home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ World of Ham Radio 1997 / WOHR97_AmSoft_(1997-02-01).iso / swl / docs / propa.doc < prev    next >
Text File  |  1997-02-01  |  16KB  |  298 lines

  1. RADIO PROPAGATION.
  2.     How does that radio wave travel half-way around the
  3. world to your antenna?  How come I can hear radio stations
  4. farther away at night?  Why is it that I can hear AM radio
  5. stations hundreds of miles away, while FM stations fifty
  6. miles away are inaudible?  These are some of the first
  7. questions asked by my students in my Propagation Block at
  8. the school I teach at.  In this file I'll be attempting to
  9. give you a simple primer on Radio Propagation which you can
  10. use to make better decisions on when and where to listen to
  11. enhance your listening skills.  If you are worried about
  12. your lack of knowledge, put your mind at ease.  I'll be
  13. covering working knowledge, not esoteric theory.  With that
  14. said, lets get started.
  15.     What is a Radio wave?  Simply put, it is a combination
  16. of electric and Magnetic fields that were originally
  17. generated at the transmitting antenna by passing current
  18. through a conductor.  These fields are at right angles to
  19. each other, an effect caused by a simple law of electricity,
  20. known to electronic technicians around the world as the
  21. 'Left-Hand Rule'.  When looking at a Dipole antenna, the
  22. Electric field is parallel to the plane of the conductor,
  23. while the Magnetic field is at right angles to the
  24. conductor.
  25.                             ^
  26.        -> -> -> -> -> -> -> ^ -> -> -> electric field.
  27.        ---------------------^------------------  Wire
  28.                             ^
  29.                             ^
  30.                             ^
  31.                      Magnetic Field
  32.  
  33.     So Radio waves, like Light, has polarity.  For best
  34. reception one must arrange the receiving antenna's wire to
  35. be in the same plane as the transmitting antenna.  By doing
  36. this you arrange for the magnetic field to induce maximum
  37. current in the antenna wire.
  38.     How important is 'Polarity'?  For Ground waves, a
  39. receiving antenna that is at right angles to the
  40. transmitting antenna will suffer a 6dB power loss, a
  41. difference that is definitely audible.
  42.     Now that the radio wave has left the transmitters
  43. antenna, it will travel through space until it is completely
  44. absorbed or attenuated to nothingness by distance.
  45.  
  46.     Radio waves act differently depending on a combination
  47. of frequency and the media it is passing through.  Since
  48. those waves we will be interested in generally travel
  49. through the atmosphere, we will break down the propagation
  50. effects into frequency bands.
  51.  
  52.     VLF;  Very Low Frequency is that band of frequency's
  53. that range from 0 to 150 kHz.  Frequency's this low are
  54. propagated entirely by Groundwave, that is, the radio waves
  55. travel close to the earth.  In fact, frequency's this low
  56. will actually follow the curvature of the earth, completely
  57. circling the globe.
  58.     Two properties stand out at these frequency's which
  59. make them uniquely useful.  First, since they follow the
  60. curvature of the earth without being reflected from
  61. anything, there is only a single path the radio waves can
  62. take from the transmitter to the receiver.  The distance of
  63. this path is easily calculated, being the Great Circle
  64. distance from the transmitter to the receiver.  By measuring
  65. the time difference between the transmission of a radio
  66. pulse and its reception, or the time difference between the
  67. reception of pulses from three different VLF transmitters
  68. whose exact location is known, you can determine the
  69. distance that your receiver is from the transmitters, and by
  70. drawing arcs at those distances from the transmitters, find
  71. your location.  This is the basis of the LORAN C 
  72. Radionavigation system, one of the three prominent services
  73. in this band.
  74.     The second prominent service on this band also rely on
  75. VLF's easily calculated propagation delay.  These are Time
  76. Signal/Frequency Standard Stations, which allow the highly
  77. accurate setting and calibration of Atomic Clocks and
  78. Frequency Standards in remote locations.
  79.     The third major service relays on the second major
  80. property of VLF frequency's.  Unlike all higher radio
  81. frequency's, VLF signals penetrate the earth and water to
  82. substantial distances.  This makes these frequency's
  83. uniquely useful to the military by allowing them to be able
  84. to communicate to submarines as deep as four hundred feet
  85. beneath the waves.  The U.S. Navy has several transmitters
  86. between the frequency's 17.8 and 26.1 kHz.
