Near Vertical Incidence Skywave (NVIS)
Interactie tussen antenne en het propagatiemechanisme
Proefschrift van Ben A. Witvliet (PE5B) ter verkrijging van de graad van doctor aan de Universiteit Twente, op gezag van de Rector Magnificus, prof. dr. H. Brinksma, volgens besluit van het College voor Promoties in het openbaar te verdedigen op woensdag 2 december 2015 om 14:45 uur
Samenvatting
Flooded New Orleans following Hurricane Katrina, 11 September 2005. Photo courtesy of National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). Commander Mark Moran, of the NOAA Aviation Weather Center, and Lt. Phil Eastman and Lt. Dave Demers, of the NOAA Aircraft Operations Center, all commissioned officers of the NOAA Corps, flew more than 100 hours surveying Katrina’s devastation. Eastman piloted NOAA’s Bell 212 Twin Huey Helicopter from August 31 to September 19. All three men took dozens of aerial photos from an altitude of several feet to 500 feet.
In gebieden waar geen telecommunicatie-infrastructuur is, of wanneer die infrastructuur door een natuurramp is verwoest, kan Near Vertical Incidence Skywave (NVIS) propagatie voor een verbinding met de buitenwereld zorgen.
Om gebruik te maken van NVIS moeten de radiogolven recht omhoog worden gezonden, waar, op een hoogte tussen 80 en 350 km, de ionosfeer deze golven terugbuigt naar de aarde. Vanwege het frequentieafhankelijke karakter van de propagatie moet bij de keuze van de werkfrequentie rekening worden gehouden met parameters van de ionosfeer. Typische werkfrequenties liggen tussen 3 en 10 MHz.
Door de grote reflectiehoogte wordt een aaneengesloten gebied van tenminste 400 x 400 km rondom de zender bestreken. Aangezien de radiogolven onder een steile hoek naar beneden komen, vindt geen afscherming plaats door grote objecten zoals gebouwen of bergruggen plaats.
Aangezien NVIS niet afhankelijk is van een netwerk of netwerkoperator is snelle uitrol mogelijk. Bovendien zijn de antennes en radioapparatuur relatief eenvoudig te maken en onderhouden, zelfs in landen met een lager technologisch niveau. Deze aspecten maken NVIS radiocommunicatie bij uitstek geschikt voor communicatie na natuurrampen en voor onderwijs en medische zorg op afstand in arme en/of afgelegen gebieden.
Onderzoek naar de inzet van NVIS propagatie voor point-to-point verbindingen of omroep heeft verspreid over tientallen jaren plaatsgevonden en bestrijkt een groot aantal onderwerpen. In dit proefschrift worden blinde vlekken in dat onderzoeksgebied geïdentificeerd en bestudeerd, om zo bestaand onderzoek aan te vullen en te verbinden. Daarbij ligt de focus op antennes en propagatie.
De volgende onderzoeksvragen werden geformuleerd:
- Hoe functioneert het NVIS propagatiemechanisme, en welke parameters van dit mechanisme zijn van belang voor de optimalisatie van NVIS telecommunicatiesystemen?
- Hoe kunnen we de NVIS antenne optimaliseren zodat (a) het sterkste signaal wordt geproduceerd in het verzorgingsgebied, en (b) zodat de grootste signaal-ruisverhouding wordt gerealiseerd bij ontvangst van signalen uit dat verzorgingsgebied?
- Hoe groot is de interactie tussen NVIS antenne en NVIS propagatiemechanisme?
De nadruk van het onderzoek ligt op empirische verificatie van de effectiviteit van antennes en van propagatieverschijnselen en een aantal nieuwe meetmethoden is ontwikkeld om dit mogelijk te maken. De metingen zijn uitgevoerd in Nederland (52°N, 6°O), en worden geacht representatief te zijn voor het gebied tussen 40 en 60 graden Noorderbreedte.
Onderzoek met betrekking tot het NVIS propagatiemechanisme laat zien dat elevatiehoek, polarisatie, fading en ruis de belangrijkste parameters zijn bij de optimalisatie van NVIS telecommunicatiesystemen. De relatie tussen elevatiehoek en afstand is bepaald als functie van de werkfrequentie en het zonnevlekkengetal, en door meting bevestigd. Door middel van metingen is aangetoond dat NVIS al vanaf korte afstanden (20 km op 7 MHz) dominant is ten opzichte van de grondgolf. De metingen laten ook zien dat NVIS efficiënt is: één 100 Watt zender bestrijkt een gebied van 400 x 400 km met 35 tot 55 dB signaal-ruisverhouding. In de nachturen is propagatie waargenomen over een afstand van 110 km, op een frequentie boven de kritische frequentie van de ionosfeer, met een fluctuerend karakter dat veel weg heeft van verstrooiing (scattering) en niet lijkt op grondgolfpropagatie.
Het belang van de propagatie van karakteristieke golven in de ionosfeer is aangetoond door middel van metingen en laat bijna perfect circulaire polarisatie van de neergaande golven zien, met een grote (>25 dB) scheiding tussen beide karakteristieke golven. Een antenne met slechts 0,5 x 0,5 λ footprint is ontworpen, waarmee de beide karakteristieke golven gescheiden kunnen worden ontvangen. Toepassing hiervan voor diversiteitsontvangst (diversity) resulteert in 8 tot 10 dB reductie van het benodigd zendvermogen.
Onderzoek laat zien dat de optimalisatie van zend- en ontvangstantenne een verschillende benadering vraagt en verschillende optima oplevert. Optimalisatie van de ontvangstantenne vergt kennis van de propagatie van elektromagnetische omgevingsruis, waarbij zowel de polarisatie als de verdeling over de ruimtehoeken van belang is. Eerste experimenten laten zien dat de verdeling over de ruimtehoeken niet uniform is. Een nieuwe methode om de effectiviteit van meetantennes voor omgevingsruis te bepalen wordt beschreven.
Voor het op locatie vergelijken van NVIS antennes is een nieuwe meetmethode ontwikkeld die gebruik maakt van NVIS propagatie. Met deze methode is de optimale hoogte van een horizontale dipool als zendantenne bepaald. Die ligt tussen 0,18 en 0,22 λ voor de meeste grondsoorten. Het optimum van de ontvangstantenne ligt rond 0.16 λ, maar die is minder kritisch. In tegenstelling tot wat vaak aangenomen wordt presteren laag opgestelde dipolen slecht: een dipoolantenne op 0,02 λ hoogte is 11 to 12 dB minder effectief dan het optimum bij zenden, en 2 tot 6 dB minder effectief bij ontvangst. Zo’n lage dipoolantenne is echter nog altijd 12 dB effectiever dan een sprietantenne op een auto.
Interactie tussen de NVIS antenne en het NVIS propagatiemechanisme is aangetoond. Naar verwachting geeft optimalisatie waarbij antenne en propagatiemechanisme als een hybride systeem worden beschouwd betere resultaten dan wanneer de antenne alleen wordt geoptimaliseerd.
Verder lezen?
De volledige thesis van Ben (PE5B) staat op de ResearchGate website en is daar behalve online te lezen ook als PDF te downloaden. Een complete lijst van alle publicaties van Ben staat op zijn ResearchGate profiel pagina.
