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PAUL's BASICS: 幾乎垂直入射天波 NVIS 的應用技巧

No.44   1996 Sep.   p96~100,   by 林茂榮 BV5OC



    當我們利用電離層做高頻遠距離通訊時,把電波射向電離層之際,並不一定要使電波傳達最遠,有時我們是希望到達想要的距離就好,尤其是應用在點對點的通訊上,常會有這樣的要求。實際上,最可靠的高頻定點通訊,往往是採用「幾乎垂直入射天波」 (NVIS; Near-Vertical -Incidence Skywave) 技巧;姑且不論在軍事或其他通訊方面的應用,這技巧也許可以為業餘無線電的公眾緊急通訊做很好的服務,尤其是島內的無線電同好,如果想藉著高頻做通訊,沒有採用幾乎垂直入射天波技巧恐怕就會無以為繼了。

    從眾多有關業餘無線電領域內的天線製作文章中,幾乎每一個天線製作都毫不例外地要談到對遠距離通訊表現多麼棒,給人的印象似乎要以通訊距離的遠近來論斷一只天線的好壞,無形中也讓人感受到,不論是什麼樣用途的通訊,好像達到遠距離是高頻通訊的唯一目標。

    但是想想在高頻的低端波段時,例如 160 公尺波段或 80、40 公尺波段,有時真盼望能夠做中短距離的通訊,希望能夠在 40 公尺波段上,與島內的同好聊聊,或是有機會的話,展開公眾的緊急通訊服務。

    本文要討論的不是如何做遠距離通訊,反而是要限制通訊的距離,也就是「幾乎垂直入射天波」的技巧,要看看如何避免發生遠距離傳導常會有的「跳躍死區」 (Death Zone)。參看圖 1。幾乎垂直入射天波傳導無助於遠距離通訊,但是假如要有可靠的、畫一的、沒有跳躍死區的中近距離通訊,找「幾乎垂直入射天波」就對了,它可以提供半徑大約 600 公里方圓之內的可靠通訊。

Fig 01
圖 1:電離層高頻遠距離通訊,有所謂的跳躍死區。



NVIS 的基本理論

    高頻的遠距離通訊完全是借助於高空上有如鏡子可以反射光的「電離層」來反射 (應該說是折射才比較妥當) 高頻電波。至於這高頻電波是否能夠如願地被折射而形成兩地間的可靠通訊,則有許多決定因素,包括電離層的折射能力、工作波長 (頻率)、以及電波入射到電離層的「入射角」等。「入射角」就是幾乎垂直入射天波的關鍵。

    所謂「入射角」,就像是基本物理學的定義一樣,電波射向電離層時,與電離層平面之間的夾角,就稱為入射角,參看圖 2。幾乎垂直入射大波通訊與所謂的遠距離通訊所不同的是,遠距離通訊的入射角是遠小於 45 度,而幾乎垂直入射天波的入射角則遠大於 45 度,因此幾乎垂直入射天波折射返回地表時,就與發射台的距離很接近。由於幾乎垂直入射天波沒有所謂的「跳躍死區」,因此利用幾乎垂直入射天波通訊時,通訊區域幾乎可以涵蓋從發射台開始到最遠的幾百公里半徑之內的完整區域。

Fig 02
圖 2:入射角就是電波射向電離層時,與電離層平面之間的夾角。

    但並不是所有頻率都可以被電離層折回的,可以被電離層折回的最高頻率稱為「臨界頻率」 (Critical Frequency),因此,「幾乎垂直入射天波」也不能例外,選用的工作波長一樣要小於臨界頻率,但是最好的「幾乎垂直入射天波」,應該選用盡量接近臨界頻率值的工作頻率。

    當然所謂的臨界頻率也不是固定的,它隨著電離層的變化而隨時在改變,因此選用接近臨界頻率的工作頻率,也要冒很大的危險,因為可能一不小心,規劃好的工作頻率卻因臨界頻率的改變而無法順利通訊。

    反射高頻訊號的電離層是因為在高空的稀薄氣體受到太陽高能粒子撞擊出現電離化而產生整片的帶電粒子所形成的,自然電離層的折射能力也就隨著日出日落而改變,季節的變遷也會影響它,甚至代表太陽本身活動能力的太陽黑子數,也是電離層變化的指標。

    電離層雖然有所謂的臨界頻率,但卻是隨時變化著。因此要有可靠的幾乎垂直入射天波通訊,就必須要選比臨界頻率低的工作頻率,但是越接近臨界頻率,幾乎垂直入射天波通訊越理想,如何選擇合適的工作頻率,就是幾乎垂直入射天波通訊的重點。