  87.  
  88.     LF; Low Frequency is that band running from 150 kHz to
  89. 500 kHz.  Like VLF, signals at this frequency propagate
  90. mainly by ground-wave.  However, they do not follow the
  91. curvature of the earth as far, only about a thousand miles
  92. or so.  Prior to 1930 this band was packed with radio
  93. services, such as Ship-to-Ship and Ship-to-Shore stations,
  94. as well as International Broadcasters.  At the time it was a
  95. well known fact that the farther you wanted to transmit, the
  96. lower your radio frequency had to be.  Until a fellow named
  97. Heaviside found a Joker in the Propagation deck.  Now it is
  98. mainly a dead band, with only the scattered remains of its
  99. former glory evident in a few endangered Marine and
  100. Aeronautical Radio Direction-finding beacons and a couple of
  101. die-hard European Broadcasters.
  102.  
  103.     MF; The Medium wave band is the most familiar to
  104. laymen.  It spans the range of 500 kHz to 3000 kHz.  The
  105. lower half, 500 kHz to 1600 kHz, contains the AM Broadcast
  106. band, while the upper half is used by the Tropical Broadcast
  107. Band, the old LORAN A radionavigation system, and Ship
  108. communications.  Propagation is mainly limited to
  109. ground-waves with a range of a hundred miles or so, with
  110. some highly attenuated single-hop skywave propagation at
  111. night adding about 600 more miles of range (a subject we
  112. will get into deeper in the Shortwave frequency range).
  113.     The AM Broadcast band is used worldwide for domestic
  114. broadcasting, except in the Tropics, where atmospheric
  115. effects and high noise make it useless.  In the Tropics two
  116. higher bands are used, 2300-2495 kHz and 3200-3400 kHz,
  117. giving these two bands their nickname of the Tropical Bands.
  118.  
  119.     HF; The Shortwave or High Frequency Band spans the
  120. range of 3000 kHz to 30,000 kHz.  Prior to 1930 frequency's
  121. above 3 MHz (3,000 kHz) were thought to be totally useless
  122. for long-range radio communication.  Propagation was limited
  123. to just slightly greater than line-of-sight, less than 100
  124. miles.  Then in 1926 Radio Amateurs discovered that there
  125. was a Joker in the deck.  Banished to these useless
  126. frequency's, they discovered that they were suddenly able to
  127. do something that had eluded them on the lower frequencies. 
  128. They could cross the Atlantic!  Unfortunately, secrets that
  129. good are hard to keep, and before long it was general
  130. knowledge that there was some kind of radio mirror in the
  131. heavens that reflected these short waves back to earth
  132. several thousand miles away.
  133.     The mirror was the Ionosphere, or the Ozone layer that
  134. has been so prominent in the news lately.  This effect
  135. introduced a new propagation mode, called Sky-wave
  136. Propagation.  As the Sun hits the Earths atmosphere, the
  137. Ultraviolet radiation strips the oxygen atoms apart in the
  138. upper atmosphere.  This forms an ionized layer in the upper
  139. atmosphere.  To frequency's below a certain frequency, the
  140. LUF (Lowest Usable Frequency, a frequency which changes from
  141. hour to hour, day to day), radio signals penetrating the
  142. Ionosphere are mainly absorbed, the lower the frequency, the
  143. greater the absorption.  The little power that is left is
  144. either refracted back to earth, or into space (which
  145. explains why Medium wave frequencies, which are nearly
  146. always below the LUF manage to get reflected back to earth
  147. at night, although greatly attenuated.).  As the radio waves
  148. frequency increases, the attenuation is reduced, but the
  149. Ionosphere progressively looses its ability to refract the
  150. signal back to earth.  Finely a point is reached where there
  151. is not enough signal refracted back to earth to be
  152. considered useful.  The frequency at which this occurs is
  153. called the Maximum Usable Frequency, or MUF.  At this point
  154. most of the signal exits the other side of the Ionosphere
  155. and continues out to space.  Between these two frequency's
  156. radio signals are refracted back to earth hundreds to
  157. thousands of miles from the transmitter with little
  158. attenuation.  Often a radio signal may 'bounce' from the
  159. Ionosphere to earth and back to the Ionosphere to be
  160. refracted back to earth again.  Sometimes a radio signal may
  161. 'bounce' up to six times before being attenuated into
  162. uselessness.  This effect is what makes Shortwave
  163. frequencies so effective for worldwide communications.
