[HAM] 단파의 전리층 반사와 NVIS의 이해

[HAM] 단파의 전리층 반사와 NVIS의 이해

어느 인터넷 커뮤니티에 이런 질문이 올려져 있었다.

통신에서 원거리 통신에 단파가 유리하다는데 '스킵 존'이라는 것 때문에 단파를 통한 근거리 통신에 불리 할 수도 있다고 한다. 방법은 없는걸까? 왜 다들 7Mhz 밴드를 선호 하는걸까?

NVIS를 알아보라는 답글이 달렸길래 알아보기로 했다. 아래 자료는 NVIS 뿐만 아니라 전리층 반사를 이용한 단파 전파의 전파도 쉽게 설명하고 있다.

[참조] Understanding NVIS (Near Vertical Incident Skywave) [링크]

통신 장비 제조사로 널리 알려진 로데-슈발츠(Rode-Schwarz)사에서 제작된 교육자료다. 이 회사에서 만든 자료들을 가끔 보게되는데 전달 내용에 충실하면서도 매우 간결하다. 내용을 떠나 프리젠테이션의 정석이라 할 만 하다.

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NVIS 의 이해

공간파(Skywave)는,

• 가시영역(line of sight) 넘어 전 전 지구상의 통신을 가능케 해준다.
• 대기권 상층부에 이온화된 입자들의 층(전리층)에서 전파가 반사되는 성질을 이용한다.    - D 층은 전파를 흡수한다. (최저 통신가능 주파수를 경정하는 요인)
    - F 층은 전파를 반사한다. (최고 통신 가능 주파수를 결정하는 요인)

스킵 존(Skip Zone)은,

• 전리층에서 반사되는 전파는 입사되는 각도에 의해 공간파의 통달 거리가 결정된다.    - 입사각은 결국 안테나의 복사각에 달렸으므로 안테나의 종류와 설치조건에 따라 결정된다. 전리층 입사각은 전리층 면의 수직에서 잰 각도, 안테나 복사각은 지평면에서 잰 각도다.
• 입사각이 작을 수록 원거리 통신이 가능하다.
• '스킵 존'은 공간파나 지표파가 도달하지 못하는 거리다. 공간파는 입사각, 지표파는 지상 장애물의 영향을 받는다.

수직근접 입사 공간파(NVIS, Near Vertical incidence Skywave)는,

• 전리층 반사를 통하는 공간파로서 아주 특별한 경우로,
  - '스킵존' 범위에서도 통신을 가능케한다.
  - 험준한 지형으로 인한 직접파 차단의 난점을 극복해준다.
• 안테나 복사각이 거의 수직(75도 이상)에 가깝도록 설치하고 단파의 낮은 주파수 대역을 이용한다.
• 통신 가능 범위는 대략 수백 킬로미터다.
• 주된 활용도로는,
  - 군사용 (전술 통신, 지상파 재밍에 강하다. 송신장소 추적을 피할 수 있다.)
  - 재난 통신 (재난으로 중계시설이 폐쇄된 산간지역, 벽오지

NVIS의 장점 (기술적 측면)

• 페이딩에 강하해서 안정적인 통신을 할 수 있다.
  - D 층 반사를 이용하기 때문에 통달 거리가 짧다(머리위에서 반사되어 내려온다)
  - 전파의 경로가 쩗으므로 소출력으로도 안정적 통신이 가능하다.
  - 공간파이므로 지형지물의 방해를 극복할 수 있다.
  - 경로가 단순하여 페이딩이 없다(페이딩은 원거리 단파 통신시 전리층 반사 경로차로 발생)
• 전파 경로가 짧아서 소출력(이동용 및 비상전력으로 운용) 통신으로 유리
• 전방향으로 공히 전달된다.
  - 안테나의 지향성에 관계없이 설치할 수 있다.
  - 단파 안테나의 지향성을 따지지 않아도 되서 설치자소의 조건에 자유롭다.

