Na egzaminie SRC zasięg łączności VHF pojawia się w dwóch postaciach. Raz trzeba wskazać, od czego ten zasięg zależy, a raz policzyć go na podstawie wysokości masztu z anteną. Oba typy pytań opierają się na jednej obserwacji: fala VHF biegnie w przybliżeniu po linii prostej, więc dalej "widzi" ta antena, która jest umieszczona wyżej. Ten materiał rozwija zapowiedź z Fale radiowe - wprowadzenie i pokazuje, jak z wysokości anteny szybko oszacować zasięg w kilometrach.

Zasięg a wysokość

Morski radiotelefon VHF pracuje w zakresie 156 ÷ 174 MHz, opisanym w materiale Pasmo VHF i morski zakres częstotliwości. Fale o tak wysokiej częstotliwości zachowują się podobnie do światła. Rozchodzą się jako fala przestrzenna, w przybliżeniu po linii prostej, i nie uginają się wyraźnie wzdłuż krzywizny Ziemi. Taki sposób rozchodzenia się nazywa się propagacją quasi-optyczną, a w literaturze anglojęzycznej łącznością line of sight, czyli w linii widoczności.

Horyzont radiowy

Skoro fala biegnie prosto, a powierzchnia morza jest zakrzywiona, każda antena ma swój horyzont radiowy, czyli granicę, poza którą fala z tej anteny przestaje docierać do powierzchni Ziemi. Działa to tak samo jak z obserwatorem na statku: z pokładu widać mniej niż z bocianiego gniazda na szczycie masztu. Im wyżej znajduje się antena, tym dalej leży jej horyzont radiowy i tym większy jest zasięg łączności.

Łączność między dwiema stacjami jest możliwa wtedy, gdy ich anteny "widzą się" nawzajem ponad krzywizną Ziemi. Liczy się więc nie tylko antena nadajnika, ale także antena odbiornika. Dlatego stacja brzegowa z anteną zawieszoną wysoko na wzniesieniu nawiąże łączność z jachtem ze znacznie większej odległości niż dwa małe jachty między sobą, bo ich anteny znajdują się nisko nad wodą.

Stąd odpowiedź na pytanie egzaminacyjne o czynniki wpływające na zasięg łączności na falach VHF: zasięg zależy od wysokości anteny nadawczej i odbiorczej. To dzięki tej geometrii typowy zasięg łączności VHF na morzu wynosi kilkadziesiąt kilometrów, czyli rzędu 20-25 mil morskich, i na takim zasięgu opiera się Obszar A1 w systemie GMDSS.

Pora doby

Pora doby ma ogromne znaczenie dla fal krótkich HF, które odbijają się od jonosfery. Stan jonosfery zmienia się między dniem a nocą, dlatego radiooperator pracujący na HF dobiera częstotliwość do pory doby, co opisuje materiał Radiotelefon MF/HF.

Fale VHF nie korzystają z odbić od jonosfery. Przechodzą przez nią, zamiast wracać na Ziemię, więc zmiany jonosfery w ciągu doby nie przesuwają granicy ich zasięgu. Dlatego odpowiedź "od pory doby" jest błędna: to czynnik ważny dla HF, a nie dla VHF.

Szerokość geograficzna

Odpowiedź "od szerokości geograficznej" również jest błędna. Fala VHF rozchodzi się w linii widoczności tak samo na Bałtyku, na Morzu Śródziemnym i w pobliżu równika. Położenie statku na kuli ziemskiej nie zmienia geometrii horyzontu radiowego. Zmienia ją tylko to, jak wysoko nad poziomem morza zawieszono anteny.

Moc nadajnika

W pytaniu egzaminacyjnym moc nie występuje jako odpowiedź, ale warto rozumieć jej rolę. Większa moc sprawia, że sygnał jest silniejszy i trudniej go zagłuszyć, jednak nie przesuwa horyzontu radiowego, bo ten wynika wyłącznie z geometrii. Jeśli anteny są za nisko, żeby się "widzieć", podniesienie mocy nie pomoże. O doborze mocy w radiotelefonie mówi materiał Moc nadawcza radiotelefonu VHF.

Antena nadawcza

Zależność między wysokością anteny a zasięgiem da się zapisać prostym wzorem. Zasięg horyzontu radiowego anteny w kilometrach szacuje się jako:

d [km] ≈ 4,12 × √h [m]

gdzie h to wysokość anteny nad poziomem morza w metrach, a d to zasięg w kilometrach. Najważniejszy jest tu pierwiastek kwadratowy. Zasięg nie rośnie proporcjonalnie do wysokości: żeby podwoić zasięg, trzeba antenę podnieść nie dwa, ale cztery razy.

Liczenie na egzaminie

Na egzaminie nie trzeba liczyć z dokładnością do setnych części. Wystarczy zaokrąglić współczynnik 4,12 do 4 i zapamiętać skróconą postać:

d [km] ≈ 4 × √h [m]

Wysokości w pytaniach są dobrane tak, żeby pierwiastek dawał liczbę całkowitą, więc rachunek mieści się w głowie. Procedura ma zawsze trzy kroki:

  1. Weź wysokość anteny w metrach.
  2. Policz z niej pierwiastek kwadratowy.
  3. Pomnóż wynik przez 4 i otrzymasz zasięg w kilometrach.

Gdy pytanie podaje tylko wysokość anteny nadajnika i pyta o "zasięg stacji", liczysz horyzont radiowy tej jednej anteny. Odbiornik traktuje się wtedy tak, jakby znajdował się tuż nad powierzchnią wody.

