Reflexionen von Raumwellen nahe dem vertikalen Einfallswinkel - 'NVIS'

NVIS (Near Vertical Incidence Skywave) - Wellenausbreitung nutzt die Ionosphäre als Reflektor um einen Radius von wenigstens 150 km in der Umgebung eines Senders im Frequenzbereich von grob 3-10 MHz und bildet einen interessanten Spezialfall der Wellenausbreitung auf Kurzwelle.

Die Wellenausbreitung im Kurzwellenbereich lässt sich zunächst in zwei Klassen teilen:

  • Bodenwellen, grob im Bereich 0-30 km in der Umgebung des Senders, entlang der Erdoberfläche, das sind, etwas vereinfacht,  Sichtverbindungen, wie wir sie vor allem im UKW Bereich und höher vorfinden;
  • Raumwellen; mit Reflexionen an ionisierten Schichten, die die Erde aufgrund der Sonneneinstrahlung umgeben. Dadurch sind dann im Prinzip Funkverbindungen zu jedem Punkt auf der Erde möglich.

Bei gleichbleibender Frequenz und gleichbleibendem Zustand der reflektierenden Schicht (F2 - Schicht), ist die Entfernung der Ausbreitung dann abhängig vom Einfallswinkel α der elektromagetischen Welle auf die ionisierte Schicht. Es gibt jedoch einen kritischen Winkel hin zum vertikalen Einfallswinkel, bei dem keine Reflexion mehr an der Schicht stattfindet; die elektromagnetische Welle durchläuft dann die ionisierte Schicht und breitet sich weiter in den Weltraum aus. - Oder wärmt die Wolken ('cloudwarmer'), wie manche scherzhaft meinen.

Dadurch entsteht in der Umgebung des Sender ein kritischer Bereich, der weder von den Bodenwellen noch von den Raumwellen erreicht wird (eine tote Zone zwischen den Empfangsorten E1 und E2, die sog. Skip-Zone), d.h. für den Sender S gibt es dort keinen Empfang.

Die hier beschriebenen Beschränkungen gelten aber erfreulicherweise nicht absolut, denn es gibt einen Frequenzbereich, (grob in dem Bereich von 3 - 10 MHz) und eine Ionisierungsschicht (F2 Schicht), bei denen Reflexionen für Raumwellen auch nahe dem vertikalen Einfallswinkel von 90° ('Near Vertical Incidence Skywave, NVIS) erfolgen, so dass in der Umgebung des Sendes ab ca. 30 km bis über 300 km - und noch sehr viel weiter - Funkverbindungen möglich sind.

In diesem Bereich liegen auch noch das 80m Band (3,5 - 3,8 MHz) und das 40m Band (7,0-7,2 MHz), so dass diese für NVIS - Verbindungen uneingeschränkt geeignet scheinen.

Die untere Frequenz von 2 MHz, das ist die niedrigste brauchbare Frequenz für NVIS (engl.: Lowest Usable Frequency, LUF ) und die obere Frequenz von 10 MHZ, das ist die höchste noch brauchbare Frequenz für NVIS (engl.: Maximum Usable Frequency, MUF) können sich jedoch, je nach Zustand der Ionosphäre, so verändern, dass das 80m Band und das 40m Band gerade nicht mehr in diesen Bereich fallen:

 z.B.: bei  { LUF=4 MHz  ≤  Sende-Frequenz   ≤  MUF= 7MHz }.

 

Damit aber ensteht eine Versorgungslücke (Frequenzbereich von LUF bis MUF), bei der der Amateurfunkdienst  (wie er in bestem Amtsdeutsch genannt wird) mit seinen nicht unerheblichen Ressourcen für Katastropheneinsätze nicht mehr zur Verfügung steht. 

Die Internationale Fernmeldeunion (ITU) hat dies zum Anlass genommen, dem Amateurfunk ein schmales Band im Bereich der Frequenz 5,3 MHz (60m Wellenlänge) als sekundäre Nutzer zuzuweisen (d.h. andere Nutzer haben Vorrang), um dessen Ressourcen in Katastrophenfällen nutzen zu können.

Für den Amateurfunk entsteht dadurch die Herausforderung, dem mit geeigneten Mitteln zu entsprechen. Sind für den gewöhnlichen Kurzwellen-Funk möglichst weite Verbindungen interessant, so liegt hier der Fall etwas anders. Im Vordergrund steht hier das Wissen um die Ausbreitungsbedingungen und technischen Anforderungen im regionalen Umfeld (grob 50 - 500 km) mit Blick auf Katastropheneinsatzfähigkeiten.

Es sei noch bemerkt, das die F-Schicht nicht die einzige ist, mit der es die Raumwellen zu tun bekommen. Die darunter liegende D-Schicht wirkt dämpfend auf die Signalausbreitung, die E-Schicht kann dämpfend oder fördernd wirken. Da sich die Ionisierung dieser Schichten durch die energetische Sonneneinwirkung auf die Erdatmosphäre verdankt, sind diese Phänomene natürlich abhängig von den Periodizität der Sonnenaktivität (11-jähriger Sonnenfleckenzyklus) sowie ihrem jahreszeitlichen wie täglichen Stand. Näheres dazu findet man, hervorragend ausgearbeitet und mit weiteren Literaturanagaben beim OV Süderbrarup, M15, unter dk0wcy.de/story.htm. In obiger Darstellung ging es aber zunächst erst einmal um das NVIS - Prinzip.

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Quellen:

[1] Burgess, S.J., Evans, N.E., Short-haul communications using NVIS HF radio, ELECTRONICS & COMMUNICATION ENGINEERING JOUTRNAL, APRIL 1999, S. 95 ff.

[2] James R. Glover, WB5UDE, NVIS: Near Vertical Incidence Skywave, http://www.qsl.net/wb5ude/nvis/#nvisprop ; Dank an James R. Glover,WB5UDE, aus dessen lesenswertem Beitrag hier reichlich geschöpft wurde. Dort lässt sich das Thema noch weit fundierter nachlesen, zudem werden die weiteren technischen Konsequenzen ('NVIS-Technologie') ausführlich dargestellt.

[3] Tom Kamp, DF5FL, 60m-Band: Chancen für NVIS, CQ-DL, 2-2017, S. 48ff.

[4] Thematik Sonne und Ionosphere (sehr empfehlenswert!): dk0wcy.de/story.htm

[5] Ben A. Witvliet et al., Near Vertical Incidence Skywave Propagation: Elevation Angles and Optimum Antenna Height for Horizontal Dipole Antennas, IEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol. 57, No. 1, February 2015

 


 

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