Professor Angelo Antonio Leithold

INTRODUÇÃO

#professorAngeloLeitholdPY5AAL Toda antena, ao variarmos sua altura em relação ao solo (Ou um plano de referência de terra), varia a sua impedância. No caso do gráfico abaixo, facilmente se observam as medições entre 0,1 a 0,26 de comprimento de onda em que um dipolo pode emitir e receber pelo sistema NVIS - Near Vertical Incidence Skywave (Onda celeste de incidência quase vertical) . As frequências mais confiáveis ​​para comunicações NVIS estão entre 1,8 MHz e 8 MHz. Acima de 8 MHz, a probabilidade de sucesso começa a diminuir, caindo para perto de zero em 30 MHz. As frequências utilizáveis ​​são ditadas pelas condições ionosféricas locais, que têm uma forte dependência sistemática da localização geográfica. As bandas comuns usadas em rádio amador em latitudes médias são 3,5 MHz à noite e 7 MHz durante o dia, com uso experimental de frequências de 5 MHz ( 60 m ). Durante as noites de inverno, na parte inferior do ciclo de manchas solares, a banda de 1,8 MHz pode ser necessária. [3] A radiodifusão utiliza as bandas de transmissão tropicais entre 2,3–5,06 MHz e as bandas de transmissão internacionais entre 3,9 e 6,2 MHz. As comunicações militares do NVIS ocorrem principalmente em 2–4 MHz à noite e 5–7 MHz durante o dia.

DESCRIÇÃO

(C) PY5AAL Near vertical incidence skywave (Onda celeste de incidência quase vertical,) ou NVIS, é um método de propagação de ondas de rádio que fornece sinais utilizáveis ​​em distâncias  de 0 a 650 km. É usado para comunicações militares,e por radioamadores para contatos próximos, contornando as barreiras da linha de visão. As ondas de rádio viajam quase verticalmente para a ionosfera, onde são refratadas de volta e podem ser recebidas dentro de uma região circular a até 650 km em torno do transmissor. Se a frequência for muito alta (ou seja, acima da frequência crítica da camada F ionosférica), a refração não ocorrerá e se for muito baixa, a absorção na camada D ionosférica pode reduzir o sinal. As frequências mais confiáveis ​​para comunicações NVIS estão entre 1,8 MHz e 8 MHz. Acima de 8 MHz, a probabilidade de sucesso começa a diminuir, caindo para quase zero a 30 MHz. As frequências utilizáveis ​​são ditadas pelas condições ionosféricas locais, que têm uma forte dependência sistemática da localização geográfica. As bandas comuns usadas em latitudes médias são 3,5 MHz à noite e 7 MHz durante o dia, com uso experimental de frequências de 5 MHz (60 metros). Durante as noites de inverno na parte inferior do ciclo das manchas solares, a banda de 1,8 MHz pode ser usada. A radiodifusão utiliza as bandas de transmissão tropical entre 2,3 e 5,06 MHz e as bandas de transmissão internacional entre 3,9 e 6,2 MHz. As comunicações militares NVIS ocorrem principalmente em 2-4 MHz à noite e em 5-7 MHz durante o dia.

rofessorAngeloLeitholdPY5AAL As frequências ideais do NVIS tendem a ser mais altas nos trópicos e mais baixas nas regiões árticas. Eles também são maiores durante os anos de alta atividade de manchas solares. As frequências utilizáveis ​​mudam do dia para a noite, porque a luz solar faz com que a camada mais baixa da ionosfera, chamada camada D , aumente, causando atenuação das baixas frequências durante o dia [4] enquanto a frequência máxima utilizável (MUF) que é a crítica a frequência da camada F aumenta com maior luz solar. Estão disponíveis mapas em tempo real da frequência crítica. [5] A utilização de uma frequência cerca de 15% abaixo da frequência crítica deverá proporcionar um serviço NVIS fiável. Isso às vezes é chamado de frequência ideal de trabalho ou FOT .

