NVIS: Steilstrahlung für regionale Verbindungen

Die Lücke zwischen Bodenwelle und DX

Mit flacher Abstrahlung liegen Stationen in 100 bis 300 km auf Kurzwelle oft in einer Lücke. Die Bodenwelle reicht über Land nicht so weit, auf 7 MHz mit 150 W laut einer Lehrschrift theoretisch rund 35 km^[1]. Eine flach abgestrahlte Raumwelle kommt erst weit entfernt herunter, dazwischen kaum etwas.

Schließen lässt sich die Lücke mit Wellen, die steil aufsteigen und steil von der Ionosphäre zurückkommen, bei kurzen Entfernungen fast senkrecht. Das heißt NVIS, kurz für Near Vertical Incidence Skywave, auf Deutsch Steilstrahlung. Weil die Gegenstation im Verhältnis zur Höhe der Schicht nah ist, sind die Abstrahlwinkel groß.

In der vereinfachten Rechnung aus Lektion 1 mit einer Spiegelung in 250 bis 300 km Höhe startet die Welle zu einer Station in 100 km unter 78 bis 80°, zu einer in 300 km unter 58 bis 62° (12db-Rechnung).

Mit NVIS lässt sich ein Umkreis von einigen hundert Kilometern recht gleichmäßig abdecken, und weil die Wellen steil steigen und fallen, stören Berge und Gebäude dazwischen wenig^[1]. Am besten arbeitet das, wenn beide Stationen Antennen für steile Strahlung haben^[1].

Nach oben hat die Vertikalantenne eine Nullstelle

Eine Viertelwellen-Groundplane strahlt oberhalb ihrer Radials im Prinzip wie ein senkrechter Dipol^[8] (Modul 3, Lektion 1), und ein Dipol strahlt in Richtung seiner Achse nichts ab (Modul 2, Lektion 4). Die Achse der Groundplane zeigt nach oben. Genau senkrecht nach oben hat sie deshalb eine Nullstelle, und auch unter 70 oder 80° kommt wenig heraus.

Ein waagerechter Dipol dicht über dem Boden verhält sich umgekehrt. Über ideal leitendem Boden wirkt er mit einem Spiegelbild zusammen, dessen Strom gegenphasig fließt (Modul 1, Lektion 4), über echtem Boden ähnlich mit schwächerem Spiegelbild. Flach zum Horizont sind beide Wege gleich lang, das Spiegelbild schwächt ihn dort, nach oben verstärkt es ihn in üblichen NVIS-Höhen. Senkrecht nach oben legt die gespiegelte Welle den Umweg $2h$ zurück. Über ideal leitendem Boden ist das bei $h = \lambda/4$ eine halbe Wellenlänge, mit dem gegenphasigen Strom kommen beide Wellen gleichphasig an, bei gleichem Strom ist das Feld nach oben am größten. Bei $h = \lambda/2$ heben sie sich dort auf, über echtem Boden bleibt ein Rest.

Die Zeichnung zeigt eine 12db-Rechnung mit NEC-2 auf 3,6 MHz über mittlerem Boden. Der Dipol in 15 m Höhe, 0,18 Wellenlängen, strahlt senkrecht nach oben am stärksten, mit rund 6,5 dBi. Im Bereich von 58 bis 80°, der Stationen in 100 bis 300 km erreicht, liegt die Groundplane in der Richtung quer zum Dipol rund 11 bis 22 dB unter ihm.

Eine schlechte Antenne ist die Groundplane damit nicht. Unter etwa 20° ist sie in derselben Rechnung stärker als der niedrige Dipol, also gut für DX. Und nahe Stationen erreicht sie über die Bodenwelle, die mit senkrechter Polarisation gut am Boden entlangläuft, mit waagerechter stark gedämpft wird^[3]. Mit waagerechten Dipolen gemessen, kam die Steilstrahlung aber schon in kurzer Entfernung stärker an als die Bodenwelle^[4].

