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業餘無線電樂趣多
電離層與傳播狀況

No.06   1992 Nov.   p93~97,   by 楊智凱 / BV2FB

Fig 00 筆者與其忠實跟班,大兒子楊人豪 (右)。


Fig 01
A - 太陽黑子多時之 F 層,C - 太陽黑子多時之 E 層,B、D - 黑子少時之 F、E 層



太陽週期

    由於太陽黑子每 10.8 年有一次大週期,此種太陽黑子變化所產生之紫外線強度變化、X 射線變化、太陽風強度變化等,會對電離層產生極大的影響。如圖在黑子多時 F 層為 A,黑子少時為 B;黑子多時 E 層為 C,少時為 D。兩者之臨界頻率變化極大,在正午時 F 層臨界頻率一個是 6MHz,一個是 13MHz,差二倍以上。


臨界角 (Critical Angle)

Fig 02
MUF 計算方法
h = 200 哩折射實際高度
D = 1000 哩路徑長度
fo = 5MHz 臨界頻率(垂直折射測出值)
故:MUF = 13.3MHz
輻射角 (a) = 22 度
(圖面尺寸僅為示意並非比例尺寸)

    當電波進入電離層之角度不是垂直 90°時,因穿過之電離層較厚,電波更易折回。在某一個頻率電波能折回之最低發射角,稱之為臨界角,低於臨界角的電波能夠折回,高於臨界角則進入太空一去不返。

    如果將發射角固定為 a,電波路徑上之電離層的臨界頻率為 [fo),當時之最高可用頻率 MUF (Maximum Usable Frequency) 為 [f]。
則 [ f = fo * csc a = fo / sin a = MUF ]。
例如發射角為 22°,fo=5MHz,則 MUF = (5MHz * CSC22°) = 13.3MHz。頻率愈接近 MUF,傳送之距雖愈遠。當天線離地約 1/4 波長時,由於地面效應會反射一部份電波以致使發射角上揚。通常偶極天線 (Dipole) 主波仰角為 20°,八木天線 (Yagi) 約 10°,方形天線 (Quad) 小於 10°。因此,在相同之臨界頻率時,扣除天線增益後,方形天線優於 八木天線,而八木天線又優於偶極天線。當然價錢、重量及安裝困難度也會增加很多。假如條件允許,加高天線與地面之距離也可以降低發射角,不過費用更高,但要注意,將天線架在 1000 公尺的高山上,如果塔高只有 10 米,其有效離地距離應為 10 米而非 1010 米。因此其發射角反而此平地上一個 20 米鐵塔還差。當然,山高本身所產生的直線波通訊距離會有所改善,電離層的入射角也會有些微改進則另當別論。如果架在高樓上,則要看電波的向下路徑是否有延伸出去的金屬平面,如果有的話;有效高度應自頂樓鋼筋地板算起,而 非自地面算起,如果樓頂面積很小,四週為空地。則可自地面起算。

    如圖為細高大樓及寬廣大樓之天線不同有效高度。一為 20 米,一為 5 米。所以說,有錢並不一定是好事,華屋大廈不利電波發射,上帝是公平的。

Fig 03
天線有效高度 20M
    Fig 04
天線有效高度 5M

Fig 05

Fig 06

    在太空中,偶極天線因對稱於 Z 軸,均勻發射而顯不出方向角,八木及方形天線之發射角則為完美之 0 度。如上圖可見地面效應對發射角有很大之作用。如果天線離地小於 1/4 波長其發射角將變為很高,非常不利於遠距離通訊,但有一例外;天線發射角度高反而有利近距離通訊。如下圖所示;高角度之電波須跳躍兩次才能到達目地 D,且須經 D 層電離層吸收四次,外加海面或地面每反射一次,損耗甚大,很不適合長距離通訊。而低角度電波只被 D 層吸收 2 次,信號可能比原來要強很多。但例外的情形是:K 點的對手能收到高角度 電波,低角度電波則因越距而收不到。此點常被業餘人員忽略,或以為是直接波通訊而未注意。軍用的通訊設備有時會用一種 X 型雙偶極子天線,是要特意產生高角度電波配合調低頻率以適應當時之 [MUF) 而達成中近距離之野戰通訊,這也就是為什麼 3.5MHz~7MHz 被軍事通訊廣為使用的原因,筆者曾與 BV2VA 以兩支 318C 八木天線,一支離地 20 米,另一支離地 5 米與台中通訊,結果發現離地 5 米那一支反而效果較好,可能就是因為高角度波之緣故! (註:318C 為 6 元件三頻天線,在 14MHz 時等於一支 5 元件八木天線)

