Kvarnbergets Historia

Troposfärspridningsforskning vid
Försvarets Forskningsanstalt

Troposfären – atmosfärens nedersta del – har intresserat forskarna ända sedan man började utnyttja mikrovågor för radiokommunikation. Rent teoretiskt sett utbreder sig dessa signaler endast från horisont till horisont. Men ibland händer det att signalerna fortplantar sig via troposfären och når avsevärt bortom horisonten.

Genom att man hittills inte med någon större noggrannhet kunnat förutsäga spridningsmekanismens inverkan på signalerna från fall till fall, har problem med bl a intermodulationsstörningar mellan närliggande sändare uppstått. En aspekt på detta är att man inom försvaret vill ha kontroll över sina utsända radio- och radarsignalers räckvidd för att undvika upptäckt.

På Försvarets Forskningsanstalt, avd 3 (FOA3), har man därför sedan några år intensifierat forskningen på detta område. Här redogörs för några av de resultat man kommit fram till. Man hoppas även lära sig så mycket om troposfären att man skall kunna utnyttja den vid förutbestämda troposfärförbindelser (t ex dataöverföring) samt till att göra meteorologiska observationer med hjälp av mikrovågor.

Under slutet av 1940-talet började man utomlands alltmer observera mycket långa räckvidder vid mikrovågsutbredning, räckvidder som man inte kunde förklara med diffraktion e]ler ledskiktsinverkan. Tillgången på högeffektsändare och känsliga mottagare under och efter andra världskriget satte fart på en utveckling som lett till en intensiv forskning om troposfärspridning.

Det är det begrepp vi kommit att använda för denna form av utbredning av signaler långt bortom horisonten och klarläggandet av de mekanismer som sammanhänger med den. Men, som vi snart skall se, de fenomen som uppträder kan inte förklaras enbart med spridning.

Teoretiska studier och experimentella undersökningar togs upp i begränsad omfattning vid FOA 3 under 1952. Under de första åren utfördes – trots blygsam utrustning – ett ganska unikt experiment vid 3 000 MHz. Med hjälp av en modifierad radarsändare överfördes fjärrskriftmeddelanden via en 200 km länk. Men det var först 1956 som kontinuerliga mätningar påbörjades vid 3 000 MHz över en fast länk mellan Stockholm och Mora.

En undersökning av mikrovågors utbredning bortom horisonten var motiverad och önskvärd från såväl civil som militär synpunkt. Man var intresserad av möjligheterna till kommunikationstillämpningar. Signalspanings- och störningsfrågor spelade också stor roll.

Men experimentell forskning inom troposfärspridningsområdet kräver mycket avancerad utrustning: sändare med hög uteffakt och stor frekvensstabilitet, stora antenner (hög direktivitet) och bredbandig mottagare med mycket låg brusfaktor. Ett samarbetsavtal, som träffades mellan Televerket och FOA 1958, medförde att en länk vid 1000 MHz upprättades 1960 över samma sträcka. Därigenom fick vi möjlighet att studera våglängdsberoendet.

Fig 1 visar profilen för mätsträckan och några i sammanhanget viktiga geometriska storheter. Antennerna för de två frekvenserna, 1 000 och 3 000 MHz, är skalenliga, dvs de har samma lobbredd, 2,8°, och loberna upptar således samma gemensamma volym. Denna volyms lägsta punkt ligger på 1200 m höjd och dess högsta punkt på 6 800 m. Det är troposfärens inhomogena sammansättning inom den volymen som möjliggör att vi kan ta emot signaler långt bortom horisonten.

Bilden i fig 2 är från mottagarstationen i Mora. Antennerna har 37,5 dB antennvinst vid de två mätfrekvenserna. Diametern för den stora antennen är 10 m och för de mindre 3 m. För studium av den mottagna signalens fördelning i rummet är de mindre antennerna flyttbara vertikalt såväl som horisontellt. Det finns också en mottagarstation i Sårna på avståndet 355 km. Den används för undersökning av bl a avståndsberoendet.

Utrustningen vid sändarstationen på Kvarnberget i Vallentuna består av en 1 000 MHz-sändare med 800 W kontinuerlig uteffekt till antennen och en 3 000 MHz-sändare med 500 kW pulseffekt samt en 10 och en 3 m parabolantenn. Den större antennen är dessutom försedd med en primärstrålare, som är så konstruerad att den kan användas vid både 1 000 och 3 000 MHz.