rofessorAngeloLeitholdPY5AAL O NVIS é mais útil em áreas montanhosas onde a propagação da linha de visão é ineficaz ou quando a distância de comunicação está além do alcance de 80 km (50 milhas) das ondas terrestres (ou o terreno é tão acidentado e árido que as ondas terrestres não são eficazes). e menos do que a faixa de 500–2.400 km (300–1.500 milhas) de propagação de ondas celestes de ângulo inferior . Outro aspecto interessante da comunicação NVIS é que a determinação da direção do remetente é mais difícil do que a comunicação por ondas terrestres (ou seja, VHF ou UHF). Para as emissoras, o NVIS permite a cobertura de um país inteiro de tamanho médio a um custo muito mais baixo do que com VHF (FM), e cobertura diurna, semelhante à cobertura noturna de ondas médias (transmissão AM), a um custo mais baixo e muitas vezes com menos interferência.

EXEMPLO DE CONFIGURAÇÃO

(C) PY5AAL Um exemplo de configuração de antena NVIS é um dipolo horizontal polarizado (paralelo à superfície da Terra) que varia de 1/20 do comprimento de onda (λ) a 1/4 do comprimento de onda acima do solo. A altura ideal é de cerca de 1/4 do comprimento de onda, e a radiação de alto ângulo diminui apenas ligeiramente para alturas de até 3/8 de comprimento de onda. Essa proximidade com o solo força a maior parte da radiação a subir diretamente. A eficiência geral da antena pode ser aumentada colocando um refletor (Terra artificial) pouco mais longo que a antena (5%) paralelo e diretamente abaixo da antena que pode propiciar um ganho na faixa de 3 a 6 dB.  Os refletores são mais necessários ao usar dipolos inferiores em solos pobres, pois sem eles uma energia considerável é absorvida.

(C) PY5AAL Dependendo dos requisitos específicos, várias antenas (por exemplo, Sloper, T2FD, Dipolo) podem ser usadas para comunicação NVIS, com dipolos horizontais ou dipolos V invertidos a cerca de 0,2 comprimento de onda acima do solo, oferecendo os melhores resultados na transmissão e a 0,16 na recepção, De acordo com fontes militares e um extenso estudo realizado por pesquisadores holandeses. Obviamente, aumentos significativos na comunicação serão realizados quando a estação de transmissão e a estação receptora usarem a configuração NVIS para suas antenas. Em particular para operações de baixo perfil, as antenas NVIS são uma boa opção. Para transmissão, as antenas típicas consistem em um dipolo com cerca de 1/4 de comprimento de onda acima do solo ou em matrizes desses dipolos.  Podem ser usados ​​até 16 dipolos, permitindo sinais fortes com potência relativamente baixa, concentrando o sinal em uma área menor. Matrizes de dipolos podem ser usadas para "girar" o padrão, de modo que o transmissor não precise estar no centro da área de cobertura. As antenas de transmissão NVIS geralmente usam uma extensa tela de aterramento para aumentar o ganho e estabilizar o padrão e a impedância de alimentação com a alteração da umidade do solo.   A antena AS-2259, por exemplo, consiste em dois dipolos em forma de V invertidos: Os quatro fios de dipolo também servem como corda manual para o mastro da antena. Uma configuração alternativa consiste em uma antena de loop de transmissão configurada para transmissão máxima de sinal para cima, quadro horizontal.

CLIQUE AQUI, OU NA FIGURA PARA BAIXAR O MANUAL DA ANTENA AS2259

PREVISÕES DE PROPAGAÇÃO

(C) PY5AAL Atualmente existem ferramentas disponíveis para ajudar a escolher uma banda adequada, como o mapa de Frequência Crítica. Clique aqui para ver o mapa de frequência crítica atual  dos Serviços Meteorológicos Espaciais Australianos é útil para planejar frequências NVIS. Ele mostra a melhor banda esperada em relação à hora do dia para comunicação em distâncias de até 1.000 km.  Para o Hemisfério Sul as melhores ferramentas são propiciadas pelos Serviços Meteorológicos Espaciais Australianos.