  164.     As the Ionosphere plays such an important part in our
  165. hobby, lets delve deeper into its workings.
  166.     The Ionosphere displays two basic forms.  The first is
  167. during the Daytime, when energy is constantly pouring into
  168. the Ionosphere from the Sun.  This energy input causes the
  169. Ionosphere to split into four separate layers, From bottom
  170. to top they are generally referred to as the 'D' layer, the
  171. 'E' layer, the 'F1' layer, and the 'F2' layer.
  172.     The 'D' layer, being only 40 to 60 miles up, is in a
  173. relatively thick section of the atmosphere.  The Ionized
  174. atoms are very volatile as other atoms are always nearby to
  175. recombine with.  Because of this the 'D' layer forms just
  176. after sunrise, reaches its peak density at noon, then
  177. quickly disappears at sunset, when the energy source is
  178. removed.  As far as radio propagation is concerned, the 'D'
  179. layer mainly acts to absorb radio frequencies below 14 MHz,
  180. making the lower frequencies useless during most of the day. 
  181. Also, it never is really thick enough to effectively refract
  182. radio waves at any frequency, so it is just a general pain
  183. in the preamp.
  184.     The `E` layer, about 65 miles up, is much the same as
  185. the 'D' layer.  It also quickly forms after sunrise, peaks
  186. at noon, and quickly disappears at sunset.  Although this
  187. layer can refract radio waves in the range of 14 to 50 MHz,
  188. this is relatively rare, and it generally just absorbs
  189. frequencies below 14 MHz.
  190.     The next layer, the 'F1' layer, is a relatively weak
  191. layer that splits off of the next higher layer, the 'F2'
  192. layer, during the daylight hours.  It is about 100 miles up,
  193. and generally has little effect on radio wave propagation.
  194.     The highest, thickest, and most useful layer is the
  195. 'F2' layer.  It is about 100 to 300 miles high ( its height
  196. varies, depending on the season, latitude, time of day, and
  197. how the Cubs are doing this year.).  At this altitude the
  198. atmosphere is so rarefied that recombination of ionized
  199. atoms occurs quite slowly.  In fact this altitude is quite
  200. popular for spy satellites which need to remain up for only
  201. a week or so.  As the Sun comes up, the ionization level
  202. increases until it reaches a peak about 14:00 local time. 
  203. Since recombination takes place so slowly, the ionization
  204. level doesn't reach a minimum until shortly before sunrise. 
  205. As the level of ionization increases, this layer becomes
  206. capable of refracting higher and higher frequencies,
  207. sometimes as high as 70 MHz.  After sunset, the strength of
  208. this layer begins to decrease, and the frequency it can
  209. successfully refract back to earth goes down.  However, the
  210. lower layers, which only act to attenuate the radio signal,
  211. disappear.  So, on balance, Sky-wave propagation is best in
  212. the early evening.
  213.     Many factors affect the stability and strength of this
  214. `F` layer, and thus its ability to refract back radio waves. 
  215. The most prominent is the local time of day at the point the
  216. radio wave is being refracted at.  As we discussed before,
  217. during the daylight hours the maximum frequency it can
  218. refract back goes up to about 25-50 MHz.  After sunset, it
  219. starts to de-ionize, and the maximum frequency goes down,
  220. reaching a minimum of about 7 MHz just before sunrise.
  221.     Another factor is the stability of the Sun.  Sunspots,
  222. and the resulting outpouring of Solar wind, disturbs the
  223. thickness and stability of the 'F' layer.  This can cause
  224. the 'F' layer to loose its ability to reflect radio waves
  225. from periods ranging from minutes to days.  Magnetic Storms
  226. have the same effects.
