Analiza otwarć w pasmie 24 i 47 GHz.pdf

Analiza pewnych otwarć troposferycznych na 47 GHz i 24 GHz

Matthieu Cabellic, F4BUC, DUBUS 1/2007

tłumaczył Zdzisław Bieńkowski, SP6LB za zgodą wydawnictwa DUBUS

Otwarcia DX-owe są zawsze dobrą okazją dla badania zjawiska propagacji, w szczególności, gdy są one

szczególne. W październiku 2006 w Europie pracowano na dużą skalę DX'owo w pasmach 47 GHz i 24 GHz.

We Francji 11 listopada 2006 F6BVA i F6ETU przeprowadzili łączność w paśmie 47 GHz na odległość 300 km,

zaś F6DWG miał QSO z HB9AMH w paśmie 24 GHz na odległość 450 km. Te dwa QSO są szczególnymi

pośród wielu innych przeprowadzonych w tym czasie na tych pasmach. Będą one poniżej wykorzystane jako

przykłady do analizy.

W niniejszym artykule będą analizowane masy powietrza dla wyjaśnienia warunków troposferycznych, które są

odpowiedzialne za te intensywne otwarcia. Jeśli chcemy mieć możliwość dokładniejszego przewidywania tego

rodzaju otwarć, to niezbędne są obserwacje i późniejsze analizy, lecz stanowi to ogromną ilość pracy i wymaga

wysokiego stopnia znajomości, dla zrozumienia, jaki rodzaj warunków meteorologicznych może prowadzić do

takich niezwykłych konfiguracji mas powietrza. Niniejszy artykuł składa się z generalnej dyskusji na temat

propagacji troposferycznej, a następnie z szczegółowej analizy dwóch QSO w pasmach 24 GHz i 47 GHz.

Ogólna dyskusja na temat propagacji troposferycznej

Zjawisko refrakcyjności powietrza

Nienormalna zmiana indeksu refrakcji z wysokością prowadzi do nienormalnego ugięcia fal radiowych w kierunku

do ziemi. Promień ugięcia R u określony jest przez:

R u -1 = dN/dh

gdzie:

R u : promień ugięcia w metrach

N : indeks refrakcyjności powietrza

h : wysokość w metrach

Krzywa jest zawsze skierowana w kierunku rosnącej refrakcyjności, to znaczy w tym samym kierunku jak gradient

N. Promień krzywizny Ziemi jest równy 6378 km. Dlatego, jeśli gradient refrakcyjności wynosi 1/6378 = 157 x 10 -6

km -1 , to fala radiowa będzie biegła według krzywizny ziemi. Jeśli jest on większy, fale radiowe są uginane w

kierunku do ziemi i tam przechwytywane przy powierzchni ziemi i mogą rozchodzić się na bardzo dużą odległość.

Zgodnie z nauką o atmosferze, indeks refrakcji zależy głównie od ciśnienia atmosferycznego, temperatury i

koncentracji pary wodnej w powietrzu.

Najbardziej znaczącym czynnikiem wpływu jest para wodna (wilgotność). Ciepłe suche powietrze nad

zimniejszymi wilgotniejszymi masami powietrza jest najlepszą konfiguracją dla wytworzenia silnej inwersji.

W naszej analizie musimy obliczać refrakcyjność powietrza z danych sondażowych. Dla ułatwienia czytania

wzorów zdefiniujemy "refrakcyjność" (współczynnik załamania) jako N=(n-1).10 6 , gdzie n jest indeksem

refrakcyjnym. Wartość indeksu refrakcyjnego powietrza jest bardzo bliska jedności, typowo 1.0003.

Wzór stosowany dla obliczenia N jest:

⋅

dry

wet

Gdzie:

T: Temperatura w Kelwinach

P: Ciśnienie w hPa

f: względna wilgotność między 0 i 1 (lub H/100)

e: ciśnienie nasyconej pary wodnej

e jest obliczane wzorem MAGNUS

gdzie t: temperatura powietrza w ºC

"e.f" jest cząstkowym ciśnieniem pary wodnej w powietrzu.