NVIS의 장점 (운용적 측면)

• 저전력 이동운용이 용이해서 차단이나 추적의 염려가 적다.
  - 저전력으로 송신장소 이동이 쉽다.
  - 수직 복사 패턴(전방향)을 가진다.
• 위치 탐지가 어렵다
  - 머리위를 향해 좁은 수직 복사패턴을 가지므로 지상파 방향탐지기에서 포착하기 어렵다.
  - 전파 경로가 짧으므로 손실이 적다.
• 지상파 전파장애에서 유리하다. (공간파이면서 근거리 통신을 하는 것이므로)
• 단파 이지만 안테나 설치 높이가 낮다. (복사 패턴이 머리위 하늘로 향한다.)
  - 긴 단파 안테나를 혼자서도 칠 수 있다.
  - 안테나 복사기가 낮게 설치되므로 높은 그라운드를 칠 필요 없다. (다이폴 안테나의 유효높이는 원거리 통신을 위해 복사각을 낮추려는 것이다. NVIS는 오히려 복사각을 극단적으로 높인다.)

NVIS의 단점

• 낮은 주파수 대역에서 만 작동한다(D 층의 특성)
• 통달 거리가 짧다(수백킬로미터)
• 송신소 및 수신소가 모두 동일한 안테나일 때 효과있다. (다이폴 안테나는 다이폴 끼리 잘된다. 전파의 편파 특성 때문임)
• 자연잡음은 물론 인공잡음의 유입에 취약하다. (낮은 단파대 주파수 대역의 특성)

주파수,

• NVIS로 사용할 주파수는,
  - F 층(회절층, 사용가능 최고 주파수 결정요인)에 의해 반사될 만큼 충분히 낮은 대역일 것
  - D 층(흡수층, 사용가능 최저 주파수 결정요인)에 흡수 되지 않을 만큼 높은 대역일 것
• NVIS로 사용 가능한 주파수 대역은 2에서 10Mhz
  - 전리층 형성조건에 따라 다르다(태양흑점 주기, 일일 시간대, 계절 등)
  - 낮에는 4~8Mhz
  - 밤에는 2~4Mhz
• 자연적 요인에 영향을 받으므로 절대 규칙은 없다. 운용자의 판단이나 전파예보에 의한 자동 결정

NVIS용 안테나,

• 대부분 단파대용 안테나는 공간파를 사용한 원거리 통신을 위해 복사각이 낮다.
  
• NVIS 안테나는 복사각이 높도록(75도 이상) 설치되어야 한다.
  - 지면 반사로 복사각이 하늘로 향하도록 낮게 설치
• 지면에서 낮으면 무전기 송신 단과 임피던스 맞추기 어려우므로 안테나 튜너(ATU)를 사용하자.

안테나 복사 패턴 (수직면)

• 일반적인 단파용 다이폴 안테나의 복사패턴. 원거리 통신에 유리하도록 복사각도가 낮다.
• NVIS 용 다이폴 안테나는 복사각도를 하늘로 향하도록 설치한다.

안테나 복사 패턴 (수평면)

• 일반적인 다이폴 안테나에서 8자모양이다.
• NVIS 다이폴은 안테나에서 전방향 이다. 다이폴 안테나라도 지면과 높이가 낮게 설치하면 전방향 복사 패턴을 얻을 수 있다.

NVIS 용 안테나

• 모든 안테나는 설치 조건에따라 NVIS용으로 사용가능하다.
• 안테나 조건으로 설치용이성을 따진다. 군용(전술 통신), 재난통신용을 감안.
• 일반적으로 사용되는 NVIS 안테나로는,
  - 다이폴
  - 역 V
  - 역 L 또는 롱 와이어
  - 차량 설치용
• 기타 (주로 고정국에서 사용)
  - 원추형 나선 안테나
  - 수직으로 세운 로그페리오딕 안테나 (생선가시형 야기 안테나는 지향성이 강하므로 하늘을 쳐다보는 방향으로 설치)

다이폴 안테나를 NVIS 용으로 설치하기

• 반파장 다이폴 안테나의 설치 높이가 높으면 복사각이 낮아진다.
• NVIS 용 다이폴 안테나는 파장의 0.2배로 낮게 설치
  - 7Mhz 대역이라면 약 8미터
  - 복사각을 위로 향하게 안테나 아래로 반사기를 설치
• 지면 반사 효과를 활용
  
• 지면 반사효과가 적은 모래, 바위 지역인 경우 반사기 설치

역 V 안테나

• 중심부에 지지대를 한개만 두고 있으므로 설치가 용이하다.
• 다이폴 안테나를 직교하여 설치하는 형식이면 편파의 영향을 덜 받으므로 유리하다.
• 중심 지지대를 다이폴 보다 약간 높게하면 복사 면적을 줄일 수 있다.

