ŠÍŘENÍ VLN

Aneb – až kam se dovolám?

Toto povídání jsou žalostné zbytky toho, co se podařilo mým učitelům natlouct mi do hlavy, pokud se již něco definitivně vypařilo, budete si zbytek muset nastudovat z dalších zdrojů třeba i na internetu. Část tohoto povídání, tedy konkrétně poznatky o šíření vln v rozsahu amatérských pásem, pochází z vlastních praktických zkušeností, ale podotýkám, že z dávnějších dob a nemají žádný vědecký podklad. Tak se na to podívejte, začneme třeba tím, co to je:

Kmitočtové spektrum

Bezdrátový rozhlas, stejně jako třeba amatérské rádio, CB, PMR a podobně, je vlastně přenos signálů pomocí rádiových vln z jednoho místa na druhé, bez použití drátů. Signály cestují od vysílací antény k přijímací různými cestami, v závislosti na použité vlnové délce, tedy odborně na kmitočtu. Některé kmitočty se po několika odrazech od ionosféry a od zemského povrchu šíří postupně po celém světě, zatím co jiné mohou být použity pouze pro přímočaré spojení, tedy „kam je vidět“, jelikož se šíří podobně jako světlo.

Vzdálenost spojení na VKV při přímé viditelnosti

Dosah komunikace s volným průhledem a normálního atmosférického lomu závisí na výšce zavěšení antén a je určen vzorcem:

.... a dá se snadno vypočítat zde:

Celá oblast elektromagnetického záření čili vln, využitelná pro běžné vysílání a příjem, začíná kolem 30 kHz (vlnová délka 10 km) a její horní mezní kmitočet se s dokonalejšími technologiemi stále zvyšuje. Běžně se užívají kmitočty v řádu gigahertzů (GHz) s vlnovou délkou v řádu milimetrů. Vysokofrekvenční pásmo si můžeme řádově rozdělit na:

kilometrové (dlouhé) vlny (30 – 300 kHz)

hektametrové (střední) vlny 300 kHz – 3 MHz)

dekametrové (krátké) vlny (3 MHz – 30 MHz)

metrové (velmi krátké) vlny (30 – 300 MHz)

decimetrové (ultrakrátké) vlny (300 MHz – 3 GHz)

centimetrové vlny (3 GHz – 30 GHz)

milimetrové vlny (30 GHz – 300 GHz)

Hlavní rozdíl mezi vlnovými pásmy jsou různé vlastnosti z hlediska šíření. Všechny druhy elektromagnetického záření se šíří stejnou rychlostí, tedy v podstatě rychlostí světla, což je zaokrouhleně c = 3 x 10⁸ metrů za sekundu, tedy 300 000 km za sekundu, přesněji (pro ty šťouravější) 299 792 458 metrů za sekundu (1 079 252 848,8 km/h).

Elektromagnetické záření se skládá ze dvou složek, elektrické a magnetické, jejichž roviny jsou navzájem kolmé. Polarizaci rádiových vln určuje směr elektrické složky pole. Většina antén vyzařuje vlny, které jsou polarizované ve směru délky kovového vyzařujícího prvku. To znamená, že například prutová anténa na autě nebo vertikál doma na střeše má vertikální polarizaci, kdežto drátové antény natažené vodorovně, nebo třeba TV dipóly, pracují s horizontální polarizací. Určení typu polarizace je důležité pro VKV a vyšší kmitočty, ale pro provoz na KV je již téměř lhostejné, neboť po mnoha odrazech, kterými prochází odražená prostorová vlna, je její výsledná polarizace zcela náhodná.

Cesta vln

Ta nejjednodušší cesta je přímá linie mezi vysílačem a přijímačem, což je velmi důležité pro komunikaci na kmitočtech vyšších než 50 MHz. Jenže - cesta naprosto nemusí být přímočará, tedy jen na přímou viditelnost, ale vlna se může postupně odrážet od budov nebo kopců, a tak se signál může dostat i tam, kde to je zdánlivě nemožné, jak jste si mnozí ověřili například u staniček PMR, kdy se vlny šíří třeba i za roh, ale zase někdy stačí popojít jeden dva kroky a spojení se úplně ztratí.

Nižší kmitočty, třeba v rozsahu krátkých vln (tedy i CB), je schopna odrážet také ionosféra, viz obrázek.

Je to vrstva ionizovaného, a tedy částečně vodivého vzduchu. Těchto vrstev je i více druhů, jak se můžete dozvědět při doporučeném dalším studiu této problematiky (vrstva D, E, F1, F2, atd). Z obrázku je patrné, že vlny se mohou také odrážet od země, pokud dopadají ve vhodném úhlu, a tak se mohou šířit na obrovské vzdálenosti. Ve skutečnosti vlastně dochází k lomu vln, ale pojem odraz je snazší si představit. Proto pro zjednodušení budeme používat výraz „odraz“ i v dalším, ale pamatujte, že skutečný mechanismus je opravdu lom. Právě tak budeme pro zjednodušení používat výraz ionosférické vrstvy, i když bráno přísně vědecky se jedná o regiony. Signál, který se odráží od ionosférických vrstev, budeme označovat názvem prostorová vlna, a signál, který se pohybuje po povrchu země, budeme označovat jako přízemní, neboli povrchová vlna.