Spridning och reflextion orsak till troposfärutbredning bortom horisonten

Till en början koncentrerades forskningen på ett studium av för signalen karakteristiska egenskaper, som kunde tjäna som underlag för beräkning av systemprestanda. Signalnivåns årstids- och dygnsberoende och fädningsförhållanden undersöktes vid de två frekvenserna. Signalen kan sägas vara karakteriserad av en relativt långsamt varierande korttidsmedian (1/2-timmes medianvärden), överlagrad med snabba fluktuationer. Högsta signalnivån erhåller man under sommaren och lägsta under vintern. Något utpräglat dygnsberoende har däremot inte konstaterats. Årsmedianvärdet ligger ca 83 dB under fältstyrkan i fritt rum. Korttidsmedianerna är i stort logaritmiskt normalfördelade med en medelavvikelse av ca 6 dB. Den snabba fädningen är ofta av Rayleightyp. Fädningsomfånget Uppgår till l0 à 15 dB, och medelfrekvensen är någon Hz.

Avståndsberoendet är kopplat till brytningsindexfältet inom den gemensamma volymen och varierar något under året. Mätningarna visar att den mottagna effekten avtar med avståndets 6:e till 8:e potens.

Halvtimmesmedianvärdena av den mottagna effekten har använts vid bestämningen av våglängdsberoendet för troposfärspridningssignalen. Antag att den mottagna effekten i förhållande till motsvarande effekt i fritt rum = A. Om vi betraktar troposfären som ett isotropt och homogent turbulent medium, dvs en situation under vilken vi skulle få ren spridningsutbredning, ger teorin

A ~ lambda*q, där q=l/3.

I fig 3 visas q som funktion av signalnivån vid 1000 MHz. (I fortsättningen hänför sig A1, till 1 000 MHz och A3 till 3 000 MHz.) Som synes ökar q med ökande signalnivå. Korrelationskoefficienten är 0,76.

Med utgångspunkt i denna korrelation och året-runtmätningar av signalnivån har våglängdsberoendets årsvariation uppskattats (se fig 4). Angivna punkter hänför sig till direkta mätningar av våglängdsberoendet. Under vinterperioden är medianvärdet för q av storleksordningen -1/3, dvs vad vi kan vänta oss från spridningsteorin. Men framför allt under sommaren är värdet på q betydligt större. Vi drar därför den slutsatsen, att även andra utbredningsmekanismer än spridning bestämmer fältet, och resultatet indikerar att vi har olika utbredningsformer under olika tider på året.

Reflexion ger stabilare signal Vanligare vid »lägre» frekvens

Vår utbredningsmodell måste förbättras. Om vi antar att troposfären inom den gemensamma volymen är uppbyggd av ett stort antal små, huvudsakligen horisontella fasetter, som ger upphov till reflexion, ken man teoretiskt visa att q ligger mellan 2 och 4.

När vi avsätter 10 log A1 som funktion av 10 log A3 får vi en punktmassa som i fig 5. Vi ser att signalvariationerna är större vid 1000 MHz än vid 3 000 MHz. Men både vid låga och höga signaler her vi en tenders till 45°-lutning för den till punktmassan anpassade heldragna linjen, därför att samma utbredningsmekanism dominerarr vid de två frekvenserna: vid låg signalnivå – spridning, vid hög signalnivå – reflexion. (Den heldragna linjen i fig 5 är inte en regressionslinje i vanlig bemärkelse, utan den är beräknad med hjälp av en meteorologisk modell.) I mellanområdet dominerar reflexionsmekanismen vid 1000 MHz och spridningsmekanismen vid 3 000 MHz, vilket ger större lutning än 45° för den heldragna linjen.

Vi har funnit att en modell, som är grundad på en kombination av turbulent spridning och reflexion, ger en i de flesta fall god bild av gjorda iakttagelser. En sådan atmosfärmodell är riktig ur meteorologisk synvinkel. Strukturen hos luftens brytningsindex inom den gemensamma volymen bestämmer den mottagna signalens storlek och variationer. Brytningsindex kan uttryckas som en funktion av de alltid varierande meteorologiska storheterna tryck, temperatur och fuktighet.

Mediet inom volymen förändras och förnyas genom vindens medverkan. Det är flera samtidigt förekommande meteorologiska processer som samverkar och besttämmer utbredningen. Fig 6 ger en starkt förenklad bild av utbredningsmekanismerna.

Vid spridning är den mottagna signalen sammansatt av en mängd små bidrag från slumpmässigt fördelade turbulenselement inom den gemensamma volymen. Genom att turbulenselementen rör sig med vinden varierar utbredningssträckan, och fasläget mellan de olika bidragen ändras ständigt. Det ger upphov till fädning, som är en begränsande faktor vid troposfärspridningsförbindelser. Möjligheterna att reducera fädningseffekten och på så sätt öka tillförlitligheten genom användning av olika former av diversitetsarrangemang studeras därför.