    在此必須強調,發射角是指當天線水平放置時,也就是與地面呈 0°角時,電波實際之上仰角,而非指將天線本體向上仰。如果真的將天線本體上仰,則其發射角還會再提高,但因地面效應複雜,並非簡單相加,除非是有意要與衛星作通訊,否則將天線上仰很少被採用的。至於能否將天線事先向下俯以補償電氣上仰角使電波發射角向下,就留待諸君自己思考了。索引是:

  • 天下有白吃的午餐嗎?
  • 地面反射波愈大,則合成之電波仰角會如何?

        至於有的人誤以為八木天線之發射角是水平 0°,而特意將天線上仰 5°,以便使電波能擦撞電離層那就更屬於哲學範疇了。當然也有例外;假如你的目的是要與 100 公里內之對手通訊,而刻意昇高發射角也不能算錯,只是你要先研究一下臨界頻率、臨界角及 D 層吸收特性。假如您在開闊平地上架設電台,希望通達距離為 D,當時電離層之有效高度為 h,則臨界頻率為
    Fig f1

        由於臨界頻率在太陽活動期與不活動期之差距達 2 倍左右,所以短波通訊狀況變化十分大。例如高活動期 28MHz 全球暢通而低活動期時要 14 MHz 以下的波段才能通達。由於 MUF 不因發射功率大小而變化,所以加大發射功率可說毫無助益。但當功率大到足以使電離層發生離化時 (例如 1000KW),或會因而產生特殊散射 (SCATTER) 現象時則為例外。美俄都有此種實驗,結果保密。

        為了方便短波使用者能夠預測各種頻率通信狀況,美國的商務部通信局 (INSTITUTE OF COMMUNICATION SCIENCE OF THE U.S. DEPARTMENT OF COMMERCE) 及國際通訊聯盟 (INTERNATIONAL TELE- COMMUNICATION UNION) 都有定期出版資料,預測世界各地的電離層狀況,其內容除了臨界頻率外,尚有以 4000 公里通訊所需之 MUF 資料;日本 CQ 雜誌每月附冊也有業餘頻率預測表,雖是以日本為中心但因與台灣尚稱鄰近,仍有一些參考價值,然因日本緯度較高,故通常可以假設台灣的情況會較好,電離層 OPEN 的時間會較長,但因例外情 形太多,只有各自體會了。


    電離層吸收特性

        電離層除了可以折射電波外,也會吸收電波,就好像金屬建築物可以反射電波也會吸收電波一樣。此種吸收特性是信號衰減最大原因之一。

        當電波通過電離層時,自由電子因受到能量剌激,而左右上下振動,以致撞到其他電子或氣體分子,將電磁波轉為熱能。電波之頻率愈高,波長愈短,振動範圍愈小,損失較小,反之;頻率愈低波長愈長,電子振動範圍變大,更易碰撞其他氣體分子,而使損失能量增大。電離層對電波之吸收特性大致上與頻率平方成反比。換句話說;28MHz 之吸收率為 14MHz 的 1/4。在不考慮 MUF 之假設下:14MHz 的信號要 4 倍以上的功率,才能與 28MHz 相比,由於太陽直射赤道,因此在赤道上電波的吸收性強,白天又比晚上強,太陽直射區又比斜 射區吸收強。

        根據實測數據發現,同樣用 21MHz 在白天通訊,於太陽黑子不活動年時會比活動年的吸收性減少 20%,在 10MHz 則減少了 50%,5MHz 則減少了 75%,晚上又比白天減少 50%,所以太陽黑子不活動年的晚上較適合低頻率通訊 (例如 7 MHz、3.5MHz、1.9MHz)。


    最低可用頻率 LUF (Lowest Usable High Frequency)