불평형 안테나 (와이어, 역L)

• 역 L 형 안테나
  - 수평과 수직 안테나 특성을 모두 가진다
• 지면효과를 위해 필요시 지면에 래디얼을 설치
• 차량 탑재

차량 탑재형 NVIS 안테나

• 루프형 안테나를 설치하면 이동중에도 운용가능 (안테나 한쪽 끝은 지상에 메달 필요 없음)
• 차량용 휩 안테나는 지향성을 위로 향하도록 눞혀 사뇬
  - 차량 되 지면으로 설치하는 편이 좋다.
  - 필요시 차량쪽으로 눞힐 수 있지만 효율은 떨어진다.

기타 NVIS 안테나들

• 선박용
• 항공기용

공간파와 지상파의 비교

• NVIS 처럼 공간파 활용을 높이면
  - 수신측의 페이딩, 찌그러짐 영향을 덜 받는다. (짧은 전파 경로, 경로차 최소화)
• 직접파의 활용을 줄임으로써 얻는 장점
  - 지상의 각종 잡음 영향에서 비교적 자유롭다.
  - 지상파 전파 방해에서 유리하다.
  - 전파 방향 탐지에 발각될 염려가 적다.(하늘로 전파를 발사하므로)

요약

• NVIS는 복사각을 높여(75도 이상) 하늘로 전파발사 후 머리위의 전리층 반사 활용
• 잇점,
  - '스킵 존'을 극복
  - 지형 지물로인한 전파 차단 극복
  - 전방향 지향성
  - 저전력 이동용이, 전파 탐지 은닉, 전파방해에 강함
  - 낮은 단파대역(2~10Mhz)활용
  - 재난통신용으로 적합 (중계기 필요 없음. 재난지역은 산간지나 벽오지로 가시권 통화가 어렵기 마련)
• NVIS용 안테나
  - 다이폴 안테나, 역V 안테나 (긴 파장의 안테나지만 낮은 지상고로 설치가 용이함)
  - 불평형 안테나 (역 L 형)
  - 안테나 튜너 사용 필요 (낮은 지상고)

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[참조] Understanding NVIS (Near Vertical Incident Skywave) [링크]
* 원본 링크에 가서 좋아요 한번씩 눌러주자. 이런 자료를 만들어 줬으니 고마움의 표시로...

[참조] Understanding-NVIS [링크]
[참조] What is NVIS [링크]
[참조] Near Vertical Incidence Skywave (NVIS) Propagation [링크]
[참조] Near Vertical Incident Scattering Antenna [링크]

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[사족] 전리층은 전파를 효과적으로 반사시킬 만큼 두터웠는지 차이일 뿐 항상 존재 했었다. 아무래도 전리층이 발달하면 근거리든 원거리든 통신에 도움이 될 것이다. 최근 태양 흑점활동 상승기라면서 전리층이 발달하여 아마추어 무선 인구가 많이 증가한단다. 전리층이 약소하더라도 국내교신에 그리 큰 영향은 없었을 것이다. 약한 상태라는 시기에도 일본과 전신이지만 교신은 잘 했었다. 최근 코로나 영향으로 집에 머무는 시간도 많았고 최근 DX가 뚫렸다는 이야기도 많고 해서 권장 분위기다 보니 신생 무선국과 재개하는 무선국이 늘었다는 생각이 든다. 게다가 FT-8같은 디지털 모드의 등장으로 DX의 신기함도 한몫 했겠고. 전리층이 발달해서 DX 원거리 통신이 잘된다고 하지만 제대로 단파 안테나를 설치 할만한 사람들 얘기이고 주로 국내 래그-츄가 통신의 주를 이루는 느낌이다. 현대인의 외로움을 달래는데 아마추어무선만한게 없다.