התפשטות גלי רקיע בתדר גבוה (ת"ג)
מה חשיבותם?
חיזוי תנאי תקשורת עבור חובבי רדיו

כיום חובבי רדיו מתקשרים זה עם זה בעיקר בתחומי הגלים הקצרים (HF) והקצרים מאד (VHF-UHF)
ובמדינות המאפשרות זאת גם בתחומי הגלים הארוכים.

---

חשיבות השימוש בגלים קצרים (תדירות גבוהה - ת"ג)

גלי רקיע משמשים לתקשורת שאינה דורשת מערכות ממסר עבור שידורים לציבור (Broadcast), ניהול שיחות (בין שתי תחנות או ועידה רבת משתתפים), העברת נתונים ספרתיים לרבות תכתובות, מערכות ניווט ומערכות מעקב. מערכות תקשורת כאלו אינן דורשות תשתית של ממסרים שעלולים לקרוס בעקבות אסונות טבע, מלחמות וכיוב'

---

לידתו מחדש של תחום הת"ג

עד שנות ה-60 של המאה העשרים, התקשורת העולמית התבססה בעיקר על גלי רקיע בתחום הת"ג.
מאז שנות ה-70 לווייני התקשורת החליפו כמעט לחלוטין את השימוש בגלי רקיע. הדומיננטיות שלהם נמשכת גם כיום.
יחד עם זאת אנו עדים החל משנת 2010 בערך לחזרה לשימוש בגלי רקיע.
הסיבות לכך: (1) טכנולוגיות החלל יקרות, (2) במקרים מסוימים הלווינים פגיעים, (3) לא ניתן לקבל כיסוי עולמי מלא באמצעות לווינים, ו-(4) טכנולוגיות חדשות מאפשרות שיפור ניכר של איכות התקשורת בתחום הת"ג.
הטכנולוגיות החדשות כוללות, אפנון ספרתי, "ספקטרום מפוזר", "דילוג תדר", ו-Automatic link establishment (ALE).
כיום לא נדרשת מיומנות הפעלה (של מכשירי קשר מודרנים) כפי שהיה עד שנות ה-60 של המאה שעברה.

---

"גלים קצרים" מתפשטים בשלושה אופנים בסיסיים:

1. קו ראיה ^{גל ישיר ללא החזרים (Line of Sight - LOS)}
2. גלי קרקע
3. גלי רקיע

גלי קרקע

גלי קרקע (גלי משטח) בקיטוב אנכי בלבד נעים על פני משטח מוליך, בעיקר מעל מים מלוחים או קרקע מוליכה (מלוחה ורטובה). הטווח האפקטיבי של גלי קרקע הולך ומתקצר עם עליית התדירות. לא יעיל בתדרים מעל ל-2 מה"ץ ולכן לא אפקטיבי עבור תקשורת בת"ג.

רשימת מקורות באנגלית (Ground wave) ^{ר' ויקיפדיה בעברית}

גלי רקיע

המונח באנגלית לגלי רקיע Skywave ^{ר' ויקיפדיה בעברית}

---

כדי להבין מהם גלי רקיע מן ראוי להסביר תחילה מהי היונוספירה (Ionosphere); זהו אזור באטמוספירת כדור הארץ (בגבהים בין 50 ל-700 ק"מ), שבו קיימת פלזמה (תערובת של מולקולות גז מיוננות ואלקטרונים חופשיים), שנוצרת כתוצאה מקרינת השמש בתחום האולטרא-סגול. האלקטרונים החופשיים (בפלזמה) גורמים לשינוי הכיוון שבו מתפשטים גלי רדיו, עד כדי החזרה שלהם אל פני הקרקע.

נוהגים לחלק את היונוספירה לאיזורים שמסומנים באותיות E, D ו-F.

איור מס' 4 ממחיש את הריכוז הממוצע של אלקטרונים חופשיים כתלות בגובה.