N jest sumą dwóch składników, "składnik suchy" N dry , który obejmuje suche gazy, głównie azot i tlen i "składnik

wilgotny" N wet tworzony przez parę wodną.

W warunkach standardowych, N maleje o 40 jednostek na km w regionach umiarkowanych. Jeśli wielkość ta

maleje ponad 157 jednostek na kilometr, to fale radiowe mogą być złapane między warstwę inwersyjną w

troposferze i powierzchnią ziemi, lub między warstwami w troposferze w zależności od profilu refrakcyjności.

Jest to na ogół nazywane duktem i fala rozchodzi się w taki sposób jak w falowodzie. Propagacja nie polega tu

już na rozproszeniu troposferycznym (troposkater) i odpowiadające temu straty trasy rosną proporcjonalnie do

odległości (zasięgu) a nie z kwadratem odległości, dając w wyniku znacznie mniejsze straty trasy i bardzo wysoki

poziom sygnałów na dużych odległościach (>800 km). Obserwowano, że podczas występowania duktów,

warstwa inwersyjna może być szczególnie ostra i dobrze rozmieszczona wzdłuż profilu refrakcyjności.

Bardzo często gradient refrakcyjności jest większy niż "standardowy" gradient lecz nie przekracza 157

jednostek/km. Jest to nazywane podwyższeniem troposferycznym nie tworzącym duktu. Troposferyczne

podwyższenie jest spowodowane lekką i rozproszoną inwersją powodowaną przez grunt, który promieniuje ciepło

i utrzymuje górne warstwy powietrza cieplejsze podczas gdy blisko ziemi jest chłodniej. Występuje to zazwyczaj

w czasie nocy i wczesnym rankiem, powodując podniesienie siły sygnałów lecz nie dalekie DX'y (to znaczy, że

horyzont radiowy oddala się i wtedy wzmaga się rozproszenie troposferyczne (troposkatter).

Warstwa inwersyjna

Rys. 1 Podwyższenie troposferyczne i prowadzenie w dukcie

W przeciwieństwie do temperatury i ciśnienia, wilgotność jest bardzo uzależniona od warunków

meteorologicznych. To jest powodem tego, że N wet jest najbardziej zmiennym składnikiem N.

Zjawisko absorpcji powietrznej

Ponad 10 GHz absorpcja powietrzna staje się bardziej znacząca, w szczególności, gdy trasa jest dłuższa (> 200

km).

Rozpatrzmy standardowe wilgotne powietrze na poziomie gruntu: 15ºC, 1013 hPa i 60% wilgotności i suche

powietrze z 15ºC i 1013 hPa i otrzymamy wartości absorpcji jak w tabeli 1.

Częstotliwość Absorpcja kontinuum tlenu

+ suche powietrze (dB/km)

Absorpcja pary

wodnej

(dB/km)

Całkowita absorpcja

powietrza

(dB/km)

Absorpcja na trasie

100 km

(dB)

Powietrze mokre (15ºC, 1013 hPa, 60% wilgotności)

10 GHz

0.008

0.007

0.015

1.5

24 GHz

0.014

0.171

0.186

18.6

47 GHz

0.135

0.118

0.253

25.3

Powietrze suche (15ºC, 1013 hPa, 0% wilgotności)

10 GHz

0.008

0.8

24 GHz

0.014

1.4

47 GHz

0.135

13.5

Tabela 1: Wartości absorpcji powietrza wilgotnego i suchego

Absorpcja, w tym artykule, jest obliczana w oparciu o wzory zalecenia ITU-R P.676-6 "Tłumienie przez gazy

atmosferyczne" Wzory te są zbyt długie (i nudne) aby je tu przytaczać. Poniżej 54 GHz dokładność jest około

10%.

