Skywave - Skywave

Radiobølger (svart) som reflekterer utenfor ionosfæren (rød) under skybølgeutbredelse

I radiokommunikasjon , ionosfærebølge eller hoppe over refererer seg til forplantning av radiobølger reflektert eller refraktert tilbake mot jorden fra ionosfæren , en elektrisk ladet lag av den øvre atmosfæren . Siden det ikke er begrenset av jordens krumning, kan skywave -forplantning brukes til å kommunisere utover horisonten , på interkontinentale avstander. Det er mest brukt i kortbølge frekvensbånd.

Som et resultat av skywave -forplantning kan et signal fra en fjern AM -kringkastingsstasjon , en shortwave -stasjon eller - under sporadiske E -formeringsforhold (hovedsakelig i sommermånedene på begge halvkule) en fjern VHF FM- eller TV -stasjon - noen ganger mottas som tydelig som lokale stasjoner. Mest langdistanse kortbølge ( høyfrekvent ) radiokommunikasjon-mellom 3 og 30 MHz-er et resultat av skybølgeutbredelse. Siden begynnelsen av 1920-tallet har amatørradiooperatører (eller "skinker"), begrenset til lavere sendereffekt enn kringkastingsstasjoner , benyttet seg av skywave for langdistanse (eller " DX ") kommunikasjon.

Skywave -forplantning skiller seg fra:

  • troposfærisk spredning , en alternativ metode for å oppnå overføring over horisonten ved høyere frekvenser,
  • grunnbølgeutbredelse , der radiobølger beveger seg langs jordens overflate uten å bli reflektert eller brytes av atmosfæren - den dominerende forplantningsmåten ved lavere frekvenser,
  • siktlinjeforplantning , der radiobølger beveger seg i en rett linje, den dominerende modusen ved høyere frekvenser.

Lokal og fjern skybølgeutbredelse

Skywave-overføringer kan brukes til langdistansekommunikasjon (DX) av bølger rettet i lav vinkel, så vel som relativt lokal kommunikasjon via nesten vertikalt dirigerte bølger ( Near Vertical Incidence Skywaves-NVIS ).

Lavvinklede himmelbølger

Ionosfæren er en region i den øvre atmosfæren , fra omtrent 80 km til 1000 km i høyden, hvor nøytral luft ioniseres av solfotoner og kosmiske stråler . Når høyfrekvente signaler kommer inn i ionosfæren i en lav vinkel, bøyes de tilbake mot jorden av det ioniserte laget. Hvis toppioniseringen er sterk nok for den valgte frekvensen, vil en bølge gå ut av bunnen av laget på jorden - som om det blir reflektert på skrå fra et speil. Jordoverflaten (bakken eller vannet) reflekterer deretter den synkende bølgen opp igjen mot ionosfæren.

Når du opererer med frekvenser like under MUF , kan tapene være ganske små, så radiosignalet kan effektivt "sprette" eller "hoppe" mellom jorden og ionosfæren to eller flere ganger (multi-hop-forplantning), selv etter krumningen av jord. Følgelig kan selv signaler på bare noen få watt noen ganger mottas mange tusen miles unna. Det er dette som gjør at korte bølgesendinger kan reise over hele verden. Hvis ioniseringen ikke er stor nok, krummer bølgen bare litt nedover, og deretter oppover når ioniseringstoppen passeres slik at den forlater toppen av laget bare litt forskjøvet. Bølgen går da tapt i verdensrommet. For å forhindre dette må du velge en lavere frekvens. Med et enkelt "hopp" kan stiavstander opptil 3500 km nås. Lengre overføringer kan forekomme med to eller flere hopp.