ר' בדף באנגלית תקציר שכולל הסברים, מה מייחד את כל אחת מהשכבות (E, D ו-F)? מהו הגובה האופייני של כל שכבה? אילו מולקולות מיוננות אופייניות לכל שכבה? ומהם הקווים הספקטרליים של קרינת השמש הגורמים ליינון של כל שכבה? ^{[1, 2]}

גלי רקיע מגיעים אל שכבת היונוספירה מוחזרים בתנאים מסויימים אל פני כדור הארץ. הטווח האפקטיבי שלהם מאפשר ב"תנאים טובים" כיסוי של כל כדור הארץ.

ריבוי נתיבים (Multipath)

בפועל גלי הרדיו מגיעים אל אנטנה קולטת ביותר מנתיב אחד, עקב שבירה והחזרה יונוספירית, החזרה מהרים, גופי מים ו/או מבנים מלאכותיים. התופעות הנגרמות כתוצאה מריבוי נתיבים כוללות התאבכות וכן הזחות במופע של האות.

דילוגים אלו מאפשרים לשידורים בגלים קצרים להגיע לאזורים רחוקים במרחק של אלפי קלוממטרים.

טווחי ההתפשטות של הגלים הקצרים משתנים בין יום ולילה, עונות השנה, "פעילות השמש" ועוד.

לדוגמה, תדרים נמוכים מ-10 מה"ץ מגיעים רחוק יותר בלילה, ותדרים מעל 10 מה"ץ יעילים לתקשורת בשעות היום. גם "מזג האוויר החללי" (רוח השמש), משפיע על המגנטוספירה של כדור הארץ, ששינויים בה משפיעים על תנאי הקשר בגלים הקצרים.

המודל הפשוט מדבר על שכבות (הומוגניות), בעוד שבמציאות פילוג היונים והאלקטרונים החופשיים (Plasma) דומה יותר ל"עננים".

NVIS

חשוב לציין אופן התפשטות מיוחד "החזר כמעט אנכי, מגלי רקיע"

אופן התפשטות זה מנוצל לתקשורת פנים ארצית במרחקים של עד 500 ק"מ בעיקר באזורים הטרופיים, כאשר התדרים היעילים בין 2 ל-8 מגה-הרץ.

חובבי הרדיו בישראל קיבלו לפני מספר שנים אישור מוגבל לשדר בתחום 60 מ' / 5 מגה-הרץ. תחום זה נופל באמצע טווח התדרים היעיל ליישום השיטה. השידור נעשה כלפי מעלה בזוית כמעט אנכית כשהיונוספירה (שכבה F2) מחזירה את האותות כלפי מטה. קשר טוב מאד אפשרי בטווח של כ-200 ק"מ סביב המשדר ולא יותר מכ-500 ק"מ.

שימוש ב- NVIS הוא הפתרון היחיד לביצוע קשר (בתחום הת"ג) בטווחים קצרים, באיזור הדילוג (Skip Zone / Dead Zone ר' Dead Zone באיור 1) ובמיוחד באזורים הרריים, מיוערים, בתדרים ובמקומות שגלי קרקע אינם אפקטיביים.

שידור NVIS נעשה ישירות כלפי מעלה והיונוספירה מחזירה את האותות בחזרה כלפי מטה לשטח ברדיוס 0-500 קילומטר מסביב למשדר. שיטה זו מיושמת בעיקר בתחומי התדרים המיועדים לאזורים הטרופיים ומאפשרת כיסוי נרחב בעזרת משדר אחד הנמצא במרכז השטח המיועד לכיסוי השידורים.

האנטנות המתאימות לכך צריכות עם עקום קרינה (radiation pattern) אנכי, למשל: דיפול בגובה של לא יותר מ- 0.15 אורך גל (אפשר להוסיף מחזיר), או לופ-מגנטי.

חיזוי תנאי התקשורת כעת

כיום (2024) ניתן לחזות את תנאי התקשורת בגלי החובבים בתחומי ת"ג לפי איזורים, בזמן קצר מאד ביחס למה שהיה נהוג בעבר ובאופן הרבה יותר מדויק.

חובבי רדיו מיומנים נוהגים לנטר ו/או לדמות תנאי התפשטות גלים באמצעות יישומים (applications) ורשתות ייעודיות באינטרנט.

