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.
SDR zondag bij Technologia Incognita
/in Aankondiging evenementen/door Johan Evers (PE1PUP)SDR zondag in Amsterdam
Zondag 20 december word er een nieuwe SDR zondag georganiseerd, wederom bij Technologia Incognita aan de Louwesweg 1 in Amsterdam. Deze keer is het thema DSSS, ofwel Direct Sequence Spread Spectrum modulatie en de toepassingen ervan in onder andere WiFi, Global Navigation Satellite Systems (GNSS) zoals GPS en Galileo, en lange-afstand communicatie.
Lees meer
Vanaf 3 december dan eindelijk toegang tot 5 MHz
/in Nieuws van de overheid, Traffic Bureau/door webredactieVandaag is het officieel bekend gemaakt. Zendamateurs mogen vanaf uitkomen op de 5 MHz band, oftewel 60-meter band. Dat valt op te maken uit de publicatie van de wijziging in de “Regeling Frequentiegebruik”.
Voorwaarden voor toegang tot 5 MHz
Lees meer
QSL kaarten op vlucht MH17 terecht
/in Nieuws van het bestuur/door Jean-Paul Suijs PA9XEen fragment uit het YouTube filmpje (gemaakt bij de rampplek) waarop de QSL kaarten te zien waren.
Vorig jaar werd het VERON hoofdbestuur gewezen op een YouTube filmpje waarop Nederlandse QSL kaarten waren te zien, die aan boord waren van rampvlucht MH17. Door het DQB (Dutch QSL Bureau) werd inderdaad bevestigd dat rond die tijd een zending QSL kaarten onderweg was naar YB. Meer kon toen helaas niet gemeld worden.
QSL kaarten MH17 op Schiphol
Een tijdje geleden werd het hoofdbestuur wederom getipt. De QSL kaarten, een deel van de geborgen lading van MH17 , zouden op Schiphol zijn. Na wat speurwerk is het hoofdbestuur in contact gekomen met de advocaat van Malaysian Airlines. Hij bevestigde dat de QSL kaarten in zijn beheer waren.
Specialistische reiniging
Het hoofdbestuur heeft de mogelijkheid onderzocht om de kaarten terug te krijgen bij de rechtmatige eigenaren, de amateurs die de kaarten verstuurd hebben. De advocaat van Malaysian Airlines heeft aangegeven dat de 465 kaarten, uit veiligheidsoverwegingen, eerst specialistisch gereinigd moeten worden. De kosten voor die reiniging bedragen 15.000 Britse Pond excl. BTW (ca. 25.740 euro).
Rechtmatige eigenaren
De VERON en het DQB zijn niet de rechtmatige eigenaren van de QSL kaarten. Dat zijn altijd nog de amateurs die de kaarten verstuurd hebben. Het hoofdbestuur of DQB neemt daarom ook niet de beslissing of de kaarten wel of niet gereinigd moeten worden. Gezien de hoge kosten is het onwaarschijnlijk dat de rechtmatige eigenaren de kaarten terug willen hebben. Desondanks wil het hoofdbestuur via deze weg amateurs de kans geven om hun QSL kaarten terug te krijgen. Daarvoor moet wel het eerdergenoemde bedrag van 15.000 Britse Pond excl. BTW in zijn totaliteit betaald worden aan het reinigingsbedrijf. Indien één of meerdere amateurs hiertoe toch bereid zijn, dan kunnen zij zich via het contactformulier melden bij de algemeen secretaris. Hij zal hen in contact brengen met de advocaat van Malaysian Airlines.
60 meter antenne (5 MHz)
/in Algemeen nieuws/door Johan Evers (PE1PUP)Zelfbouw 60 meter antenne
Ik ben één van de weinigen met een multi-band inverted-V. Voordeel hiervan is dat ik op de bewuste banden een mooie staande golf heb van 1:1. Mijn laagste band is 20 meter. Deze draad heb ik verlengd met een zelfgemaakte spoel. En daaraan nog weer een stuk voor het 60 meter (5 MHz) gedeelte. In principe is één been van de dipool 20m(draad)+20m(spoel)+20m(draad). Om toch nog weer de 20m band te gebruiken heb ik een condensator op de juiste resonatiefrequentie (20m) getrimd.
De bouw
De antenne lijkt veel op http://www.hard-core-dx.com/nordicdx/antenna/wire/60mtrapdipole.html maar dan als inverted-V. De trap heb ik eigenlijk gewoon als experiment gemaakt zonder eerst (dure) materialen aan te schaffen om dan misschien te moeten concluderen dat het weggegooid geld is geweest.
Roelf Harm Brouwer (PE1MXP)
HAMNET lezing in ’s Hertogenbosch
/in Aankondiging evenementen/door webredactieHAMNET lezing in ’s Hertogenbosch
Lees meer
Nog even geduld voor 5 MHz
/in Algemeen nieuws/door Jean-Paul Suijs PA9XVeel zendamateurs kunnen niet wachten totdat ze op 5 MHz, 60 m, mogen uitzenden. Waar we eerst dachten in oktober al toegang te krijgen, kost het wat meer geduld voor 5 MHz toegestaan is. Bram van den Berg, PBØAOK, voorzitter van onze Werkgroep Overleg Overheid, ontving het volgende bericht van Agentschap Telecom:
We moeten nog even geduld voor 5 MHz hebben. Je hebt dan nog wel even de tijd om een antenne voor 60 meter te bouwen. Heb jij toevallig nog een ontwerp wat je met anderen wil delen? Stuur het naar de webredactie en we publiceren het op de website.
Thesis van PE5B: “Near Vertical Incidence Skywave”
/in Algemeen nieuws/door Johan Evers (PE1PUP)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:
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.