Dla trasy 100 km spostrzegamy różnicę między powietrzem wilgotnym i suchym 0.7 dB na 10 GHz, 17 dB na 24

GHz i 12 dB na 47 GHz. Oczywistym jest że na długich trasach absorpcja powietrzna gra znaczącą rolę. Nawet

uznając że absorpcja maleje z wysokością (ponieważ ciśnienie jest mniejsze), to jednak wydaje się, że suche

powietrze jest potrzebne jeśli ma nastąpić pomyślne otwarcie powyżej 10 GHz.

Pobieranie danych troposferycznych

Na całym świecie, a więc i w Europie, szereg stacji przeprowadza dwa razy dziennie sondowanie. Stosowane są

balony i podczas ich wznoszenia przez atmosferę, wysyłają one do stacji wartościowe dane. Sondowanie jest

przeprowadzane dwa razy dziennie o 00H00 TU i 12H00 TU.

Dane archiwalne są dostępne w domenie publicznej i mogą być z łatwością pobrane w Internecie. Dobrym

miejscem dla pozyskania danych sondażowych jest miejsce Uniwersytetu of Wyoming:

http://weather.uwyo.edu/upperair/sounding.html

We Francji mamy 6 stacji tworzących sześciokąt (F) i dalsze stacje położone na Korsyce (TK). Dla dobrego

rozpoznania stacji sondujących profile, pokazanych na mapce przejdź do : http://www.infoclimat.fr/radiosondages/

(W Polsce sondy są wypuszczane na północ od Wrocławia i Warszawy.).

300km+ QSO na 47 GHz

QSO miało miejsce między F6BVA/p i F6ETU/p 11 listopada (2006) ranem. Sygnały huczały na obu stronach.

F6BVA znajdował się na szczycie Mont Ventoux JN24PE na wysokości 1890 ASL.

F6ETU znajdował się w Col de Paillere JN02XR na 2300 ASL. Obaj mieli stacje klasy mikrowatowej (100µW) z

talerzami 50 dBi i czułością około -124 dBm.

Obie stacje były zawsze w lini widzenia z trasy radiowej (nie optycznej) i elipsoida Fresnela nie jest zakłócona

przeszkodami. Margines łącza może być obliczony przy zastosowaniu wzoru dla wolnej przestrzeni. W tym

przypadku dało to 175 dB na tłumienie przestrzeni i zapas łącza 39 dB bez strat powietrza .

Szczęśliwie, stacja sondująca znajduje się wewnątrz trasy QSO. Stacja Nimes-Courbessac dała więc bardzo

cenne dane dla analizy.

Mapka na rys. 2 pokazuje względne położenia operatorów i stacji sondującej.

Rys. 2 Trasa QSO 47 GHz

Tablica 2 jest przykładem pobieranych danych tekstowych.

Każdy wiersz odpowiada innej wysokości sondy. Z każdej kolumny możemy odczytać wartości dla: ciśnienie

(PRES), temperatury (TEMP), temperatura punktu rosy (DWPT), względna wilgotność (RELH), stosunek

mieszanki pary wodnej (g H 2 O/kg suchego powietrza (MIXR), kierunek wiatru (od DRCT do THTV). Wysokość

(HIGH) jest odpowiednią wysokością nad poziom morza (ASL) .

Tablica 2: Typowe dane sondażowe

Analiza sondażu o 00H00 TU

Tablica 3 pokazuje dane sondażowe i obliczone wszystkie interesujące dane: refrakcyjność N ze składnikami N dry

i N wet , gradient refrakcyjności i absorpcja powietrza na 47 GHz. Absorpcja trasy jest obliczona dla stałej wysokości

(altitudy). Rysunek 3 jest profilem sondażowym z względną wilgotnością i temperaturą, bardzo powszechny

przypadek.