---

תדר שימושי עליון - תש"ע MUF

התדר השימושי העליון (תש"ע) - באנגלית Maximum Usable Frequency - (MUF)) הוא תדר הרדיו הגבוה ביותר שניתן להשתמש בו לשידור בין שתי נקודות באמצעות החזרה מהיונוספירה (התפשטות גלי רקיע או "דילוג") בזמן מוגדר, ללא תלות בהספק המשדר. אינדקס זה שימושי במיוחד לגבי שידורי גלים קצרים. התדר האופטימלי לקיום קשר הוא כ- 85% מהתש"ע.

יונוסונד

יונוסונד מכ"ם יונוספרי שהומצא ב-1925 על ידי גרגורי ברייט ומרל א. טוב ופותח בהמשך על ידי מספר פיזיקאים, כשהבולט ביניהם הוא אדוארד ויקטור אפלטון. היונוסונד משדר אנכית פולסים של אותות רדיו בתדרים גבוהים (3–30 מה"ץ), שהדיהם מנותחים על מנת למדוד את פילוג הפלזמה (צפיפות האלקטרונים החופשיים ביחידת נפח) בגבהים מ-50 עד כ-700 ק"מ.

התוצר של ניתוח ההדים הוא יונוגרמה - ייצוג גרפי של ריכוזי יונים ואלקטרונים חופשיים בשכבות שונות של היונוספירה.

יונוגרמות מכילות בדרך כלל ייצוג כפול;
(1) סדרה של קווים אופקיים פחות או יותר המייצגים את הגובה הווירטואלי בו תתרחש החזרה של פולס א"מ, כפונקציה של תדר העבודה
(2) עקומה בכיוון אנכי המייצגת את ריכוז האלקטרונים (N) לסנטימטר מעוקב כפונקציה של הגובה - N(h).

המאפיינים היונוספריים משתנים באזורים שונים על פני כדור הארץ לפי שעות היממה, עונות השנה ומחזור כתמי השמש.

מה תנאי התפשטות גלים כעת?

ראו למטה שלוש מפות עדכניות:

1. המפה הראשונה מציגה (בעיגולים הצהובים והירוקים) את התדר הקריטי - התדר הגבוה ביותר שמוחזר משידור אנכי;
2. המפה השנייה מציגה את התדר השימושי העליון (תש"ע) לתקשורת בטווח של 3000 ק"מ;
3. המפה השלישית היא אנימציה שמראה כיצד השתנה התש"ע במהלך 24 השעות האחרונות.

מפות אלו כוללות (בצורה לא מפורשת) השפעת סערות גיאומגנטיות ו"עננים יונוספריים", אבל לא ניתן לחזות באמצעותן כיצד ישתנו תנאי התקשורת בשעות הקרובות. לכן, הן אינן מתאימות לחיזוי תנאים עבור רדיו מסחרי. כעת מפתחים מודלים משופרים.

---

---

האזורים הצבעוניים של שלוש המפות הנ"ל מתוחמים על ידי קווי מתאר של התדר השימושי העליון, בהתייחס לגלי החובבים: 60, 40, 30, 20, 17, 15, 12, 10 מטר
ובמונחי תדר: 5.3, 7, 10.1, 14, 18, 21, 24.8 ו-28 מגה-הרץ.

הנתונים הגולמיים שמשמשים ליצירת המפה נאספים ברציפות על ידי תחנות יונוסונד (מכ"מים יונוספריים) המפוזרים ברחבי העולם, במיקומים המסומנים על ידי עיגולים צבעוניים, שבתוכם מספר המציין את התדר הקריטי העליון (f0F2) שנמדד במקום מסויים. המידע מהתחנות נאסף על ידי NOAA ו-Giro ומעובד לפי מודל של IRI.