Wie hoch der Dipol hängen soll

Bei gleicher Leistung zählt außer der Phase auch der Strom. Unterhalb von $\lambda/4$ wird der Strahlungswiderstand umso kleiner, je tiefer der Dipol hängt, und umso mehr Strom fließt. Über ideal leitendem Boden gleicht das die ungünstigere Phase mehr als aus, der Gewinn nach oben wäre dort umso größer, je tiefer der Draht hängt (12db-Rechnung). Über echtem Boden wird dagegen umso mehr Leistung im Boden zu Wärme, je näher ihm der Draht kommt (Modul 1, Lektion 4). Daraus ergibt sich ein Optimum, und je besser der Boden leitet, desto tiefer liegt es^[5].

Messungen und Simulationen über Ackerboden ergeben für den Sendedipol 0,18 bis 0,22 Wellenlängen, auf 0,02 Wellenlängen abgesenkt kamen 12 dB weniger an, den besten Signal-Rausch-Abstand beim Empfang brachten 0,16 Wellenlängen^[4].

In der 12db-Rechnung liegt das Optimum auf 3,6 MHz über mittlerem Boden bei 0,185 Wellenlängen, rund 15 m. Über sehr schlechtem Boden liegt es etwas höher und rund 1,3 dB tiefer. Das Maximum ist flach, zwischen 0,12 und 0,26 Wellenlängen fehlen über mittlerem Boden höchstens rund 0,7 dB.

Die kritische Frequenz bestimmt das Band

Ob eine steile Welle zurückkommt, hängt von ihrer Frequenz ab. Senkrecht nach oben wirft die F-Schicht Wellen unterhalb ihrer kritischen Frequenz zurück, Wellen darüber laufen durch sie hindurch^[2]. Tagsüber teilt sich die F-Schicht in F1 und F2, die kritische Frequenz der oberen heißt foF2. Gemessen wird foF2 mit einer Ionosonde.

Je flacher eine Welle auf die Schicht trifft, desto höher darf ihre Frequenz sein. Vereinfacht ist die Grenze die kritische Frequenz geteilt durch den Kosinus des Einfallswinkels, gemessen gegen die Senkrechte^[1]. Für steile Wege bringt das wenig: In der vereinfachten 12db-Rechnung liegt die Grenze für 200 km rund 5 bis 8 % über foF2, für 300 km rund 12 bis 16 %.

Liegt die Frequenz über foF2, entsteht um die eigene Station eine tote Zone: Die steilen Wellen kommen nicht zurück, erst flachere landen in größerer Entfernung^[2].

Ähnlich ist es bei einer Luftspiegelung über heißem Asphalt: Nur flach einfallendes Licht wird in der heißen Luft am Boden allmählich wieder nach oben gebogen^[9], steiles läuft hindurch. Auch die Ionosphäre wirft die Welle nicht an einer festen Grenzfläche zurück, sie bricht sie allmählich, und ab welchem Winkel eine Welle zurückkommt, hängt von ihrer Frequenz ab.

In der Zeichnung, vereinfacht mit ebener Erde und einem Spiegel in 250 km Höhe, kommt eine Welle auf 14,2 MHz bei foF2 = 7,5 MHz erst nach rund 800 km zurück. Unter foF2 kommt dagegen auch die senkrechte Welle zurück.

foF2 ändert sich laufend. Am höchsten ist sie um die Mittagszeit, am niedrigsten am frühen Morgen kurz vor Sonnenaufgang, dazu schwankt sie mit der Jahreszeit und dem Sonnenfleckenzyklus^[2]. Nutzbare NVIS-Frequenzen liegen im Mittel tagsüber bei 4 bis 8 MHz und nachts bei 2 bis 4 MHz, mit großen Abweichungen^[1].

Nach unten begrenzt die D-Schicht. Sie besteht tagsüber, dämpft umso stärker, je niedriger die Frequenz ist, am meisten um die Mittagszeit, und baut sich nachts weitgehend ab. Für die Amateurbänder heißt das:

• 40 m trägt nahe Verbindungen, wenn foF2 auf 7 MHz und mehr steigt^[6], meist tagsüber.
• 80 m ist das Band für Abend und Nacht. Sinkt foF2 unter 3 MHz, verschwinden auch dort zuerst die nahen Stationen, entfernte sind weiter zu hören^[6].
• 60 m hilft in der Übergangszeit zwischen Tag und Nacht^[7].
• 20 m liegt mit 14,2 MHz meist weit über foF2, NVIS nutzt Frequenzen von etwa 2 bis 10 MHz^[1].

Gemessene Werte der Ionosonden zeigt das Funkwetter von 12db.