Nær-vertikale himmelbølger

Skywaves rettet nesten vertikalt blir referert til som near-vertical-incidence skywaves ( NVIS ) . På noen frekvenser, vanligvis i den nedre kortbølgeregionen , vil himmelvågene i høy vinkel reflekteres direkte tilbake mot bakken. Når bølgen kommer tilbake til bakken, er den spredt ut over et stort område, slik at kommunikasjon er mulig innen flere hundre miles fra sendeantennen. NVIS muliggjør lokal pluss regional kommunikasjon, selv fra lavtliggende daler, til et stort område, for eksempel en hel stat eller et lite land. Dekning av et lignende område via en VHF-sender med siktlinje vil kreve en meget høy plassering på fjelltoppen. NVIS er dermed nyttig for statlige nettverk, for eksempel de som trengs for nødkommunikasjon. I kortbølgesending er NVIS veldig nyttig for regionale sendinger som er målrettet mot et område som strekker seg fra senderplasseringen til noen få hundre miles, slik det ville være tilfellet i et land eller en språkgruppe som skal nås innenfor grensene av det landet. Dette vil være mye mer økonomisk enn å bruke flere FM- (VHF) eller AM -sendere. Egnede antenner er designet for å produsere en sterk lap i høye vinkler. Når skywave med kort rekkevidde er uønsket, som når en AM-kringkaster ønsker å unngå forstyrrelser mellom bakkebølgen og himmelbølgen, brukes anti-fading antenner for å undertrykke bølgene som forplanter seg ved de høyere vinklene.

Middels avstandsdekning

Antenne vertikal vinkel kreves vs avstand for skybølgeutbredelse

For hver distanse, fra lokal til maksimal distanseoverføring, (DX), er det en optimal "start" -vinkel for antennen, som vist her. For eksempel, ved å bruke F -laget i løpet av natten, for best å nå en mottaker 500 miles unna, bør det velges en antenne som har en sterk lap i 40 graders høyde. Man kan også se at for de lengste avstandene er en lap i lave vinkler (under 10 grader) best. For NVIS er vinkler over 45 grader optimale. Egnede antenner for langdistanse ville være en høy Yagi eller en rombe; for NVIS, en dipol eller rekke dipoler med ca. 2 bølgelengder over bakken; og for mellomliggende avstander, en dipol eller Yagi på omtrent 0,5 bølgelengder over bakken. Vertikale mønstre for hver type antenne brukes til å velge riktig antenne.

Fading

På hvilken som helst avstand vil himmelbølgene falme. Laget av ionosfærisk plasma med tilstrekkelig ionisering (den reflekterende overflaten) er ikke fast, men bølger seg som havets overflate. Varierende refleksjonseffektivitet fra denne skiftende overflaten kan føre til at den reflekterte signalstyrken endres og forårsake " fading " i kortbølgesendinger. Enda mer alvorlig fading kan oppstå når signaler kommer via to eller flere baner, for eksempel når både single-hop og double-hop-bølger forstyrrer andre, eller når et skywave-signal og et ground-wave-signal kommer til omtrent samme styrke. Dette er den vanligste kilden til fading med AM -kringkastingssignaler om natten. Fading er alltid tilstede med himmelbølgesignaler, og bortsett fra digitale signaler som DRM begrenser seriøsiteten til kortbølgesendinger alvorlig.

Andre hensyn

VHF -signaler med frekvenser over ca. 30 MHz trenger vanligvis inn i ionosfæren og blir ikke returnert til jordens overflate. E-skip er et bemerkelsesverdig unntak, der VHF-signaler inkludert FM-kringkasting og VHF TV-signaler ofte reflekteres til jorden i løpet av sen vår og forsommer. E-skip påvirker sjelden UHF- frekvenser, bortsett fra svært sjeldne forekomster under 500 MHz.

Frekvenser under omtrent 10 MHz (bølgelengder lengre enn 30 meter), inkludert sendinger i mellom- og kortbølgebåndene (og til en viss grad bølgelengde ), formerer seg mest effektivt ved skybølge om natten. Frekvenser over 10 MHz (bølgelengder kortere enn 30 meter) formerer seg vanligvis mest effektivt i løpet av dagen. Frekvenser lavere enn 3 kHz har en bølgelengde som er lengre enn avstanden mellom jorden og ionosfæren. Den maksimale brukbare frekvens for ionosfærebølge utbredelse er sterkt påvirket av solflekk nummer.