(C) PY5AAL Isso é executado para uma latitude, longitude e data específicas, com base nas condições atuais. O eixo vertical é a hora do dia (UTC). O eixo horizontal é a distância em km. Observando a legenda colorida na parte superior (que irá variar dependendo das condições e das bandas selecionadas), para este gráfico a área vermelha mostra os tempos e distâncias onde 160m é a melhor (e provavelmente a única) banda que fornecerá cobertura NVIS. A parte amarela mostra onde 80m funcionará melhor. A parte verde-oliva escura mostra que 40m só serão melhores que 80m para distâncias superiores a 500 km, e apenas ao meio do dia. A mancha verde no canto inferior direito mostra que 30 m seriam abertos para caminhos de 1.000 km por volta do meio-dia, horário local.  Outra ferramenta útil de propagação online é o VOACAP, que permite ao usuário especificar as localizações do receptor e do transmissor, os níveis de potência, as antenas, o modo e o nível de ruído no receptor e, em seguida, represente graficamente a probabilidade do caminho estar aberto versus a hora do dia para cada banda. Isto é particularmente útil para avaliar a diferença na cobertura com mudanças nas antenas e nos níveis de potência. O VOACAP cobre apenas HF e não inclui 160m. Para usá-lo, se deve inserir o nível e o modo de potência, arrastando os ícones do transmissor e do receptor para os locais desejados no mapa. 

(C) PY5AAL Para usar o NVIS, além de escolher uma frequência apropriada onde a ionosfera seja ideal, irradiando o sinal diretamente para cima , a vantagem é que as montanhas entre duas estações não obstruem o caminho. O ângulo de elevação necessário depende da distância desejada (e da altura da ionosfera). Por exemplo, para uma altura nominal da camada F, os sinais a 85 graus acima do horizonte (5 graus da vertical) serão refletidos de volta para a Terra a uma distância de cerca de 44 km,  a 50 graus acima do horizonte (40 graus da vertical) cobrem cerca de 420 km. Porém o comportamento da ionosfera não é tão simples. Pois a altura efetiva da camada F varia com a frequência (assim como com as condições ionosféricas). Portanto, o ângulo necessário para cobrir uma distância específica (ou a distância coberta por um ângulo vertical específico) não é necessariamente o mesmo para bandas diferentes. Embora alguns autores mostrem 400 km como um valor típico, isso provavelmente se aplica a frequências mais altas usadas em distâncias mais longas. Nas faixas onde o NVIS é útil, uma altura de 200-250 km pode ser mais típica, mas ainda assim variará. Mais importante ainda, à medida que a frequência diminui, os reflexos podem sair da camada E em vez da camada F, o que diminui o ângulo necessário para cobrir uma distância (ou reduz a distância coberta por um ângulo vertical específico). Um exemplo seria a radiação em um ângulo de 50 graus , refletida pela camada E, em vez da camada F. Para cobrir 420 km , é necessário um ângulo vertical de 28 graus em vez de 50 graus. A frequência de transição onde a camada E se torna significativa ao longo destas distâncias é normalmente entre cerca de 3,0 e 6,0 MHz e varia com as condições ionosféricas (entre outros fatores). Em 80m, isso começa a ter um impacto em algum lugar entre 150 e 250 km, e não é incomum que sinais próximos a 3,5 MHz sejam refletidos através da camada E, enquanto aqueles próximos a 4,0 MHz viajam através da regiâo F. Na maioria dos casos, até 500 km , os sinais de 40m usarão a camada F, enquanto os sinais de 160m refletirão da camada E a quase qualquer distância, portanto exigirão ângulos de radiação mais baixos (o que pode ocorrer enquanto a polarização vertical funciona bem em 160m).

