Антенна зенитного излучения (АЗИ или NVIS) – это антенна, диаграмма направленности которой близка к сфере, лежащей на поверхности земли. При этом основная мощность излучения направлена в зенит (вверх). Такие антенны часто используют для местного КВ вещания, для служебной КВ-радиосвязи, где необходимо установить радиосвязь в ближней зоне. Антенны могут быть выполнены как в виде простых укороченных вибраторов на крыше автомобиля служебной (или военной) связи, так и в виде сложной конструкции, обеспечивающей какую-либо необходимую поляризацию работы антенны — круговую, линейную.

Стало почти аксиомой, что на коротких волнах (КВ) стремятся проводить как можно более дальние связи, на тысячи километров, поднимая повыше антенны и используя все другие средства, чтобы прижать главный лепесток излучения к горизонту, и получить касательное отражение волн от ионосферы.

В то же время существует насущная необходимость установления связи внутри региона, с ближайшими населенными пунктами, экспедициями, поисковыми и разведывательными партиями и т.д. Местная связь особенно необходима во время стихийных бедствий и других чрезвычайных ситуаций. Телефонная сотовая связь покрывает лишь небольшую часть территории страны, а ее базовые станции, без которых она не может функционировать, выходят из строя при ЧС чуть ли ни первыми. Дальность действия УКВ-радио-станций ограничена дальностью прямой видимости, то есть первыми десятками километров, и еще сильнее нарушается экранирующим действием хребтов в горных районах. Таким образом, диапазон дальностей порядка 40…400 км оказался почти недоступен для современных КВ и УКВ средств связи.

Если говорить упрощенно то, антенна зенитного излучения представляет садовый шланг, когда вы направляете его горизонтально поверхности Земли то поливаете водой отдаленные участки почвы, а ближние остаются сухими, а если вы направите шланг строго в зенит (вверх) – то дальний радиус почвы останется сухим, а ближний обильно увлажненным. То же самое происходит с антеннами NVI, излучение направленное с ее помощью в зенит отражается от ионосферы под малыми углами и плотно накрывает зону 0-500 км.

В последние годы возрос интерес к технике связи, названной NVIS — NearVertical Incidence Skywave propagation. Эта техника предусматривает работу пространственной волной, падающей на ионосферный слой почти вертикально, и отражающейся тоже почти вертикально вниз, создавая значительную напряженность поля на небольших (десятки — сотни километров) расстояниях от передатчика.

Первыми использовали такой тип распространения волн военные, в целях тактической связи на КВ. Не случайно во всех странах диапазон частот 2…8 МГц часто называют «военным». Указанный диапазон также широко используют спасатели, пограничники и береговая гвардия, то есть службы, аналогичные нашей МЧС. Этот вид связи незаменим там, где расстояния не так уж и велики, но дальности действия обычных УКВ радиостанций уже не хватает.

Большую работу по исследованию NVIS на о. Цейлон с привлечением местных радиолюбителей провел английский коротковолновик G3BGL/VS7PS в начале 50-х годов прошлого века. Его результаты были использованы при организации тропической радиовещательной службы в диапазонах 120, 90, 60, 49, 41 и 31 м. В последующие годы неоднократно появлялись публикации по использованию NVIS для целей ближней радиосвязи.

Из теории распространения радиоволн известно, что ионизированные слои полностью характеризуются высотой максимума электронной концентрации h и критической частотой fкр — максимальной частотой отражающейся волны при вертикальном зондировании (рис 1).

Критическая частота зависит только от электронной концентрации в слое и определяется простой формулой:
fкр в квадрате = 80,8 N, где N — число электронов в 1 м3.

Так, например, если в летний полдень концентрация электронов в слое Е достигла 1012 электронов/м3, то fкр = 9.106 Гц или 9 МГц.

При увеличении частоты сигнала вертикально падающие волны перестают отражаться, но полого падающие волны еще отражаются. При этом вокруг передатчика образуется «мертвая зона», в которой сигнал не слышен. На больших же расстояниях сигнал может быть достаточно сильным. Максимально применимая частота (МПЧ) — та, при которой еще отражаются волны, посланные антенной передатчика в направлении на горизонт. На частотах выше МПЧ слой вообще перестает отражать волны, посланные с поверхности Земли, и они уходят сквозь ионосферу в Космос. МПЧ обычно в несколько раз выше fкр. Связь тоже очень простая:

(МПЧ/fкр)2 = 1 + R/2h, где R — радиус Земли (6300 км).