Diversitetsarrangemang möjliggör säkrare troposfärkommunakation

Studerar man signalerna från samma sändare i två punkter (antenner) i rummet, finner man att signalerna varierar mer eller mindre beroende av varandra. Om avståndet mellan punkterna är mycket litet är det ömsesidiga sambandet starkt. Man säger att signalerna är korrelerade till varandra. Vid ökande avstånd avtar beroendet. Som mått på graden av samband använder man korrelationskoefficienten. När det råder ett fullständigt beroende mellan två variabler, är korrelationkoefficienten +1 eller -1 – det senare vid motvariation. Om variablerna är helt oberoende av varandra är koefficienten 0. Med korrelationsavståndet brukar man mena det avstånd vid vilket korrelationskoefficienten gått ned till ett bestämt värde, vanligen e-1 där e är basen för det naturliga logaritmsystemet.

Vid diversitet utnyttjar man det förhållandet att två eller eventuellt flera signaler vid en viss separation i väg, frekvens eller tid (korrelationsavståndet) varierar i det närmaste oberoende av varandra. Det vanligaste är rumsdiversitet, där man använder den för tillfället starkaste signalen från två i rummet åtskilda mottagarantenner. De mindre, flyttbara antennerna i fig 2 används bl a för sådana undersökningar. Vid frekvensdiversitet sänder man ut två något skilda frekvenser, som man tar emot med samma mottagarantenn.

Reflexion är vanligare vid 1000 MHz än vid 3 000 MHz och förekommer huvudsakligen under sommarhalvåret. Vid reflexion i ett skikt eller i ett litet anta fasetter får vi en högre, stabilare signal och i regel väsentligt större korrelationsavstånd än vid spridning. Under vissa atmosfärbetingelsr har det emellertid visat sig att man erhållit nästan helt okorrelerade signaler för en så liten frekvensseparation som 1 MHz vid mätningar på 1 000 MHz. Dessa förhållanden är f n föremål för studium, och det synes som om fenomenet kan förklaras genom reflexioner från ett stort antal i rummet spridda reflekterande fasetter.

Egenskaperna hos spridningsutbredningen sätter också en gräns för den vinst man får vid användning av stora antenner (antennvinster > 20 a 30 dB). Man får en s k antennkopplingsförlust. Den mottagna signalen sammansätter sig av bidrag från hela den gemensamma volymen. Men när antennvinsten ökar och loberna därmed blir smalare minskar den gemensamma volymen (se fig 7).

Problemet är emellertid mycket komplicerat, och någon sammanfattande teori som kan förklara resultat från olika mätningar finns inte ännu.

Man kan också se kopplingsförlusten som ett uttryck för att antennens apertur (=riktantennens geometriska öppningsyta) inte sammanfaller med den ojämna fasfronten hos den infallande strålningen. Om man hade en antenn med förmåga att anpassa sig till ekvifasytans form, skulle man inte få någon kopplingsförlust. Därmed är vi inne på en mer avancerad systemteknik, som kan bli verklighet med hjälp av gruppantenner, dvs antennsystem uppbyggda med elektriskt styrbara komponenter och där strålningsegenskaperna mycket snabbt kan varieras (fig 8).

Meteorologiskt instrument som kommer: Mikrovågorna

Vi har sagt att utbredningsförhållandena är starkt knutna till meteorologiska fenomenen. Luftens tryck, temperatur och fuktighet liksom vindfältet uppvisar både storskaliga variationer och därpå överlagrade småskaliga fluktuationer. De första mätningarna av årstidsberoendet m m kartlade de storskaliga variationerna (makrostrukturen) hos brytningsindexfältet inom den gemensamma volymen.

Men kvalitén på en spridningsförbindelse bestäms av de småskaliga variationerna (mikrostrukturen), där det för vissa systemtillämpningar är fråga om betydelsefulla ändringar i brytningsindexstrukturen över delar av meter. Det visar sig, att dessa förhållanden blir gränssättande för överföring av information; bilder och meddelanden kan t ex förvrängas och intermodulationsbrus uppstår i mångkanalsystem. Med tanke på det ökade behovet av nya kanaler och metoder för informationsöverföring är det därför viktigt att i detalj undersöka förutsättningarna för olika former av dataöverföring via troposfärspridning.