(C) PY5AAL Para o planejamento de antenas, isso significa que, especialmente em 80 m, as antenas podem precisar ser capazes de cobrir uma faixa de ângulos verticais para manter comunicações eficazes em um caminho específico. Qualquer gráfico ou tabela que mostre um ângulo vertical específico versus comprimento do caminho, especialmente se nenhuma frequência e/ou condições ionosféricas forem especificadas, provavelmente estará errado na maior parte do tempo, simplesmente porque tais condições do caminho não são constantes, e a propagação é consideravelmente mais complexa do que imaginada por amadores. Muitas vezes é possível, com potência suficiente, fazer contatos acima da frequência crítica para um determinado caminho através de retroespalhamento e outros modos parasitas. Eles geralmente usam ângulos de radiação muito mais baixos do que o NVIS quando a banda está aberta. Isto pode ter um impacto significativo no ângulo de radiação necessário para a propagação do NVIS em trajectos superiores a cerca de 100 km , especialmente abaixo de 6 MHz.

(C) PY5AAL O ângulo vertical de radiação necessário para uma determinada distância muda com as condições ionosféricas, bem como com a frequência, numa faixa de valores para os casos em que a variação é superior a 5 graus, instalar uma antena com radiação máxima direta não é difícil: um dipolo ou outra antena polarizada horizontalmente em alturas abaixo de 3/8 do comprimento de onda terá esse tipo de padrão. Muitas antenas NVIS simples terão uma largura de feixe ampla para cima, portanto há radiação significativa mesmo a 45 graus.  O padrão de ganho e radiação varia com a altura acima do solo, como descrito no início do artigo. Alturas de 0,1, 0,25 e 0,375 tem variação de ganho que decresce à medida em que a radiação máxima se desloca para ângulos mais baixos. No comprimento de onda de 0,5 há um nulo de sobrecarga significativo, enquanto em comprimentos de onda de 0,03 o ganho é menor devido às perdas de solo e o ganho também depende das condições do terreno. 

(C) PY5AAL A radiação direta nem sempre é a direção ideal para caminhos um pouco mais longos que às vezes são encontrados no que se acredita serem condições NVIS. A radiação máxima para um dipolo horizontal em diferentes alturas acima do solo, bem como a largura do feixe vertical varia em 3 dB. Uma antena “otimizada” pode trocar ganho em distâncias curtas por um sinal mais forte em estações mais distantes com as quais planeja se comunicar. A intensidade do sinal geralmente deve ser bastante forte ao usar uma banda adequada, talvez S9 + 20 dB ou mais para um transmissor de 100W e uma antena eficiente. Isso geralmente permite margem suficiente para operação QRP (Baixas potências). Antenas ineficientes e/ou  com alto nível de ruído de recepção causam dificuldades para o modo NVIS. Sinais fracos são devidos a condições de banda marginais ou a algum tipo de problema de estação (antena ruim, cabo coaxial ruim, alto nível de ruído, etc.). Caso contrário, pequenas mudanças na potência ou ganho da antena raramente têm muito impacto na capacidade de comunicação. Isso é determinado principalmente pelas condições ionosféricas. Observe que uma antena vertical geralmente tem um valor nulo para cima, o que a torna menos eficaz para caminhos menores que 300 km  em 80 m.  O padrão de radiação de uma vertical em comparação com um dipolo broadside  e um dipolo nas extremidades  é bastante variável. Algumas das antenas mais simples, como o dipolo de meia onda ou o V invertido, e os loops de comprimento de onda completo, horizontais ou alimentados para polarização horizontal, funcionam muito bem em NVIS, quando não estão muito acima do solo. Não tendo uma distância suficiente disponível, carregar bobinas ou dobrar a antena pode ajustá-la, assim como inserir um elemento parasita embaixo dela. Para aplicações em espaços muito limitados, um Loop de Transmissão Pequeno (montado no plano vertical) também pode funcionar bem, desde que seja razoavelmente eficiente (o que é mais difícil em 80m e 160m). 

