Michael og månen

Dæmpning som følge af forskel i polarisation mellem signal og antenne. Under 20 grd. er dæmpningen meget lille. Kilde www.pa0ply.nl

Hvorfor er det nogle gange helt umuligt at køre EME udenfor Europa? Man kan høre sine egne ekkoer, udstyret fungerer og andre europæiske stationer er hørbare i højttaleren eller synlige på skærmen. Men, ellers er båndet helt dødt. Der kan også være kraftige signaler fra f.eks US, men der er ingen der svarer, til trods at man sender med megawatt ERP mod Månen. Årsagen til problemerne skyldes at signalernes polarisation skifter undervejs til og fra Månen. Ifald 2 modstationer ikke ser samme polarisation vil signalerne i større eller mindre grad være i modfase og der vil ske en dæmpning af signalet. Er forskellen i polarisation under 27 grader. er dæmpningen mindre end 1 dB, ved 45 grader når den 3 dB, og er ændringen større, begynder det at gå stærkt.

F.eks en vertikal antenne og en horisontalt polariseret radiobølge kan næsten fuldstændig udligne hinanden. For almindelige signaler indenfor troposfæren er dæmpningen i praksis ca. 20 dB mellem vertikal og horisontal polarisation, men den kan være endnu højere når signalerne skal ud i rummet og tilbage igen. Enhver som bare har eksperimenteret lidt med EME ved, at fald i signalstyrkern på 5-10 dB nærmest umuliggør forbindelser med andre end de allerstørste stationer. Kommer man over 10 dB er båndet i praksis lukket.
Men hvad er det som ændrer signalernes polarisation ved EME? Svarene skal findes i at jorden er rund og i de banebrydende studier af magnetisme som Michal Faraday udførte omkring 1850.

Ændringen i geometrisk polarisation over tid mellem 2 stationer 90 breddegrader fra hinanden. Kilde www.pa0ply.nl

Jorden er rund
Den ene del af polarisationsændringen skyldes at Jorden har form som en sfære, på dansk en fodbold, hvorfor polarisationen vil ændres rent geometrisk. Forestiller man sig at et signal sendes op mod månen når den står i zenith, på dansk stik syd, så vil en modtagerantenne med samme polarisation men 6 tidszoner væk være drejet 90 grader. Men månen står ikke stille og den geometriske polarisationsdrejning mellem 2 stationer 6 tidszoner fra hinanden kan variere fra ganske lidt til 90 grader. I en lidt anden kontekst er EME endnu et bevis for at jorden ikke er flad :).

Det er relativt ligetil at forudsige den geometriske polarisationsændring. Effekten er størst mellem stationer som er 90 breddegrader væk fra hinanden og i teorien 0 for stationer som er tæt på hinandens breddegrad. Det er årsagen til at der mellem f.eks Europæiske stationer oplever langt mere stabile signaler.

Michael Faraday
En af historiens allerstørste naturvidenskabsmænd er Michael Faraday. Han blev født i 1791 i England, og voksede op i små kår. Hans store talent for videnskab vågnede da han kom i lære som bogbinder og fik adgang til bøgernes viden. Han var en blændende eksperimentel fysiker og kemiker. Matematik lærte han aldrig mere end til husbehov, men han havde en fantastisk intuition som drev hans arbejde. Faradays  store interesse var magnetisme og hvordan de forskellige naturkræfter påvirkede hinanden. Hans opdagelser var mange, og idag havde han fået 3-4 Nobelpriser ene mand. En af hans store opdagelser kendt som Faraday effekten var at polariseret lys ændrede polarisation når det blev udsat for et magnetisk felt, Faraday rotation. Og det er netop denne som påvirker polarisationen af radiosignalerne ved EME.

Den magnetiske og elektriske feltvektors udbredelse i rummet. De vil altid være 90 grd. forskudt.

Radiobølger vibrerer i et elektrisk og magnetisk plan som er vinkelret på hinanden. Påfører man et magnetisk felt på radiobølger i et vacuum sker der ingen ting, men passerer radiobølgerne gennem et andet medie f.eks atmosfærens gasser ændres udbredelseshastigheden af det magnetiske plan. Og da det magnetiske plan og elektriske plan hænger sammen som var det et gyroskop, så ændres fasen og dermed polarisationen. Da Jorden har et magnetfelt vil radiobølger til og fra jorden blive påvirket af Faraday effekten, mest der hvor magnetfeltet er kraftigst, oppe i ionosfæren. Faraday arbejdede med polariseret lys der som radiobølger også er elektromagnetiske blot med en langt højere frekvens. Polarisationsændringen følger retningen på jordens magnetiske felt, og hvis den samme radiobølge passerer flere gange igennem ionosfæren øges ændringen hver gang.