    如果在臨界頻率以下的頻率,頻率越低,會因為電離層的折射效率變低,而使訊號損失增大。所以幾乎垂直入射天波通訊時,選擇工作頻率的重點就在以可靠通訊的程度,選用最高的工作頻率。目前除了試驗之外,尚無法掌握到可靠的臨界頻率。

    目前在商用或是軍事用途上,也有這類的自動測試設備,稱為「電離層測試器」,這是利用同步掃描的技巧,把分置兩地的自動收發機,引用同步關係分別偵測對方掃描式的發射訊號,根據測得的數據,就可以掌握兩地之間通訊的可靠頻率。各國電信單位也都有專門機構,透過標準時間發播台訊號及各種預測模型,也可以掌握到頗為可靠的臨界頻率。


選用 NVIS 的工作頻率

    首先當然得知道臨界頻率,而要訂下臨界頻率必須先告知的參數,包括有通訊的時間、日期、年份、以及當時的太陽黑子活動情況。目前市面上也有可以預測電波傳導狀況的個人電腦軟體,它可以很有效率地測知兩地之間任何時候的最高可用頻率。

    像是 Miniprop 或其他的類似軟體,只要告知甲地的經緯度,然後給一些必要的參數,就可以得知兩地之間的幾乎垂直入射天波通訊資訊。太陽活動狀況的資料也是不可少的,代表這方面的資料有許多格式,可以是「太陽黑子數」,或是「太陽通量指數」 (SFI; Solar Flux Index),美國地區的「標準時間發播台」,如 WWV 及 WWVH,每小時第 18 分鐘起都會有最新的太陽通量指數資料廣播,有了太陽通量指數後,程式會很快地顯示出兩地間的臨界頻率。

    參看圖 3 是夏季裡在各種太陽通量指數下的最高可用頻率,而圖 4 則是相同路徑下,冬季裡的幾乎垂直入射天波通訊的最高可用頻率。

Fig 03
圖 3:夏季裡在各種太陽通量指數下的最高可用頻率。

Fig 04
圖 4:與圖 3 相同路徑下,冬季裡的幾乎垂直入射天波通訊的最高可用頻率。

    目前太陽活動正式處於低潮的谷底,通常太陽通量指數都小於 100,平均是在 65~85 左右,這麼低的太陽通量指數,幾乎垂直入射天波通訊的臨界頻率大多數時間都低於 7MHz,因此,40 公尺波段恐怕都會被排除在外,但是在白天,幾乎垂直入射天波臨界頻率都不會低於 4MHz,因此,80 公尺波段就成為幾乎垂直入射天波通訊的理想波段。以目前這麼低的太陽通量指數,如逢冬季,可能連白天都非得使用 160 公尺波段做幾乎垂直入射天波通訊不可。

    在太陽通量指數比較理想的環境下,一般幾乎垂直入射天波通訊的原則是,白天採用 40 公尺波段,夜晚則使用 80 公尺波段。若在太陽通量指數低潮期,這樣的原則就行不通了。

    總之,運用幾乎垂直入射天波通訊時,要謹記在心的是,絕對不要讓通訊出現跳躍死區,因此要注意,在太陽通量指數低潮期,也許可以利用 40 公尺波段和幾百公里之外的電台做通訊,但是幾十公里之外的電台卻可能成為跳躍死區而通不到。

    在業餘無線電波段內選擇可靠的幾乎垂直入射天波頻率,是一項嚴厲的挑戰。白天要考慮到電離層對電波的吸收,以及頻率上的大氣雜訊這兩項難題,就成為選擇幾乎垂直入射天波通訊頻率的主要考慮因素。到了夜晚,因為太陽下山後,使電離層電波吸收量降低了,但是卻又面臨了低頻的大氣雜訊傳導,以及波段內訊號擁擠的問題。


適用於 NVIS 的天線

    凡是天線,我們都會拿下面兩件事來品頭論足:

  • 電波輻射到我們想要的地區嗎?(輻射圖案)
  • 發射技巧出的功率有多少轉化成為電波?(天線效率)

Fig 05
圖 5:一只偶極天線架設在離地 1/8 波長高度時的輻射圖案,這種輻射圖案的電波大多指向 45 度以上的發射角。

    針對幾乎垂直入射天波通訊的需要,我們自然希望電波都是往天空的正上方發射,也就是希望輻射角都能夠超過 45 度。圖 5 是一只偶極天線架設在離地 1/8 波長高度的輻射圖案,這種輻射圖案的電波大多指向 45 度以上的發射角,也就是我們做幾乎垂直入射天波通訊所需要的天線;而在接收方面,也同樣可以減少來自遠方的雜訊干擾。