(C) PY5AAL A intensidade relativa do sinal esperada para um dipolo de meia onda de 80 m a uma altura de 10 m,  para reflexões da camada F e da camada E, o raio máximo é de 800 km . Em 80m, o contorno de -3 dB é aproximadamente o mesmo para as reflexões das camadas E e F, e em distâncias mais curtas a propagação será geralmente através da camada F, na camada E a propagação é mais difícil neste caso.  O efeito da absorção do sinal na camada D da ionosfera, o que reduz a intensidade do sinal em ângulos mais baixos de radiação em quantidades variáveis. Para antenas não ressonantes ou de banda múltipla, nem sempre é uma tarefa fácil, especialmente em uma faixa de 4:1 de 160m a 40m. Por exemplo, um OCFD ou fio horizontal de meia onda com alimentação final para 80m terá um nulo de sobrecarga no padrão no segundo harmônico em caminhos mais curtos. O lóbulo em torno de 60 graus pode ser bastante eficaz em distâncias em torno de 150 a 400 km da extremidade do fio . Loops horizontais de onda completa tendem a ter o mesmo problema, embora o nulo possa não ser tão significativo para algumas formas triangulares quanto para quadrados. Uma solução fácil é usar vários dipolos em um ponto de alimentação comum para as bandas desejadas, usando um único elemento carregado para 40m e 160m que tem aproximadamente o mesmo comprimento que o dipolo de 80m. Este, embora reduza um pouco a largura de banda operacional, e a altura mínima recomendada para 160m esteja próxima do máximo para 40m, então não é perfeito. Um dipolo de link pode ser comutado em campo para cobrir qualquer banda desejada. O Bow Tie Loop por exemplo, foi projetado para fornecer operação de banda dupla em 160m/80m, e o desempenho em 40m costuma ser adequado. (Claro, também pode ser construído para 80m/40m.) Um dupleto de 80m terá ganho adicional de sobrecarga em 40m, mas o padrão de um dupleto de 160m tem uma sobrecarga nula em 40m, a menos que os fios sejam dobrados. As antenas OCFD geralmente funcionarão bem no segundo harmônico se a antena estiver dobrada 90 graus no ponto de alimentação, embora isso possa deslocar um pouco a curva SWR.

REFERÊNCIAS

Comitê Consultivo de Rádio Internacional (1969). Transmissão em Banda 7 (HF) na Zona Tropical (Relatório). Genebra, CH: União Internacional de Telecomunicações.

Passarinho, Stephen C. (AIØW). “A antena de comunicações de emergência” (PDF) . w8ne. com . Arquivado do original (PDF) em 20/09/2019 . Recuperado em 29/12/2012 .

"NVIS e DX locais em tempo real" . hamwaves. com . Arquivado do original em 01/12/2017 . Recuperado em 23/11/2017 .

"Um estudo analítico das comunicações HF entre PREOC-s provinciais e o escritório de gerenciamento de emergências de North Shore em VE7NSR" (PDF) . nsarc.ca . Março de 2010. Arquivado do original (PDF) em 03/03/2016 . Recuperado em 29/12/2012 .

Mapa ionosférico mundial . Departamento de Meteorologia (mapa). Comunidade da Austrália.

Marrom, Jim (K9YC). "Planejando antenas" (PDF) . k9yc. com . Arquivado (PDF) do original em 21 de setembro de 2017 . Recuperado em 30 de abril de 2017 .

Vendedor ambulante, Pat (2005). Álbum de recortes de tópicos técnicos 2000–2004 . Potters Bar, Reino Unido: Radio Society of Great Britain . pp .  978-1-905086-05-4.

"Antenas NVIS" . w8ji . com . Arquivado do original em 09/09/2018 . Recuperado em 25/06/2013 .