Maszt 100 m

Antena nadajnika znajduje się na maszcie o wysokości 100 metrów:

  • √100 = 10
  • 4 × 10 = 40 km

Dokładniejszy współczynnik 4,12 daje około 41 km, czyli wynik nadal najbliższy wartości 40 km. Dwie pozostałe odpowiedzi z tego pytania wynikają z typowych pomyłek:

  • 10 km to sam pierwiastek z wysokości, bez pomnożenia przez 4. Kto zatrzyma się w połowie rachunku, wybierze tę odpowiedź. Tak mały zasięg miałaby antena zawieszona zaledwie kilka metrów nad wodą.
  • 100 km to przepisanie wysokości masztu jako zasięgu. Zasięg nie jest równy wysokości anteny w żadnych jednostkach. Żeby uzyskać 100 km, antena musiałaby znajdować się na wysokości rzędu 600 metrów, a fala VHF nie "nadrobi" brakującego dystansu odbiciem od jonosfery.

Maszt 64 m

Antena nadajnika znajduje się na maszcie o wysokości 64 metrów:

  • √64 = 8
  • 4 × 8 = 32 km

Ze współczynnikiem 4,12 wychodzi około 33 km, więc z podanych odpowiedzi najlepiej pasuje 32 km. Błędne odpowiedzi znów odpowiadają konkretnym pomyłkom:

  • 16 km to wynik dwa razy za mały. Taki zasięg miałaby antena na wysokości około 16 metrów, czyli czterokrotnie niższa niż w pytaniu. Pojawia się, gdy ktoś podzieli wysokość przez 4 zamiast liczyć pierwiastek.
  • 64 km to znowu przepisanie wysokości masztu jako zasięgu. Do takiego zasięgu potrzebna byłaby antena na wysokości około 250 metrów.

Porównanie obu masztów dobrze pokazuje działanie pierwiastka. Maszt 100 m jest o ponad połowę wyższy od masztu 64 m, ale zasięg rośnie tylko z 32 do 40 km.

Antena odbiorcza

Pełny obraz łączności obejmuje dwie anteny. Fala z anteny nadawczej sięga do jej horyzontu radiowego, a antena odbiorcza, umieszczona wysoko, "widzi" dodatkowy odcinek ponad krzywizną Ziemi aż do własnego horyzontu. Oba odcinki stykają się w punkcie, w którym promień przechodzi tuż nad powierzchnią morza.

Suma horyzontów

Dlatego zasięg łączności między dwiema stacjami to suma horyzontów radiowych obu anten:

d [km] ≈ 4 × (√h₁ + √h₂)

gdzie h₁ to wysokość anteny nadawczej, a h₂ to wysokość anteny odbiorczej, obie w metrach. Najczęstszy błąd polega na zsumowaniu wysokości przed pierwiastkowaniem. Pierwiastek liczy się osobno dla każdej anteny, a dopiero potem dodaje się zasięgi.

Przykład dwóch anten

Antena nadajnika znajduje się na maszcie o wysokości 100 m, a antena odbiornika na wysokości 25 m:

  • horyzont nadajnika: 4 × √100 = 4 × 10 = 40 km,
  • horyzont odbiornika: 4 × √25 = 4 × 5 = 20 km,
  • zasięg odbioru: 40 + 20 = 60 km.

Ze współczynnikiem 4,12 wychodzi około 41 + 21 = 62 km, więc poprawna odpowiedź to około 60 km. Pozostałe warianty nie pasują do tego rachunku:

  • 30 km jest mniejsze nawet od horyzontu samej anteny nadawczej na 100 m, który wynosi 40 km. Dodanie drugiej anteny może zasięg tylko zwiększyć, nigdy zmniejszyć. Ta odpowiedź odpowiada sytuacji, w której wysokości anten byłyby wyraźnie zaniżone.
  • 90 km wyraźnie przekracza sumę obu horyzontów. Taki zasięg wymagałby znacznie wyższego masztu albo nietypowych warunków rozchodzenia się fal, których w podstawowym rachunku zasięgu VHF w linii widoczności się nie zakłada.

Szybka kontrola

Zanim zaznaczysz odpowiedź w pytaniu o dwie anteny, sprawdź dwa warunki. Wynik musi być większy niż zasięg samej anteny nadawczej, bo druga antena dokłada swój horyzont. Wynik nie może też przekraczać sumy obu horyzontów. Z trzech odpowiedzi tylko 60 km mieści się w tych granicach.

Co zapamiętać

  • Fale VHF rozchodzą się w linii widoczności (line of sight), dlatego zasięg łączności VHF zależy od wysokości anteny nadawczej i odbiorczej.
  • Pora doby wpływa na fale HF odbijane od jonosfery, a nie na VHF. Szerokość geograficzna nie zmienia zasięgu VHF.
  • Zasięg jednej anteny: d [km] ≈ 4 × √h [m] (dokładniej 4,12 × √h). Najpierw pierwiastek, potem mnożenie przez 4.
  • Maszt 100 m daje około 40 km, a maszt 64 m około 32 km.
  • Zasięg między dwiema antenami to suma ich horyzontów: 4 × (√h₁ + √h₂). Anteny 100 m i 25 m dają 40 + 20 = 60 km.
  • Typowe pułapki: sam pierwiastek bez mnożenia, przepisanie wysokości masztu jako zasięgu, sumowanie wysokości przed pierwiastkowaniem.
  • Większa moc nie przesuwa horyzontu radiowego. Zasięg VHF zwiększa się, podnosząc antenę.

Slug: zasieg-lacznosci-vhf-a-wysokosc-anteny