Michael Faraday

Faraday effekten er meget svær at forudsige. Men den afhænger af frekvensen, jo lavere frekvens jo hurtigere og kraftigere er den. Ionosfæren er ikke stabil. Til tider kan der være kraftig Faraday effekt og til andre tider næsten ingen. Det er typisk derfor, at EME signalerne bliver svagere ved kraftig aurora, når magnetfeltet presses sammen af solvinden. Faraday effekten skifter relativt hurtigt på 144 MHz, men på 432 MHz kan den være konstant over mange timer.

Faradays arbejder var med til at bane vejen for Maxwells teori for elektromagnetisme. og senere Einsteins relativtiteteteorier. Også lysets afbøjning at et tyngdefelt var blandt de ting Faraday omhyggeligt undersøgte blandt sine utallige eksperimenter. Det mislykkedes dog for ham. I modsætning til kraftige elektromagneter havde han kun jordens tyngdefelt at arbejde med, og han så derfor ingen effekt af tyngdekraften på lyset. Senere skulle det vise sig at man skulle bruge solens masse til at påvise afbøjningen af lyset i et tyngdefelt. Men Faraday havde tænkt rigtigt, allerede dengang

Den kombinerede effekt af geometrisk og Faraday rotation på EME signalet mellem to stationer. Hvid baggrund = Ingen faseforskel stationerne hører hinanden. Grå baggrund, nogen faseforskel dæmpede signaler. Sort baggrund = 90 grader faseforskel, stor dæmpning ingen signaler. Kilde www.pa0ply.nl

Kombi effekten
Hvad sker der når de to fænomener geometrisk polarisationsændring og Faraday rotation optræder på samme tid? Det kan både betyde perfekte forhold, båndet kan være helt dødt eller at der er kun envejskommunikation.
Ved perfekte forhold er der enten ingen polarisationsændring eller også udligner de to effekter hinanden og der vil være 0 grader i forskel. Det kan også være lige modsat og der er 90 graders forskel og dermed maksimal dæmpning, hvorfor ingen af stationerne kan høre hinanden. Men ved f.eks 45 grader ændring for både geometrisk og Faraday rotation, så vil signalerne for den ene station være i perfekt fase, mens de vil være i modfase for modstationen. I det tilfælde oplever man envejskommunikation, typisk til stor frustration.

NC1I 432 MHz roterbart antennesystem

Hvad kan man gøre ved det?
Problemet kan løses rent teknisk ved enten at køre cirkulær polarisation eller at kunne variere sin polarisation. På 144 og 432 MHz med yagiantenner er det upraktisk at køre cirkulært. Der er rigtig gode X/Y yagi designs på 144 MHz som har vist enig særdeles gode resultater, ligesom man kan købe specielt designede modtagere som kan både udligne og udnytte effekten. Det kniber dog endnu med gode X/Y magi designs på 432 MHz. Nogle stationer som NC1I har bygget deres 432 MHz antenne så hele antenne kan drejes i X-planet. Det fungerer dog i praksis kun på 432 MHz hvor Faraday rotationen er langsom, på 144 MHz går det for hurtigt til at ma kan følge med. En tredje løsning er ifølge en af de store stationer på 432 MHz EME DL9KR -tålmodighed. Polarisationen skal nok skifte så forbindelsen kan lykkes, men det kan tage timer. Skynd dig langsomt, så skal sol, måne og stjerner nok stå rigtigt.

Referencer
http://www.pa0ply.nl/articles/One-way-cdx-70cm.pdf -baggrundsartikel med yderligere info

http://www.physics.rutgers.edu/~eandrei/389/faraday.pdf -grundlæggende beskrivelse af Faraday rotation, se appendix 1, bemærk at frekvensen står i nævneren for de grundliggende ligninger.

http://www.pa0ply.nl/articles/432MHz-Polarisation.pdf -PA0PLYs præsentation af praktiske forsøg med polarisation på 432 MHz EME

Forbes N. Faraday, Maxwell, and the Electromagnetic Field: How Two Men Revolutionized Physics. ISBN-13: 978-1616149420 -rigtig god bog om Faraday og Maxwell som både er populær og går noget i dybden med teorien.

Print Friendly, PDF & Email

Hits: 144


Comments

Michael og månen — 1 Comment

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

*

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.