Rysunek 4 pokazuje profil refrakcji powietrza. Gradient i profil odpowiadają standardowej zmianie -40

jednostek/km. Rysunek 5 pokazuje profil gradientu refrakcyjności powietrza. Wartości znajdują się około -40

jednostek/km (cienka pionowa linia). Linia przerywana przedstawia granicę -157 jednostek/km, potrzebną dla

zagięcia fal radiowych w kierunku do ziemi. Jest oczywistym, że o godzinie 00H00 TU nie stwierdzono żadnych

warunków propagacji troposferycznej. Ponieważ obie stacje znajdowały się na linii widzenia z powodu ich

wysokości, fale radiowe rozchodziły się po linii prostej (z korektą 4/3 promienia ziemskiego)

Na rysunku 6 pokazano profil absorpcji na 47 GHz. Spostrzegamy malejącą wartość około -30dB/km powyżej

1000m. Absorpcja powietrza na 1500m jest 50 dB, zaś na 250m jest 70 dB. To prowadzi z grubsza do strat

powietrza do 60 dB. Całkowity margines łącza jest 39 – 60 = -21. Nie odbierasz!

Tablica 3: Dane sondażowe (00H00 TU)

Rysunek 3: Profil sondażowy (00H00 TU)

Rysunek 4: Profil refrakcyjności powietrza (Ns= N dry Nh=N wet ) (00H00 TU)

Rysunek 5: Profil gradientu refrakcyjności powietrza (00H00 TU)

Rysunek 6: Profil absorpcyjności powietrza na 47 GHz (00H00 TU)

Analiza sondażu o 12H00 TU

Dane są zebrane i analizowane dokładnie w taki sam sposób. Teraz staje się jasnym, że o 12H00TU wystąpiły

szczególne warunki.

Profil sondażowy na rysunku 7 pokazuje znaczący spadek 70% w wilgotności względnej na 1500 m. Zauważ, że

profil temperatury jest całkowicie nie zakłócony (brak inwersji temperaturowej).

Profil refrakcyjności (rysunek 8) jest zakłócony składnikiem N wet . N dry jest zupełnie nie zakłócony.

Znamy wielki wpływ zmienności N wet na zmienność N, nawet gdy N wet stanowi tylko 15% całej wartości N.

Gradient refrakcyjności (rys. 9) pokazuje ostry wzrost na 1300 m, uzyskując w szczycie -250 jednostek/km,

znacznie przekraczając granicę -175 jedn./km. Staje się oczywistym, że o 12H00 TU wystąpiły warunki duktowe z

silną inwersją na 1300 m asl.

Trudno jest dokładnie określić trasę fal radiowych związaną z tą inwersją. Nie mamy innych danych sondażowych

w innych miejscach, tak więc nie jest możliwe wyciągnięcie dokładnych wniosków na temat trasy. Musieliśmy

mieć ugięcie wzdłuż całej tej warstwy inwersji bez przekraczania dolnej atmosfery, w przeciwnym przypadku

absorpcja stałaby się ważną. Pamiętaj, że obie stacje były na linii widzenia, tak więc tylko znaczny spadek w

stratach w powietrzu może być odpowiedzialny za pomyślne QSO na 47 GHz.

Przyjmijmy założenie że fale radiowe biegły na tej samej wysokości wzdłuż trasy.

Na rysunku 10 profil absorpcji wykazuje znaczny spadek strat w powietrzu około 1500 m. To mogło prowadzić do

całkowitej absorpcji 35 dB. W porównaniu do 00H00 TU jest to poprawienie o 25 dB. Całkowity margines łącza

wynosi 39 – 35 = + 4dB. QSO jest możliwe!

Możemy ekstrapolować między 00H00TU i 12H00TU i wnioskować, że inwersja powstała rano na wysokości

około 1500m asl.. Inwersja ta jest następstwem warstwy suchego powietrza nad wilgotnymi masami powietrza.

Taka konfiguracja prowadzi do:

- ugięcia fal radiowych wzdłuż trasy,

- wyraźnego zmiejszenia strat trasy z powodu mniejszej absorpcji na 47 GHz w suchym powietrzu.

Nie ma możliwości stwierdzenia, że taka konfiguracja była taka sama wzdłuż trasy, lecz bardzo dobrą

interpretacją jest, że ta inwersja pomogła przebiegowi fal radiowych w suchej, mało stratnej warstwie. Skutkiem

tego doświadczono znaczne podniesienie poziomu sygnału.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: