Voortplanting van radio golven

Om te begrijpen hoe radiogolven zich voortplanten moeten we eerst iets werten over de samenstelling van verschillende lagen rondom onze aarde
Rondom onze aarde bevinden zich een aantal lagen welke worden beinvloed door de zonnewind.De zonnewind is een stroom van geladen deeltjes die ontsnappen van het oppervlak van de zon .
Door de grote hitte van een miljoen Kelvin in de corona krijgen protonen en elektronen voldoende snelheid om aan de zwaartekracht van de zon te ontsnappen .
Deze passeren de Aarde met een gemiddelde snelheid van zo'n 450 km/s.

De zonnewind wordt aangetrokken door het magnetische veld van de aarde , vandaar dat er rond de poolcircels soms een dermate grote ionisatie ontstaat dat deze s'nachts zichtbaar is als het noorderlicht Hier een foto van het noorderlicht zoals dat vaak te zien is boven in Canada en Noorwegen , Finland , Bij een extreme sterkte van de ionisatie is dit verschijnsel soms zelfs hier in Nederland nog zichtbaar Hevige zonnewinden kunnen leiden tot storingen in het elektriciteitsnetwerk en in communicatienetwerken. Onder extreme omstandigheden kan het zelfs tot complete uitval leiden van stroom , telefoon en computer netwerken

Radiogolven planten zich in een rechte lijn voort, tenzij ze gereflecteerd of afgebogen worden. Daar de aarde bolvormig is verwijderen radiogolven zich dus per definitie van de aarde af. doordat de ioniserende lagen echter als spiegel werken kunnen deze worden afgebogen en terugkaatsen naar de aarde ,
Deze eigenschap is echter niet voor alle golflengtes gelijk maar is afhankelijk van de golflengte van de radiogolf , daardoor is er een groot verschil in de voortplanting op lange , medden en korte golf , ook is het afhankelijk van de tijd , korte golven worden meestal overdag beter gereflecteerd , langere golven weer beter in de avond en nachtelijke uren
ook worde het zeer sterk beinvloed door de activiteit van de zon Deze varieerd in een 11 jarige cyclus waardoor er ook in het gedrag van radiogolven een patroon zit met een 11 jarige herhaling , we spreken van een zonnevlekken minimum en een zonnevlekken maximum . Gedurende het maximum zijn er vooral op de hogere frequenties zeer goede propagatie's mogelijk vooral op de frequentie's rond de 30 Mc worden optimaal gereflecteerd
Deze reflectie kan dan zelfs zo sterk worden dat het met enkele watt's vermogen mogelijk is om verbindingen te maken over de gehele wereld . De propagatie op lagere frequentie's is dan echter vaak zeer slecht doordat juist de lage frequenties dan zeer sterk worden gedempt
er zijn een aantal verschillende lagen in de ionosfeer welke verantwoordelijk zijn voor het al dan niet reflecteren van golven van een verschillende frequentie

De D-laag is de onderste laag en valt ongeveer samen met de mesosfeer. Deze laag absorbeert de radiostraling meer dan het reflecteert. Radiosignalen met een frequentie van 30 tot 300 kiloHertz (kHz) (de lange golf) en ten dele ook de middengolfsignalen worden door deze laag weerkaatst. Daar deze laag het dichtst bij de aarde ligt worden de radiogolven over ongeveer duizend kilometer verspreid door deze weerkaatsing. 's Nachts valt de D-laag geheel weg waardoor de ontvangst van lange golfuitzendingen moeilijker wordt. De hoger gelegen E-laag neemt de functie dan over.

De E-laag (ook wel: Kennelly-Heavisideband) is de middelste laag en valt samen met het onderste deel van de thermosfeer. De radiogolven met een frequentie van 300 kHz tot 3 megahertz (MHz) worden honderden kilometers ver (middengolf en visserijband) en nog verder (tropenband en korte golf) weerkaatst. 's Nachts verandert de geladenheid van de E-laag waardoor ineens signalen van verder weg beter ontvangen kunnen worden, die van dichtbij echter slechter.

Op een hoogte van 90 tot 120 km treedt sporadisch de E_s-laag (sporadicE) op. Deze treedt op willekeurige tijden, in midden-Europa meestal overdag in de zomermaanden op en ontstaat als verschillende fysieke processen tegelijk optreden. Het wordt vermoed dat sporen van ioniserende gassen uit in de atmosfeer verbrandende meteorieten bijdragen aan het ontstaan van deze laag. Als de ionisatie in de E_s-laag te sterk wordt dan kunnen de korte golven niet meer bij de F₂-laag raken en daar teruggekaatst worden. Dit kan tijdelijk een volledige verstoring van signalen in de hele kortegolfband veroorzaken. Deze als Mögel-Dellingereffect bekende toestand wordt ook het dode vierde uur genoemd. In de ultrakorte golf (de FM-band) kunnen radiosignalen tijdelijk buiten hun normale bereik vallen omdat ultrakorte golven door de E_s-laag gereflecteerd worden waardoor er in het ultra kortegolf gebied ook ontvangst mogelijk is over grote tot zeer grote afstanden
Hier kan het signaal zich soms wel rond de gehele aarde voortplanten waarbij het signaalmeerdere malen heen en weer gekaatst wordt tussen de F laag en de aarde
We noemen dit Multi Hop , de ontvangst is dan niet overal mogelijk maar alleen in die gebieden waar het door de aarde wordt terug gekaatst naar de ionosfeer

Multi hop
Bekend voorbeeld is b.v. de ontvangst van Amerikaanse politie mobilofoons hier in Europa in de 30 - 50 M/c band en wereldwijde amateur verbindingen op de 5 meter band
Ook komt het dan voor dat er hier in Nederland een goede ontvangts mogelijk is van FM stations uit Spanje , Italie , Zweden , Noorwegen , enz.

Niet altijd is hier de F-Laag voor verantwoordelijk , Ook de Sporadic E-Laag , maar ook b.v. warmte inversie in de lagere luchtlagen kunnen een soort tunnel laten
ontstaan waar ultrakorte radiogolven in worden gevangen als in een golfpijp en waar deze honderden
kilometers verder weer uit ontsnappen.
Dit effect heeft niets met de ioniserende lagen te maken maar ontstaat vooral op warme zomeravonden wanneer de warme lucht plotseling afkoeld
Reflectie door Duct vorming ( hoofdzakelijk op VHF - UHF )

Aangezien de mate van ionisatie van de ionosfeer verandert met de zonnestand en deze per seizoen en per breedtegraad verschilt is de voor
intercontinentale communicatie bestemde korte golf verdeeld in verschillende banden welke ieder voor een bepaald e tijd van de dag en een bepaald doelgebied bruikbaar zijn

De meest reflecterende laag en dus verantwoordelijk voor de mogelijkheid om voorbij de horizon toch radiosignalen te ontvangen is de F-laag. Deze laag is dikker als de straling van de zon er overdag mee in aanraking komt, en is in de winter dunner dan in de zomer. Daarnaast wordt bij daglicht de F-laag in twee delen gescheiden; de F1- en F2-laag. De F1-laag is overdag aanwezig, 's nachts niet. De F-laag refelecteert en heeft daardoor invloed op de ontvangst van korte golfsignalen: 's nachts zal de ontvangst van verder gelegen radiostations beter zijn dan overdag.
Willen we optimaal gebruik maken van de eigenschappen van de ionosfeer zullen we dus rekening moeten houden met al deze eigenschappen en zowel de zendfrequentie
als de opstralingshoek van de antenne moeten kiezen in overeenstemming met de momentele sutuatie en natuurlijk het doelgebied van onze uitzending

Voor de Middengolf kunnen we onderscheid maken tussen twee hoofdzakelijke doelgebieden , 1: lokale uitzending ( 0 - 100 Km ) 2 : DX 70 - 300 Km en verder .
Voor lokale uitzendingen hebben we belang bij een zo goed mogelijke en stabiele ontvangst in het doelgebied
We maken dan zo min mogelijk gebruik van reflectie en proberen onze radiogolf zoveel mogelijk laag over de aarde weg te stralen ( grondgolf)
Hiervoor gebruiken we bij voorkeur een vertikale antenne en de beste ontvangst is dan overdag wanneer de demping door de D-laag storing van verre stations tegenhoud
Voor DX uitzendingen op de middengolf zijn we grotendeels afhankelijk van de reflectie door de E-laag Dit ia meestal alleen in de avond en nachtelijke uren mogelijk als de demping door de D-laag is verdwenen en de radiogolven door de E laag kunnen worden gereflecteerd., in dit geval is hetvoordeliger om een horizontale antenne te gebruiken
met een hogere opstralings hoek zodat het grootste deel van de uitgezonden golven via de E-laag terug naar de aarde worden gereflecteerd . Dichterbij zal de ontvangst hierdoor meestal een stuk slechter worden en ook onderhevig zijn aan een sterke fading doordat de
ontvanger dan ook nog binnen de reikwijdte zit van de grondgolf en er een wisselvalige zweving zal ontstaan tussen de grondgolf en de gereflecteerde skywave

NVIS - Near Vertical Incident Skywave, een bijzondere mode welke soms ook nog bruikbaar is op de middengolf

NVIS is het gebruik van een hoge afstralingshoek (bijvoorbeeld 90 graden, recht omhoog) om zo  een gegarandeerd bereik te hebben van 150 tot 400 kilometer (andere bronnen spreken van 600 km , met 100 Watt vermogen). Afhankelijk van het tijdstip van de dag wordt er gebruik gemaakt van een specifieke band.
Bijvoorbeeld: 1,6 - 3 M/c band 's nachts. Overdag het gebied van 3 tot 7 Mc
Dat maakt deze mode dus ook geschikt voor gebruik op de 76 en 48 mtr band maar in de nachtelijke uren ook op de 180 mtr middengolf
Deze mode is hoofdzakelijk ontwikkeld voor millitair gebruik speciaal voor mobiele verbindingen welke niet meer mogelijk zijn met VHF UHF radio's of straalverbindingen
Doordat men een hoge afstralingshoek gebruikt, worden de golven gereflecteerd door de ionisfeer (F lagen). Doordat er gebruik wordt gemaakt van golven die rechtstreeks worden gereflecteerd door de ionisfeer, treed er weinig verlies op. Bebouwing, lager gelegen gebieden of een bergtop is geen probleem om te overbruggen. Dit heeft ook het voordeel van de antenne plaatsing , door de vertikale opstraling is het niet meer nodig
hoge en opvallende antenne's te plaatsen wat vooral bij geheime operaties een enorm voordeel betekend ( en natuurlijk ook voor Piraten zenders ) .
Een Commando eenheid welke achter de vijandelijke linie's opereerd kan eenvoudig een NVIS verbinding opzetten zonder hun positie prijs te geven met opvallende antenne's
Tweede niet onbelangrijke faktor is dat door de afstraling recht omhoog er praktisch geen grondgolf waarneembaar is in de omgeving , en peil en luisterdiensten het zo onmogelijk wordt gemaakt de lokatie van de uitzendingen te lokaliseren .
Er zijn speciale Magnetic Loop Antenne's ontwikkeld door o.a. de Firma Racal welke bruikbaar zijn in het gebied van 2 tot 9 Mc en welke een bijna ideale vertikale afstraling hebben Dit type antenne kan zowel op de grond gebruikt worden waar het door het zeer kleine profiel gemakkelijk te camoufleren is en ook de mogelijk heeft om het op het dak van een Jeep of Hummer tereinwagen te monteren. Voorwaarde is dat het ontvangende station ook gebruik maakt van de NVIS methodiek. Als je rekening houdt met de korte afstand, wordt er geen gebruik gemaakt van grondgolf propagatie (kleine afstralingshoek; DX antenne) maar van luchtgolf propagatie (grote afstralingshoek). NVIS is gebaseerd op het principe dat men een frequentie neemt lager dan de kritische frequentie

De Racal Magnetic Loop Antenne Voor de NVIS mode	En hier de AS2259/Gr , ook een NVIS antenne	Een NVIS Loop voor mobiel gebruik

Hier een grafische uitleg van de mogelijkheden van deze NVIS mode en de mogelijkheden voor ons zendamateurs.

Werken in de N.V.I.S. mode

De NVIS mode maakt verbindingen mogelijk in gebieden welke binnen de dode zone liggen van een korte golf verbinding en buiten het bereik van de meeste VHF / UHF verbindingen  maar je moet wel met een aantal dingen rekening houden. 
De antenne moet een hoge opstralingshoek hebben , meestal dus een horizontaal gespannen draad op een hoogte lager dan een kwart golf . In de praktijk worden er hoogtes gebruikt van 0,1 tot 0,15 lambda , maar onder bepaalde omstandigheden worden er zelfs goede resultaten geboekt met antenne hoogtes van minder dan 1 meter 
wel is dan een goed geleidende ondergrond nodig b.v. natte kleigrond zal een stuk beter werken dan droge zandgrond . Als er voldoende ruimte is wordt het gebruik van 1 of meerdere over de grond gespannen reflector draden gebruit welke een een lengte hebben van iets meer dan een 1/4 golflengte 
De keuze van de frequentie hangt af van de tijd , overdag is er altijd een hoge demping deer de D laag op lagere frequenties 
van ongeveer 7 uur s'morgens tot 7 uur sávonds  is de 48 mtr band een juiste keuze voor NVIS verbindingen , in de uren tussen 7 uur s'avonds en 7 uur s'morgens zal de 76 mtr band het beste geschikt zijn , in de late avond en nachtelijke uren zo  na 11 uur sávonds  kun je ook op de 180 mtr band vaak nog in de NVIS mode werken speciaal in de wintermaanden . Beneden de 1400 Kc is de reflectie meestal te laag om nog van de NVIS mode te profiteren 
Voor een betrouwbare verbinding is het natuurlijk noodzakelijk dat beide stations in dezelfde mode werken , indien een van de beide stations b.v. een vertikale of lage skip antenne gebruiken zal er door de wisselwerken tussen de verschillende golven  meetsal erg veel fading ontstaan en een goede verbinding meestal onmogelijk worden.
Bij kontakt van een mobiel station naar een NVIS post kan het mobile station het beste d.m.v. een touw of nylon lijn de antenne zoveel mogelijk horizontaal trekken of een speciale NVIS antenne gebruiken , meestal een horizontale straler welke laag over het dak van het voertuig is geplaatst.

 "Stealth" Antenne's 

Ook Magnetic Loop antennes zijn zeer geschikt voor de NVIS mode , een normale MagLoop met de condensator aan de bovenkant heeft een opstralings hoek van ongeveer 60 graden , door deze antenne 30 graden te kantelen verkrijg je aan 1 zijde een opstraling van 90 graden omhoog 
Door een aangepaste Loop te gebruiken met een reflector ondergrond kan dit effect nog worden versterkt en de lage afstraling praktisch geheel worden opgeheven , zoals het geval is bij de militaire Racal Loop Voor de 48 mtr band is bij verkorte antennes vaak een antenne hoogte van 1,5 - 2 mtr al voldoende waardoor het vrij gemakkelijk wordt de antenne geheel "onzichtbaar"te plaatsen , je kunt dan denken aan plaatsing in een heg , tegen een ( houten) schutting , of zelfs in een begroeide pergola
Voor de 76 mtr band is ook een MagLoop zeeer geschikt en gemakkelijk onzichtbaar te plaatsen op de grond of zelfs binnen in een houten schuur , maar ook horizontaal geplaatste spoelantennes zijn goed bruikbaar , waarbij je er aan zou kunnen denken om er twee te gebruiken en op die manier een lage verkorte dipool antenne te construeren.