Vårt grundforskningsproblem är att söka finna en modell som helt förklarar det fysikaliska skeendet vid denna typ av utbredning. Därför behöver vi ingående studera sambandet vågutbredning – brytningsindexfältets mikrostruktur – meteorologiska processer. Konventionella meteorologiska instrument och mätmetoder ger inte tillräcklig upplösning varken i tid eller rum för sådana studier. Vi använder i stället ett nytt instrument, refraktometern, med vars hjälp vi direkt mäter luftens brytningsindex från flygplan.

Omvänt finner man att en spridningsförbindelse kan utnyttjas för sondering av troposfären, dvs man använder radiovågorna som meteorologiska mätverktyg. Genom att variera sändar- och mottagarantennens elevationsvinklar kan man inom vissa gränser flytta den gemensamma volymen i både höjdled och längs sträckan. På så sätt kan man sondera atmosfären inom mycket stora volymer med detta nya meteorologiska observationsmedel.

Litteratur:

Carlson, G: Resultat från vågutbredningsmätningar på troposfärspridningslänkar. FOA 3 rapport A 553, 1964.

Eklund, F, Wickerts S: Wavelength Dependence of Microwave Propagation Far Beyond the Radio Horizon. Radio Science, vol 3, nr 11, nov 1968.

---

Troposfärspridning problem vid UHF-länkars planerande

Problemet med vågutbredning bortom horisonten har aktualiserats här i Sverige av bl a utbyggnaden av ett UHF-nät för TV2. Det har erfarenhetsmassigt visat sig att räckvidder bortom horisonten ibland uppstår vid dessa frekvenser p g a troposfärspridning. Det medför interferens mellan närliggande sändare. Samtidigt kan man naturligtvis inte heller förlagga dessa för långt från varandra, då räckvidden i »normala» fall blir begränsad.

Troposfören är den del av atmosfären som befinner sig narmast jordytan, men konstigt nog så tycks det vara just detta skikt som vi vet minst om nar det gäller dess inverkan på vågutbredning. Jonosfären, som ligger högre upp och främst inverkar på frekvenser under 30 MHz, vet man däremot betydligt mer om.

Det är bekant att spridning och reflexion av höga frekvenser förekommer i troposfären under vissa förutsattningar, betingade av förändringar i temperatur, fuktighet mm. Kunde man lära sig mer om troposfärens inverkan på mikrovågorna skulle nya möjligheter öppna sig med t ex utökade kommunikationsmöjligheter via troposfärspridningslänkar. Men problemet kvarstår i huvudsak – man måste Iyckas med en noggrannare prediktering av signalstyrkan på grund av troposfärspridning.

Avancerad forskning pågår på internationell basis

Mycket pengar läggs ner på att försöka klarlägga utbredningsfenomenn, och forskare i olika länder lägger vid konferenser fram mer eller mindre hållbara teorier om dess karaktär. En intressant experimentell metod har utvecklats av två vetenskapsmän vid Iowa State University i USA:

De menar att man kan kontrollera »atmosfären» i en modell, så att endast spridningselementen finns närvarande, om man gör modellen tillräckligt liten. De arbetar därför med en helium-neonlaser med så kort våglängd, att skalfaktorn överstiger en miljon gånger.

Fig 9 visar en förenklad skiss av deras experiment. Jorden representeras av pyrexskiva med radien 5,5 meter. Med laservåglängden 6328 Ångström motsvarar modellen ett kommunikationssystem arbetande på frekvensen 416 MHz vid jordytan. Spridningsområden framkallar man på konstlad väg genom att låta mycket små glaspärlor falla genom laserstrålen. På en fotografisk film bakom »horisonten» kan man sedan avläsa spridningsmekanismens inverkan.

Metoden kan vara värdefull, men det verkar ännu svårt att relatera försöksbetingelserna till olika atmosfärmodeller.

Ett system som verkar ge en bättre överensstämmelse är det så kallade Rake-systemet. I detta används en sändare som fasskiftsmoduleras med en pseudoslumpmässig pulskod, vilken är känd på mottagarsidan. Därigenom kan man bestämma både dopplerförskjutning och signalfördröjning, vilket medför att man snabbt kan anpassa egenskaperna hos ett kommunikationssystem till existerande utbredningsförhållande.

Ju längre tiden går utan att man helt lär sig förutbestämma spridnings- och reflexionsfenomenen, desto akutare blir interferensproblemet. På grund av trängseln i etern är man hela tiden bunden till att välja allt högre frekvenser när det gäller att tilldela användarna nya frekvensområden. Eftersom dämpningen i regel ökar med ökande frekvens krävs fler sändare för att täcka ett visst område: Med ännu större risk för interferens som resultat.

---

Artikeln publicerades i Radio & Television, nr 11, November, 1969, sid 32-35.