מפות תש"ע לטווח 3000 ק"מ מציגות את ה-MUF במרכז נתיב בין שני מיקומים נבחרים. כך ניתן להעריך את האפשרות של קיום קשר DX יציב בגל חובבים מסוים. לדוגמה, אם ה-MUF (המצוין בדיסקה שנמצאת מעל מרכז הנתיב) הוא 12 מגהרץ, אז הקשר הטוב ביותר יושג בגל של 30 מטר, אך לא יעבוד בגל של 20 מטר. בטווח שניתן לקיים קשר בדילוג אחד התדר הטוב ביותר יהיה נמוך מה-MUF המצוין.
ככל שמתקרבים לקרינה אנכית, כלומר למצב NVIS, התדר היעיל יורד לתדר היונוספרי הקריטי, f0F2.
בקשר רב דילוגים מה שקובע הוא ה-MUF הגרוע ביותר לאורך נתיב נתון.

עננים יונוספריים

בדומה לעננים המכילים אדי מים בשכבות האטמוספירה הנמוכות כך יש גם "עננים יונוספריים", שהם ריכוזים משתנים של פלזמה (יונים ואלקטרונים חופשיים) בשכבות E ו-F של היונוספירה.

יונים ואלקטרונים חופשיים נעים ללא הרף ביונוספירה. גם ל"מזג האוויר בחלל" וגם לתנאי מזג אויר חריגים בטרופוספירה של כדור הארץ יש השפעה על התפלגות האלקטרונים החופשיים בשכבות היונוספירה, D, E ו-F. "ענני אלקטרונים" אלה לעתים משפרים ולעתים משבשים תקשורת ת"ג ובמקרים חריגים גם קשר לווינים בתא"ג לפרקי זמן קצרים יחסית.

כיצד מגלים "עננים יונוספריים"?

האתר באנגלית כולל הסברים בנושא עננים פלזמה יונוספריים והשיטות לנתר את ריכוזיהם ותנועתם במרחב.

ניתור "עננים יונוספריים" (ריכוזיהם ותנועתם) מתבצע באמצעות:

1. Digisonde Directogram

איור מס' 13 - דיג'יסונד דיירקטוגרמה
 
2. Super Dual Auroral Radar Network (SDARN)

איור מס' 14 - רשת מכ"ם סופר כפולה מכוונת לזוהר הצפוני

עד כאן על קצה המזלג.

---

בדף בשפה האנגלית מוצגים אתרים שמדווחים באופן שוטף על קשרי רדיו בין חובבים. מנתונים אלו ניתן ללמוד בזמן אמת:

א. באיזה גלים יש כעת פעילות של חובבים ובאיזה איזורים בעולם.

ב. הפרויקט הכי ותיק שהופעל (בטרם חובבי הרדיו השתמשו במחשבים אישיים) הוא רשת של שמונה עשרה (18) משואות המשדרות אותות מורס (CW) בחמישה גלים. כל משואה משדרת פעם אחת בכל גל (המיועד לחובבי רדיו) אחת לשלוש דקות, 24 שעות ביממה. מהאזנה קצרה למשואות ניתן לקבל תוך דקות מושג על תנאי התקשורת הפוטנציאלית בגל נתון לכל איזור בעולם.

ג. מה תנאי התפשטות גלים בדקות הקרובות על פי התדר השימושי העליון שנמדד ע"י מכ"ם יונוסונד.
ברחבי העולם ישנם כ-150 מכשירי יונוסונד פעילים. מתוכם, כ-100 מכשירים מדווחים בקביעות על נתוני היונוספירה ומסייעים לחזות תנאי תקשורת ולחקור את השפעות מזג האוויר בחלל.

ד. מהם תנאי התקשורת מסביב לכדור הארץ בהתבסס על פעילות השמש, מזג האוויר החללי (Space Weather) ובהתבסס של חישה מרחוק של שכבות היונוספירה? האתר בשפה האנגלית כולל נושאים נוספים כגון:

1. הסברים על אופני התפשטות הגלים ביונוספירה
2. מהו הקו האפור? תנאי תקשורת גלובליים
3. המחשה לפילוג האלקטרונים החופשיים כתלות בגובה (אבחנה בין השכבות, D, E, ו-F)
4. מה התדר השימושי העליון שנמדד באיזור מסויים?
   מאיזה גובה/שכבה מתקבלת החזרה?
   כיצד מבצעים את המדידות? (יונוסונד)
5. סוגי התצפיות בזמן אמת, כיצד מבוצעות ועל ידי מי?
6. תנאי תקשורת איזוריים ומקומיים
7. מהו מדד TEC?
8. כיצד משפיעה קרינת השמש על תנאי ההתפשטות של הגלים הקצרים?
9. מהם מדדי השמש?
   
