fremfor telefoni under slike forhold, ofte et være/ikke-være forhold for å oppnå radiosamband.

Et annet problem er variasjoner i signalstyrken, såkalt "fading". Vi ser av Fig. 3 at både bølge nr. 3 (via F-laget) og bølge nr. 4 (via E-laget) kan mottas samtidig. Vi kan også tenke oss forhold der både en ett-hopp-bølge og en to-hopp-bølge mottas samtidig. De forskjellige bølgene som mottas vil da kunne ha en faseforskjell, fordi de har gått forskjellig veilengde. Når bølgene med forskjellig veilengde kommer i fase, forsterkes de, og når de kommer i motfase, svekkes de. "Midt i mellom" vil vi kunne få forvrengning av talen, såkalt faseforvrengning eller fasedistorsjon. Et skifte av frekvens vil kunne bøte på de problemer som slik "fading" og faseforvrengning skaper.

 

 

Oppsummering

 

Vi har sett at samband med HF-radio er avhengig av at det velges riktig frekvens til riktig tid. Til hjelp for dette vil bruk av frekvensvarsler være meget nyttig. Den optimale frekvens for rombølgesamband via ionosfærens F-lag vil ligge mellom den utregnede maksimalt brukbare frekvens (FMUF) og E-lagets "cut-off" frekvens (ECOF). Den vertikale utstrålingsvinkel for slikt samband vil være høy for korte samband over noen titalls km (f.eks. 74 grader ved 150 km distanse), men meget lav for samband over distanser på noen tusen kilometer.

Og skulle HF-sambandet fremdeles ikke fungere etter at alle disse forhold er tatt i betraktning, så er vi dessverre prisgitt naturens luner, spesielt når vi er så langt mot nord at den polare absorpsjon av radiosignaler setter inn, de forhold vi kaller "black-out".

 

Litteratur:

Segalstad, T.V. (LA4LN): Samband med HF-radio. Heimevernsbladet nr. 1 / 1997, side 8-9 & 30-31.