        由於頻率愈低,電離層吸收性愈強,當信號被吸收到弱至無法產生足夠之信號雜音比 SNR (Signal to Noise Ratio) 時就無法通信了。這個能達成通訊之最低頻率稱之為 LUF,但與 MUF 不同;MUF 是一個清楚的二分點;LUF 因雙方的天線增益、電功率及使用之模式 (MODE) 不同而變。理論上只要無限加強發射功率,LUF 就會降低,實驗發現每增加 10 倍功率,LUF 就可降低 2MHz,所以很多政府電台都使用高達百萬瓦特的發射功率來做越洋短波廣播,在相同功率下,天線的增益也可將等效輻射功率 ERP (Effective Radiated Power) 提昇而產生 LUF 下降之功能,所以使用高增益天線也能改善通訊。廣播電台通常都用很好的天線陣列來提高增益,動輒使用數公頃的土地架設數十個鐵塔,架設疊形天線 (Stacked Antenna) 來提高增益。業餘電台最多用到 7 個單元的八木天線,有二組相疊就已經很誇張了。加拿大出品一種 GEM QUAD 四段方形天線,約有 7 單元八木天線相似之增益,但發射角特低,是極佳之業餘用天線,有興趣者可洽 BV2DD、BV2AH 請教使用經驗。

      CW SSB AM
    最低 SNR 3db 10db 17db
    頻寬 100-500Hz 3KHz 10KHz
    相對改善 500-2500倍 6倍 1
    LUF 降低 4-5MHz 1-2MHz 0
    3db = 2:1 , 10db = 10 , 17db ≒ 45:1

        除了上述方式外,尚可利用不同調制模式來降低 LUF。由於 AM 調制需要約 17db 信號雜音比 (SNR),SSB 只要 10db,CW 只要 3db,換句話說在雜音及頻寬條件相同下使用 CW 時,LUF 比 SSB 低,而 SSB 又比 AM 低,再加上 CW 頻帶寬只有 100-500Hz,SSB 約 3KHz,AM 約 6KHz,所以其雜音頻寬又以 CW 最小,SSB 其次,AM 最大。CW 以兼有 SNR 低及雜音頻寬小之雙重優點,其 LUF 往往可以比 AM 下降數 MHz,而能完成極困難狀況下之通訊。而 SSB 通信又比 AM 好得多。


    傳播狀況

        下圖是 1976 年冬天太陽黑子不活動期,以及 1968 年冬天太陽活動期由美國東部至西歐的傳播狀況表,實線代表一天 24 小時 MUF 之變化,虛線代表 LUF 之變化,LUF 條件為 ERP 250W,CW 電碼發送。在 LUF 及 MUF 中間地帶即是讓時間可用的頻率上下限。各位都已在前文了解到 MUF 是由電離層的密度所決定,而 LUF 則出電離層之吸收特性決定,ERP 則為發射機功率乘以天線增益後之等效輻射功率。注意看圖,會發現在清晨 3~5 點時 LUF 昇高到與 MUF 相同或更高,這種情形就是「關閉」的通訊狀態,此時不論使用那一個頻率 都無法達成通訊,在傍晚 15 點時也有一次 MUF 與 LUF 極為接近之狀況,7MHz 在 LUF 下而 14MHz 在 MUF 之上,只剩 10MHz 附近可以通訊,當時因 10MHz 尚未開放,業餘人員只有望天長嘆了。台灣於 1992 年 6 月 1 日開放 10.130~10.150MHz WARC 制訂的頻率,算是遲來的正義,可惜缺了 10.100~10.130MHz 一角,尚有遺珠之憾,有待同好們繼續爭取。

    Fig 07
    1976 年 12 月美國東岸至歐洲的太陽黑子活動低期
      Fig 08
    1968 年 12 月美國東岸至歐洲的太陽黑子活動高期

        由此可見除非我們對傳播狀況有相當了解,否則任意選時間和頻率,想於兩定點之間完成通訊的機會很小。所以短波的玩家對於通訊之傳播狀況及未來預測最好能有相當的修養,否則您的電波不是穿透太空一去不回,就是被電離層吸收無法通訊。雖然現代化的太空站可以偵測太陽風及紫外線,加上大型電腦配備,可做很好的預瀏,但並非業餘家可以輕易取得,所以業餘人員最好能有一些土法煉鋼的技術。我們就快要談到如何使用有限的資料來粗略計算傳播狀況了。 END



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