Для вышеприведенного примера, если h = 90 км, то МПЧ = 2,5fкр или 22,5 МГц. В этих условиях сильной дневной ионизации для NVIS связей подойдет диапазон 7 МГц, а для дальних связей — 21 МГц.

Из нашего краткого рассмотрения ясно, что для NVIS пригодны волны с частотами ниже критической. А насколько ниже? Здесь надо учитывать поглощение волн в ионосфере. Теория говорит, что поглощение в ионосфере увеличивается с понижением частоты. Так, например, средние волны днем полностью поглощаются слоем D (h = 70 км), критическая частота которого недостаточна для отражения, и волне приходится дважды его пронизывать при отражении от слоя Е (h = 90…120 км, ночью выше). Таким образом, для уменьшения поглощения надо выбирать частоту как можно ближе к fкр, но немного ниже ее.

Критические частоты слоя Е и вышележащего слоя F (h = 200…250 км) очень сильно зависят от времени суток, времени года и солнечной активности. Все эти факторы определяют электронную концентрацию в слое, а следовательно и fкр. Так, например, расчеты, проведенные американскими радиолюбителями для трассы Сакраменто — Рено на западном побережье США показывают, что критические частоты могут изменяться от 2 до 14 МГц. Чаще же всего они лежат в области 2…7 МГц, понижаясь ночью и возрастая днем.

Антенны для NVIS, в шутку называемые «нагревателями облаков», должны излучать преимущественно вверх. Они очень плохо подходят для дальних связей, зато создают повышенную напряженность поля в ближней зоне, на расстояниях от 30 (где прямая поверхностная волна уже затухает) до 300 км. Оптимальная ДН NVIS-антенны показана на рис 2.

Хорошие результаты дают горизонтальный диполь и Inverted V, расположенные на высоте 0,1…0,15 l над землей. Земля в этом случае служит естественным, и довольно неплохим рефлектором, направляя излучение вертикально вверх. Входное сопротивление полуволнового диполя, расположенного горизонтально, и невысоко над землей, заметно понижается, и надо подумать о его согласовании.

В ряде случаев на сухой земле и на скальных грунтах возможно вообще не поднимать антенну, расстелив ее просто по земле. Потери при этом, конечно, больше, но в экстренных ситуациях, когда речь идет хоть о какой то связи, по сравнению с ее полным отсутствием, это может оказаться радикальным выходом из положения.

Другой вариант, предложенный военными, состоит в использовании штатной штыревой антенны, которой оборудовано транспортное средство, со своим согласующим устройством. Антенну просто отгибают в сторону любыми подручными средствами (рис. 3), например, с помощью веревки. Пример из книги Near Vertical Incidence Skywave Communications привел Richard Morrow, K5CNF.

Подобный вариант использует и другой американский любитель, назвавший свой луч «Roadside antenna» (антенна для обочины). Это провод длиной 20 м, разделенный в середине изолятором с перемычкой, оснащенной «крокодилом». Луч он протягивает горизонтально с крыши джипа, стоящего на обочине, к соседнему дереву. При разомкнутой перемычке 10 м провода образуют четвертьволновый вибратор в диапазоне 40 м. Для работы в диапазоне 80 м перемычку замыкают. В диапазоне 160 м в точке питания (на крыше джипа) включают удлиняющую катушку. Полагают, что 2 тонны автомобильного металла служат достаточным противовесом этой четвертьволновой антенне.

СО2КК усовершенствовал антенну для NVIS, применив петлевой полуволновой диполь, изогнутый в виде Inverted V. Под диполем, на высоте около 1 м над землей, протянут проволочный рефлектор, длина которого увеличена на 5 % относительно диполя. Он уменьшает потери в земле и увеличивает направленность антенны вверх. Расстояние от центра диполя до рефлектора 0,15…0,2 l,расстояние от концов диполя дорефлектора 0,1 l.
Подобные же варианты дипольных антенн с рефлектором, пригодных для NVIS связей.

И, в заключение, приведем рисунок «Супер Бима» на диапазон 40 м для NVIS, где использованы петлевой вибратор и целых три рефректора, по всей видимости, просто расстеленных по земле

Примеры NVIS антенн на технике:

Не стоит забывать помимо NVIS и про связь поверхностной волной, не отраженкой от ионосферы. Это те самые важные, «золотые» единицы — десятки км, которые покрываются даже с малой мощностью и укороченными антеннами, даже если вы в низине и вокруг холмистая местность. Радиоволны низкочастотного КВ диапазона за счет дифракции, как мёд «огибают» препятствия и преграды. УКВ и LOWBAND в походных условиях и при таком рельефе местности сдают свои позиции.