    如果把這天線架高往上升會怎麼樣呢?隨著高度往上升,輻射角會往下降,當高度到達約 0.2-0.3 倍波長時,幾乎垂直入射天波通訊所需要的高輻射角就會逐漸消失。

    上面只談到天線的架高,也許會給你天線架設越低越有利幾乎垂直入射天波通訊的印象,其實架設離地不很高,就是要利用地面的反射,好讓電波集中往垂直的上空方向去;但是離地太低時,會受到地面及地面上雜物的交互影響,而影響了天線的性能。參看圖 6 是水平架設的偶極天線,在各種不同架高時的垂直增益,我們可以發現,當偶極天線架高低於 0.1 波長時,增益很快地往下掉。天線太接近地面,除了與地面交互影響之外,還有天線系統效率的問題在,因為這會增加許多電阻性的損失,以及饋送線損失。

Fig 06
圖 6:水平架設的偶極天線,在各種不同架高時的垂直增益。

    當然理論上的 0.2 倍波長架高看似簡單,實務上呢?可能會面臨無法預估的妥協。怎麼說呢?以 7MHz 的 40 公尺波段而言,0.2 倍波長大約是 8 公尺左右,但是對於 80 公尺波段而言,8 公尺高度卻是只有大約 0.1 倍波長,而從圖 6 來看,這高度雖不理想,都還可以被接受,但是如果在 160 公尺波段呢?0.2 倍波長就要 30 公尺以上,如果還是保持 8 公尺高度的話,就只有 0.05 倍波長,這高度會使天線增益降低了 5dB 左右;如果把天線架高到 30 公尺,則 40 公尺波段及 80 公尺波段就無法有利地使用這高度的天線做幾乎 垂直入射天波通訊了。因此選擇天線架設高度時,一定要記得這些問題,以及圖 6 所示的特性。


選擇適用的天線

    有很多種天線非常適用於幾乎垂直入射天波通訊,其中衡量的主要因素是,這天線一定要水平架設,而架高與波長相比的話要很小,可以說很接近地面,當然天線要不能有垂直輻射的成份:

平衡式天線

一般說來,幾乎垂直入射天波通訊用天線還是以水平偶極天線、倒 V 天線、以及 V 狀天線為大宗,如果使用 V 狀或倒 V 天線,可以比水平偶極天線稍高些,當然針對幾乎垂直入射天波通訊用,V 型或倒 V 天線的夾角是越大越好。

要讓因為白天與夜晚的工作頻率有差異而調整天線長度非常簡單,只要在偶極天線尾端增加或是減小天線本身的長度。如果覺得麻煩,可以把這兩種長度的天線並聯。假如有天線匹配器,可以採用低損失的饋送線,透過天線匹配器就可以讓同一偶極天線應付各種不同的工作頻率。

採用傘狀結構的偶極天線可以使偶極天線的效率高一些,但是架設很麻煩就是了。如果覺得地面的傳導差,也可以在地面上鋪設反射元件,不過要注意,鋪設反射元件時,長度一定要比天線本身長約 5%,否則可能會比不鋪設還糟糕。

環狀天線

垂直架設的環狀天線,也可以用來做幾乎垂直入射天波通訊,但以適用於幾乎垂直入射天波通訊的頻率而言,這類的天線會極為龐大,因此架設時就要費些心思。而且這種天線的調諧對附近的物體有很大的影響。

非平衡天線

實際上把天線說成是非平衡天線,本身就是一種矛盾的修飾,就像是政府效率或軍事情報一樣,總是很自然地會取得平衡點。如果你不提供非平衡天線的另一半,它就四處流竄,自然會找到另一半,這另一半的對象也許是發射機本身,麥克風線、地面、甚至是你自己的身體。

利用倒 L 天線或是長狀天線也可以成為幾乎垂直入射天波通訊用天線,但是這類天線,從接到發射機開始到天線結束,整條都是天線,這表示天線是從發射機開始,然後升高到一定的高度,也就是這天線有水平成份也有垂直成份。

使用這種天線要有好性能的話,就必須調整長度,同時要讓天線的最大射頻電流不要出現在天線的垂直部份,除非電台地面的傳導特性極佳,否則就必須要考慮架設虛接地面,或者是有心理準備讓麥克風上的射頻高壓來「電」你的嘴巴。何必呢?還是改用水平架設的偶極天線吧!



並不難

    幾乎垂直入射天波通訊可以提供極為可靠的中短距離高頻通訊,除了政府機構及軍事用途外,何不也讓業餘無線電活動利用它來做緊急或是公眾服務的通訊呢?