Přízemní vlna je hlavním způsobem přenosu na dolních pásmech, tedy DV a SV, takto se vlastně šíří všechny rozhlasové AM stanice, nebo například amatérská pásma DV 136 kHz a SV 1,8 MHz. Dosah přízemní vlnou se prakticky uvažuje do vzdálenosti 100 km, avšak může se ojediněle i prodloužit. Vtipně použil odraz od ionosféry například odvážný antifašista ing.Rudolf Formis při vysílání z penzionu Záhoří, utopeném mezi kopci na břehu Vltavy. Povrchová vlna tak se nemohla nikam šířit, pouze odražená, která se vracela k zemi až někde v Německu. Tím dokonale znemožnil své zaměření.

Na VKV, UKV a vyšších kmitočtech může dojít vlivem změn v hustotě atmosféry dojít k ohýbání vln zpět na zem, pak se označují jako troposférické vlny. Tyto vyšší kmitočty ale ionosférické vrstvy neodráží, volně jimi pronikají, a tak se dají použít ke spojení s družicemi, raketoplány, lunárními moduly, a doufám v blízké budoucnosti i se stanicemi na dalších planetách.

Občas se setkávám s dotazy zájemců o nákup radiostanic, a to i z profesionálních služeb, zda se mohou spolehnout na vzdálenost spojení uváděnou při nákupu. Zde je nutno mít na paměti, že dosah rádiového spojení je dán mnoha různými činiteli, zejména jej ovlivňují:

1. Vliv terénu, jeho reliéf a členitost, přírodní a umělé terénní překážky (budovy, les, hory atd).

2. Okamžité podmínky pro šíření vln v závislosti na kmitočtu a na počasí.

3. Výkon vysílače v závislosti na jeho provedení (přenosný, mobilní, stacionární), citlivost přijímače, zisk a směrovost antén.

4. … a v neposlední míře to neméně důležité, tedy rušení.

Všechny tyto faktory mohou zvýšit nebo snížit praktický dosah spojení. V praxi můžeme uvažovat o tom, že dosah spojení se zvyšuje se zvýšením výšky antén na obou stranách trasy (viz výpočet vzdálenosti výše), a zmenšováním počtu překážek mezi oběma stanicemi, samozřejmě velký význam má také účinnost antény. Dosah při šíření přízemní (povrchovou) vlnou se také prodlouží použitím nižšího kmitočtu, ale zase se tím zvyšuje náchylnost na rušení. Pro zájemce o další studium této problematiky vřele doporučuji „Šíření vln v reálném terénu“

Krátké vlny

V dalším se jako praví radioamatéři budeme věnovat poznatkům o různém šíření krátkovlnných pásem, uvolněných pro radioamatérský provoz. Především si ale musíme uvědomit že šíření v těchto pásmech závisí ve značné míře na schopnostech vln odrážet se od vrstvy F2 ionosféry, které jsou značně rozdílné v závislosti na kmitočtu, ročního a denního období. Vlny nižších pásem se odrážejí silněji, než vlny vyšších pásem. Z tohoto důvodu, když je slabší ionizace (například v zimě v noci) je možnost dálkového šíření na nižších pásmech značně omezena, vlny procházejí ionosférou a nevrací se zpět k zemi. Pokud je ionizace silnější, například na jaře přes den, jsou výborné podmínky pro dálková spojení pomocí odrazů. Blíže na toto téma je uvedeno třeba ZDE. Samozřejmě, že v pásmech VKV existují ještě další druhy spojení pomocí jiných metod šíření, jako třeba provoz přes kosmické satelity, spojení odrazem od meteorických stop, spojení odrazem od povrchu Měsíce a další, pro jednoduchost tyto nebudu zde blíže uvádět, zájemcům doporučuji další studium.

Amatérská pásma KV.

Přidělení kmitočtů pro radioamatérskou potřebu je mezinárodně koordinováno. Některá pásma jsou sdílená s jinými službami a bývá tam stanovená priorita té které služby. Kmitočtové rozsahy jednotlivých pásem si můžete zjistit například ZDE.

Pásmo 160 m.

V podstatě středovlnné pásmo, nejvíce používané v noci, přes den se dá využít spojení pouze povrchovou vlnou na vzdálenost 50 až 60 km (tato vzdálenost může být výrazně vyšší, pokud trasa spojení vede nad vodní hladinou). V noci je díky odrazům od ionosféry dosah kolem 1 000 km. V zimě může být vlivem minimální sluneční aktivity možné spojení na vzdálenost několika tisíc kilometrů. V létě je na tomto pásmu komunikace obtížná pro silné atmosférické rušení.