  227.     The third and more subtle effect is the so-called Solar
  228. Cycle.  The average MUF increases and decreases on an eleven
  229. year cycle.  During the trough years the MUF may only rarely
  230. exceed 15 MHz.  1986-1987 are good examples.  During peak
  231. years ( to which we are heading now) the MUF may reliably
  232. exceed 50 MHz, going as high as 70 MHz on many days.  There
  233. is also growing evidence of an even longer cycle, about 33
  234. years long, which, if true, means that this coming peak may
  235. equal the amazing peak of the 1950s.
  236.     To sum it up, you can use the following rules to
  237. determine which bands are probably open to 'Skip'.  During
  238. the Daylight hours, listen high, above about 14 MHz.  In
  239. late afternoon, skip frequencies began to decrease from the
  240. east, passing west during the early evening.  So the higher
  241. frequency's from Europe fade out before sunset, while
  242. signals from the Pacific stay high into the early evening. 
  243. As the evening continues, the 25 meter band will fade first,
  244. followed by the 31 meter band.  By midnight, only the 41 and
  245. 49 meter bands will still receive skip.  In the morning,
  246. start listening for Europe on the higher bands, while the
  247. Pacific will remain dead until 11:00 AM or so.
  248.     Seasonal changes also occur, although this is more an
  249. effect of thunderstorms increasing background noise than
  250. anything else.  So the background noise during the Summer
  251. months requires a stronger signal to overcome it than in
  252. Winter.
  253.  
  254.     VHF;  The Very High Frequency Band ranges from 30 MHz
  255. to 300 MHz.  At these high frequencies the Ionosphere can no
  256. longer refract the radio waves back, and there is no
  257. appreciable Ground-wave action.  Propagation is limited to
  258. Line-of-Sight only.  In other words, if you can't 'see'
  259. them, you can't hear them.  This band, along with higher
  260. ones, are populated with local broadcasts, such as TV
  261. stations, FM stations, Aircraft, police, Delivery trucks,
  262. Taxi Services, Railroads, Military, etc..  Range is rarely
  263. more than 50 miles.
  264.     As with all rules there are exceptions which extend the
  265. range of these signals far in excess of normal.  The most
  266. common is the effect called 'Ducting'.  This is where a dry
  267. layer of air is sandwiched between two layers of air with a
  268. higher humidity.  Under these conditions, radio waves get
  269. trapped between them and can travel many hundreds of miles
  270. before exiting.  This effect is quite common along the Gulf
  271. Coast, and along the Atlantic and Pacific Coasts at the
  272. lower latitudes.  When I was a child in Texas, my Father was
  273. the first person in the block to get a TV set, in fact the
  274. first person on the entire Air Force Base.  Although there
  275. was not a TV station within 200 miles, Ducting was so common
  276. that we could watch the TV station in Atlanta Georgia nearly
  277. every day!
  278.     Other esoteric modes are Troposcatter (where very high
  279. power transmitters beam the signal up into the Atmosphere so
  280. that an over-the-horizon receiver can pick up the minute
  281. amount of signal scattered back from the Troposphere
  282. boundary).  and Meteor Scatter (where the signal is
  283. reflected off the ionized trail of entering meteorites).
  284.  
  285.     UHF; Ultrahigh frequencies comprise the range from 300
  286. MHz to 1000 MHz (or 1 GHz).  Propagation at these
  287. frequencies is directly Line-of-Sight, no If's, And's, or
  288. But's about it.  In fact, most communications at these
  289. frequencies are Point-to-Point rather than broadcast in all
  290. directions.  At these frequencies the terrain becomes very
  291. important as even small hills between the transmitter and
  292. receiver can block reception.
  293.  
  294.     This concludes our little lesson on Propagation.  In
  295. the interest of simplicity, I have told a few white lies,
  296. but the scope of this file was to give a layman a general
  297. feel on how radio waves propagate over different
  298. frequencies.  In that I feel that I have succeeded.