Skywave -forplantning blir vanligvis degradert - noen ganger alvorlig - under geomagnetiske stormer . Skywave -forplantning på den solbelyste siden av jorden kan bli fullstendig forstyrret under plutselige ionosfæriske forstyrrelser .

Fordi lagene i lavere høyde (spesielt E-laget ) i ionosfæren stort sett forsvinner om natten, er ionosfærens brytningslag mye høyere over jordens overflate om natten. Dette fører til en økning i "hopp" eller "hopp" avstanden til skybølgen om natten.

Oppdagelseshistorie

Amatørradiooperatører får æren for oppdagelsen av skywave -forplantning på kortbølgebåndene. Tidlige langdistansetjenester brukte overflatebølgeforplantning ved svært lave frekvenser , som dempes langs stien. Lengre avstander og høyere frekvenser ved bruk av denne metoden betydde mer signaldemping. Dette, og vanskelighetene med å generere og oppdage høyere frekvenser, gjorde det vanskelig å oppdage kortbølgeutbredelse for kommersielle tjenester.

Radioamatører utførte de første vellykkede transatlantiske testene i desember 1921, og opererte i 200 meter mellombølgebånd (1500 kHz) - den korteste bølgelengden som da var tilgjengelig for amatører. I 1922 ble hundrevis av nordamerikanske amatører hørt i Europa på 200 meter og minst 30 nordamerikanske amatører hørte amatørsignaler fra Europa. Den første toveiskommunikasjonen mellom nordamerikanske og hawaiiske amatører begynte i 1922 på 200 meter.

Ekstrem interferens på den øvre kanten av 150-200 meter båndet-de offisielle bølgelengdene som tildeles amatører av den andre nasjonale radiokonferansen i 1923-tvang amatører til å skifte til kortere og kortere bølgelengder; Amatører var imidlertid begrenset av regulering til bølgelengder lengre enn 150 meter (2 MHz). Noen få heldige amatører som fikk spesiell tillatelse til eksperimentell kommunikasjon under 150 meter fullførte hundrevis av langveis toveiskontakter på 100 meter (3 MHz) i 1923 inkludert de første transatlantiske toveiskontaktene i november 1923, på 110 meter (2,72) MHz)

I 1924 tok mange ekstra spesiallisensierte amatører rutinemessig transoceaniske kontakter på avstander på ~ 9600 km og mer. September fullførte flere amatører i California toveiskontakter med en amatør i New Zealand. Oktober fullførte amatører i New Zealand og England en 90-minutters toveiskontakt nesten halvveis rundt om i verden. Oktober gjorde den tredje nasjonale radiokonferansen tre kortbølgebånd tilgjengelig for amerikanske amatører på 80 meter (3,75 MHz), 40 meter (7 MHz) og 20 meter (14 MHz). Disse ble tildelt over hele verden, mens 10-metersbåndet (28 MHz) ble opprettet av Washington International Radiotelegraph Conference 25. november 1927. 15-metersbåndet (21 MHz) ble åpnet for amatører i USA 1. mai 1952.

Marconi

I juni og juli 1923 ble Guglielmo Marconis sendinger fullført om nettene på 97 meter fra Poldhu Wireless Station , Cornwall , til yachten Ellette på Kapp Verdeøyene . I september 1924 overførte Marconi på dagtid og natt på 32 meter fra Poldhu til yachten sin i Beirut. Marconi inngikk i juli 1924 kontrakter med British General Post Office (GPO) for å installere høyhastighets kortbølgetelegrafikkretser fra London til Australia, India, Sør -Afrika og Canada som hovedelementet i Imperial Wireless Chain . Kortbølge "Beam Wireless Service" fra Storbritannia til Canada gikk i kommersiell drift 25. oktober 1926. Beam Wireless Services fra Storbritannia til Australia, Sør-Afrika og India ble tatt i bruk i 1927.

Langt mer spektrum er tilgjengelig for langdistansekommunikasjon i kortbølgebåndene enn i langbølgebåndene; og kortbølgesendere, mottakere og antenner var størrelsesordener rimeligere enn multihunders kilowatt-sendere og monstrøse antenner som trengs for langbølge.