Pásmo 80 m.

Přes den je zde možno navázat spojení na vzdálenost 300 až 400 km, kolem poledne je schopnost šíření minimální. Stejně jako v pásmu 160 m je i zde v létě mnoho atmosférického rušení. Během zimních nocí, zejména v období minimální sluneční aktivity, je běžné spojení i do vzdálenosti 5 000 až 7 000 km a někdy i více. V tomto období se velmi dobře šíří vlny nad vodní hladinou.

Pásmo 40 m.

Toto pásmo je svou charakteristikou podobné s pásmem 80 metrů, ale je zde výhoda, že se vyskytuje méně atmosférického rušení než na předešlých dvou pásmech, a tedy je možnost navazovat spojení ve dne i v noci na dlouhé vzdálenosti (přes den do 2 000 km, při dobrých podmínkách i více). V zimních nocích nejsou výjimkou vzdálenosti spojení na mnoho tisíc kilometrů přes noční stranu země.

Pásmo 30 m

Toto pásmo dostali amatéři v relativně nedávné době na sekundární bázi. Při praktickém provozu to vypadá, že je vhodné pro spojení kdykoli během dne, bez ohledu na roční dobu. Sluneční aktivita má relativně jen velmi malý vliv na odrazy, v období nízké sluneční aktivity se od ionosféry odráží. Vrstva D i při silné ionizaci nemá prakticky žádný vliv na absorpci signálu. Vlastní šíření je velmi podobné jako v pásmu 40 metrů s tím rozdílem, že přes den je běžná vzdálenost spojení kolem 2 000 až 3 000 km, přes noc ještě více. Drobná poznámka – je to moje nejoblíbenější pásmo.

Pásmo 20 m

Zde se dá uvést, že to je nejpopulárnější radioamatérské pásmo pro práci s DX (dálková spojení). Ale je také využitelné pro místní spojení, pro malý útlum povrchové vlny. V období vysoké sluneční aktivity je možno pracovat se vzdálenými stanicemi prakticky po celý den, kdežto v době minimální sluneční aktivity pouze v denních hodinách. Pro stabilní dálková spojení má téměř stálou hodnotu, výhodou je zde, na rozdíl od nižších pásem, možnost používání otočných směrových antén.

Pásmo 15 m

Dosah na tomto pásmu silně závisí na úrovni sluneční aktivity, v době jejího maxima je možné DX spojení větší část dne. Je možné zde zajistit stabilní komunikaci se vzdálenými stanicemi (například Austrálie), v době, kdy je to obtížné například na pásmu 20 m, kde signál není tak stabilní a je více rušení. V období nízké sluneční aktivity se jeví prakticky jako denní pásmo.

Pásmo 10 m

Poslední, nejvyšší z krátkovlnných amatérských rozsahů. Možnost provozu na něm velmi závisí na úrovni sluneční aktivity, v době jejího minima je spojení na větší vzdálenosti nemožné. Při průměrné sluneční aktivitě (někde kolem poloviny cyklu) je komunikace možná jen v zimních dnech. Zato v době maxima sluneční aktivity je možnost práce s DX stanicemi až do pozdních večerních hodin. Toto pásmo je také využíváno pro místní spojení, a to i přes značný útlum povrchové vlny. Je zde zanedbatelné množství atmosférického a průmyslového rušení.

Tomuto pásmu je velice podobné a kmitočtově blízké pásmo 11 metrů, na kterém pracují CB stanice, a proto vše, co zde bylo uvedeno, platí i pro toto pásmo.

V pásmech 160, 80 a 40 m existuje ještě jeden zajímavý jev, při kterém je možná komunikace se stanicemi umístěnými na druhé straně zeměkoule. Možnost navazovat DX spojení bez nutnosti použít mohutné antény a potřebě mnoha času v nočních hodinách objevili a ověřili Kalifornští radioamatéři v letech 1971 – 1974. Tento zvláštní fenomén šíření nazvali „Gray Line“, šedá linie, tedy prakticky pásmo soumraku. Již z názvu vyplývá, že to je krátký časový úsek během západu a východu slunce, který je spojen s náklonem (změnou výšky) ionosférické vrstvy F2, čímž vzniká něco jako vlnovod mezi vrstvami F a E. V pásmu 160 m obvykle trvá několik minut. v pásmu 80 m kolem 30 minut a v pásmu 40 m hodinu i déle. Podrobný popis tohoto jevu i s návodem na jeho využití vyšel v časopise Amatérské Radio č. 1 v roce 1976.

Co se týče pásem tak zvaných „WARC“ (podle světové radioamatérské konference na které byly pro radioamatéry uvolněny), tedy 18,1 MHz a 24,9 MHz, tak se přiznávám, že s těmi příliš zkušeností nemám, ale podle všeho jsou jejich vlastnosti podobné, jako středy mezi výše popsanými pásmy.