    不論是太陽通量指數高低,從 160 公尺、80 公尺及 40 公尺波段的業餘無線電通訊用頻率中,總是可以找到適合幾乎垂直入射天波通訊用頻率,所需的天線要求並不特別,也有現成的個人電腦軟體可以規劃合適的幾乎垂直入射天波通訊頻率。希望這裡所討論的,能夠引起你的興趣,從而踏入幾乎垂直入射天波的通訊世界。


太陽黑子數與太陽流通量指標之間的關係

    相信許多業餘無線電愛好者都知道,太陽所輻射出的能量,除了可見光之水,橫跨了無線電波很大的頻譜空間。所謂的「太陽流通量」 (SFI) 是每天在 Penticton 這個地方,以 2800MHz (波長 10.7 公分) 對太陽測量能量所得到的一個指標。這個以實測為基礎所得到的指數稱為「觀測太陽流通量指標」,這個觀測值,於北美地區每天都會在標準時間標準頻率發播台 (WWV) 於每小時整過 18 分廣播。

    其實全球各地有幾十個觀測站,利用介於 245MHz-15400MHz 之間的頻率觀測太陽流通量指標,這些數據也會每個月集中出版公告。太陽流通量指標會隨著觀測頻率升高而增大,因此一般觀測太陽流通量指標時,會貼上所觀測的頻率。

    其實所謂的太陽流通量指標,是指在單位時間內、單位面積內,單位頻譜區間內所接收到的能量,一個太陽流通量指標是 22 焦耳每秒每平方公尺每赫茲的 10 倍。

    因為地球繞行太陽的軌道是橢圓的,每年的 1 月 3 日地球最接近太陽,而 7 月 4 日則離太陽最遠。以太陽固定輸出能量而言,距離近時可以接收到的能量密度就比較大,距離遠時接收到的能量密度會比較小。換句話說,觀測所得的太陽流通量指標,會受到觀測距離的影響,所以要得到客觀的太陽流通量指標,必須要修正因為觀測距離所產生的誤差,比如元月份與七月份因為軌道所造成的距離影響,大約有 7% 的差異。

    現在我們要來看看太陽黑子數,所謂太陽黑子數是由太陽黑子數目及太陽黑子群數所決定的,這些都是由肉眼來計算的。因此在元月所計算的太陽黑子數與七月所計算的太陽黑子數,並不會受到與太陽遠近的影響。所以從這裡可以得知,以長期觀點,要找出太陽流通量指標與太陽黑子數之間的相關性,根本毫無意義,其中一個是因為距離而有變異,另一個則不受距離的影響。

Fig 07
圖 7:假設地球與太陽的距離是一個天文單位,這是一年當中每個月份的修正因子。

    所以如果要讓太陽流通量指標可以成為長期的比較參數,就必須做修正,這種以觀測太陽流通量指標為基礎所修正出來的,就稱做「調正太陽流通量指標」,這個校正太陽流通量指標的因子是假設地球與太陽的距離是一個天文單位,參看圖 7 是一年當中每個月份的修正因子,這個曲線看起來很像餘弦函數曲線,但是並不完全與餘弦函數曲線一樣,因為地球接近太陽時的繞行速度會比較快。

    也許很多人並不關心太陽流通量指標,但是卻會關心高頻電波傳導狀況,目前是太陽黑子活動週期的第 22 週的谷底。這個大約每 11 年左右為一期的太陽黑子活動,影響了全球的短波通訊,這個週期從 1986 年 9 月開始,於 1989 年 7 月達到顛峰,目前應該正處於週期交替之際,應該也是另一週期的開始。


電波幾乎垂直從天而降

    有一次我在 20 公尺波段上,收聽到很熱鬧的場面,有 BV8、BV7、BV6、BV4、及 BV2 的電台齊聚一堂,而且訊號都在 59 以上!這平常不是很難通訊的嗎?因為這距離對 20 公尺波長的地波而言是太遠了,對天波來說,彼此又都是跳躍死區。當天這些朋友也對於這現象討論好長一段時間,我心想,他們不都是正利用「幾乎垂直入射天波」在做通訊嗎!而且又分別在 4 月 6 日及 4 月 13 日兩個週末下午,也都碰到了很棒的 20 公尺波段的幾乎垂直入射天波傳導狀況,當時包括有 BV6、BV7、BV4、BV5、BV1、BA4、BA7、以及 VR2, 齊聚一堂,訊號都是 59 以上,這也給我一個很恰當的證明,幾乎垂直入射天波可以提供方圓數百公里的良好通訊,而且可以與 DX 同時存在;更棒的是,當時 BV5DR 提出了一個問題,他收聽國內 BV 電台時,轉動定向天線,訊號強度卻沒有明顯的改變,我想這是因為幾乎垂直入射天波輻射角很大的關係,也就是說,電波幾乎是垂直從天而降的。

    電波傳導狀況雖然錯綜複雜,但是只要有了基本的電波傳導常識,配合實際印證,不也是很有趣嗎? END

主要參考資料:
1. A Look at NVIS Techniques, by Ed Farmer
2. Correlating Solar Flux and Sunspots, by Jerry Hall



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