Kortbølget kommunikasjon begynte å vokse raskt på 1920 -tallet, i likhet med internett på slutten av 1900 -tallet. I 1928 hadde mer enn halvparten av langdistansekommunikasjon flyttet seg fra transoceaniske kabler og trådløse langbølgetjenester til kortbølget "hopp" -overføring, og det totale volumet av transoceanisk kortbølge-kommunikasjon hadde økt enormt. Shortwave avsluttet også behovet for investeringer på flere millioner dollar i nye transoceaniske telegrafkabler og massive langbølgede trådløse stasjoner, selv om noen eksisterende transoceaniske telegrafkabler og kommersielle langbølgede kommunikasjonsstasjoner forble i bruk til 1960-tallet.

Kabelselskapene begynte å tape store summer i 1927, og en alvorlig finanskrise truet levedyktigheten til kabelselskaper som var avgjørende for strategiske britiske interesser. Den britiske regjeringen innkalte til Imperial Wireless and Cable Conference i 1928 "for å undersøke situasjonen som hadde oppstått som et resultat av konkurransen mellom Beam Wireless og Cable Services". Det anbefalte og mottok regjeringens godkjennelse for at alle utenlandske kabel- og trådløse ressurser i Empire skulle slås sammen til ett system kontrollert av et nyopprettet selskap i 1929, Imperial and International Communications Ltd. Navnet på selskapet ble endret til Cable and Wireless Ltd. i 1934.

Signalet som skaffet Guglielmo Marconi hans plass i historien var ikke langt: bare morsekodene på bokstaven "S". Men de tre korte radiopipene representerte et stort sprang for menneskeheten. Signalet, som hadde reist rundt 2000 miles over åpent vann fra en sender i Poldhu, Cornwall, til et hytte på en vindfull Newfoundland-ås, var et bevis på at radiobølger kunne "bøye" seg rundt jordens krumning og effektivt hoppe 100- mil høy vannvegg som blokkerer utsikten over Amerika fra Storbritannia. For Marconi, den gang en ung italiensk mann (med irsk aner fra mors side), og hans trofaste assistent, en tidligere småoffiser ved navn George Kemp, anstrengte ørene over et primitivt trådløst sett, de svake radiosignalene viste seg triumferende at Marconi hadde hadde rett hele tiden da han insisterte på at det ikke var noen uoverstigelig barriere for å sende radiobølger fra et hjørne av planeten til et annet.

"Klokken var omtrent halv tolv, da jeg hørte tre små klikk i øretelefonene. Flere ganger hørtes de ut, men jeg våget nesten ikke tro det", skrev Marconi i dagboken sin. "De elektriske bølgene som ble sendt ut fra Poldhu hadde krysset Atlanterhavet og fulgte i fred og ro etter jordens krumning, som så mange tvilere hadde fortalt meg ville være et skjebnesvangert hinder."

De tre korte pipene førte Marconi til en ufattelig kommersiell suksess, og gyte et selskap som fortsatt bærer navnet hans i dag (om enn det led katastrofalt sent av deflasjonen av dot.com -boblen). De ville også føre til anklager om plagiat, tyveri og uærlighet, med rivaler som påsto at Marconi hadde "forestilt seg" det han hadde hørt, redde for hva fiasko ville bety for det sterkt investerte eksperimentet.

Marconi var aldri den akademiske forskeren, bare interessert i jakten på kunnskap, men en "gjerning", med en sterk følelse av verdien av en oppfinnelse. Patentene hans og den industrielle beskyttelsen de ga ham, tjente ham en formue, men var en kilde til spenning med andre fremtredende radiopionerer på den tiden, hvis egne bidrag til feltet hadde blitt overskygget av den litt frekke unge mannen fra Bologna.

Se også

Referanser

Videre lesning

  • Davies, Kenneth (1990). Ionosfærisk radio . IEE elektromagnetiske bølger serie #31. London, Storbritannia: Peter Peregrinus Ltd/The Institution of Electrical Engineers. ISBN 978-0-86341-186-1.

Eksterne linker