10. תצפיות של כתמי השמש (Sun spots) במחזור של 11 שנים.
11. תחזיות של כתמי השמש, לימים ולחודשים הקרובים.
12. מהי פעילות חריגה של השמש? סערות מגנטיות, הבזקים, פליטת מאסה
13. מהי רוח השמש (Solar Wind)?
14. מהו "מזג אוויר החללי" (Space Weather)?
15. הפרעות בתקשורת כתוצאה של Fadeouts / Blackouts?
16. הפרעות בתקשורת כתוצאה של התפרצויות קרני גמא קוסמיות (GRB)?
ועוד...

---

מדובר בפרויקט דינמי המתפתח בהתמדה בעזרת יישומי בינה מלאכותית שנועד לשפר את הניסוחים וההסברים ולהבטיח עמידה בעדכונים שוטפים של נתונים ממקורות מגוונים, המוצגים באתר בזמן אמת. בנוסף, האתר מתעדכן גם לפי שאלות ובקשות של גולשים, מה שמאפשר לו להיות מותאם לצרכים ולתמיהות של קהל המשתמשים בצורה המיטבית.

קישורים:

• דף באנגלית Index המרכז את כלל הנושאים הרלוונטיים להתפשטות גלים
• קישורים למקורות באנגלית
• אינדקס המונחים באנגלית (index of terms) וחיפוש בתוך האתר
• תשובות מדעיות לשאלות של חובבי רדיו
• שאלות של חובב רדיו מתחיל בנושא התפשטות גלים קצרים (ת"ג)

---

מקורות בעברית:

1. גל
2. גלים אלקטרומגנטיים
3. קרינה אלקטרומגנטית
4. גלי רדיו
5. גלים קצרים
6. גלי רקיע
7. גל רוחב
8. קיטוב
9. קיטוב מעגלי
10. בליעה (קרינה אלקטרומגנטית)
11. התאבכות
12. דעיכה (תדר)
13. שבירה
14. התפשטות גלים קצרים
15. זוהר הקוטב
16. חובבות רדיו
17. חיזוי תנאי תקשורת בגלי חובבים
18. יונוספירה
19. התפרצות סולארית
20. מכשיר קשר
21. ניהול הספקטרום האלקטרומגנטי
22. סערה גאומגנטית
23. קרינת על-סגול EUV
24. קשר רדיו
25. רוח השמש
26. ריבוי נתיבים multipath propagation
27. תקשורת אלחוטית
28. תקשורת אלחוטית בגלי רדיו

מקורות לימוד למתקדמים כולל מתימטיקה

29. גל התפשטות
30. מקדם התפשטות
31. זמן קוהרנטיות
32. מספר פרנל
33. קו תמסורת
34. דעיכות מסוג ריילי
35. דעיכות מסוג רייס
36. משוואת הגל האלקטרומגנטי
37. קוהרנטיות (פיזיקה)
38. ריבוי נתיבים
39. תווך אופטי

---

רדיו מוגדר תוכנה (SDR) הוא מערכת תקשורת רדיו שבה רכיבים שמסורתית הוטמעו בחומרה, מיושמים באמצעות תוכנה במחשב או במערכת משולבת. הרעיון של SDR עלה לראשונה בשנת 1976, ופיתוחו הואץ בשנות ה-90 של המאה ה-20 לצורך מימוש התקשורת הסלולרית. כיום, מערכות קשר רבות ומגווונות (כולל בתחום הת"ג) משתמשות בעיקר בטכנולוגיות SDR.   ר' הרחבה: הגמישות המופלאה של רדיו מוגדר-תוכנה | SDR