哈罗CQ火腿社区 - DX通信 - 160米：神秘面纱下的波段

发帖: 1932

译注：本文连载于1998年的CQ杂志三月和四月刊。译文依原文将top band译为顶级波段，也就是160米波段，译文内的所有顶级波段都指的是160米波段。

传播
或许大家认为160米波段的频率与80米波段的频率靠得很近，因此这两个波段就具有相似的传播特性。事实是这两个波段的传播特性大相径庭，STP的卡里.欧勒（Cary Oler）和泰德.科恩（Ted Cohen）、呼号N4XX，揭示了160米波段难以预测的原因，并分享了他们为此所做的努力。

160米：神秘面纱下的波段

160米波段（1800-2000KHz）的传播特性困扰了业余无线电爱好者和专业通讯从业者几十年。尽管该波段频率仅低于80米和75米波段频率（3500-4000KHz）一点点，预测160米这个顶级波段的传播往往都是徒劳无获的，使得其无愧于顶级波段这一称号。比如约翰.德沃尔岱(John Devoldere)、呼号ON4UN（已于2020年11月SK），在其《低波段远程通联的天线与技巧》一书中写道：“我在160米波段通联的越多，就越相信我们对该波段的传播知之甚少”。德沃尔岱曾试图找到太阳和地磁指数与160米波段传播特性之间的对应关系，结果发现两者间基本没有任何关系。杰夫.布里格斯(Jeff Briggs)、呼号K1ZM，甚至在他的新书《边缘的通联—160米波段的震撼》这样描述：“就我个人而言，在顶级波段尚未达成的最大目标就是揭示160米波段的传播机制。”布里格斯甚至这样写道：“我拿一切来赌，你们没人可以对其它国家的160米波段传播做出有一点点准确性的预测”。本文不会为你赢得与布里格斯的赌注，但是会对你理解顶级波段电波传播的复杂性有所裨益。

电离层D层的电子浓度
160米波段的信号主要受电离层D层的电子浓度变化影响。白天电离层D层的强烈电离（译注：对应电子浓度激增），成为160米波段吸收的主要因素。夜间‘电离层D层的电子浓度急剧降低（但是电子不会完全消失），导致信号吸收的相应减弱。注意：电离层D层电子浓度的微小变化，会给夜间的信号吸收带来巨大的影响。之所有会有这么巨大的影响，主要是在射频低段，电子更容易与中性离子碰撞。射频低段的频率也就成了所谓的高碰撞频率，进而导致更高的信号吸收。换句话说就是，对低段频率而言电子浓度的微小变化会对信号吸收带来大幅变化。当160米波段传播极好时，你可能会短暂的以为自己在守听传播开通的20米波段；实际上这一极好的传播可能是因为D层电子浓度不正常得大幅减少导致的。而这种D层电子浓度大幅减少的原因，目前电离层科学家还未厘清。

电子回旋频率影响
160米波段的传播难以预测，还有其它原因。除了难以预测的D层吸收，另一个主要原因是160米波段频率与电子回旋频率（700-1600KHz）相近，D层和E层的电子回旋频率图见图一。

图一
总的来说，回旋频率是衡量地球大气层中带电粒子与地球磁场相互作用的手段。载波频率越接近回旋频率，载波中的电子吸收的能量就越多。这一规律特别适用于垂直于地球磁场传播的电波。
对北美来说，我们希望来自西欧的信号路径能够粗略地垂直于地球磁场，由此这些信号首先会与电离层D层和E层中的电子相互作用导致信号强度大幅衰减。随后，这些信号又被迅速的椭圆极化，极化长轴与磁场方向一致（高频（HF,3-30MHz）信号更接近于圆极化）。因此，除了自旋频率接近顶级波段的载波频率会导致衰减；如果你和欧洲台的天线极化方式与上述极化方向不一致，也会导致信号强度衰减。
最后，如太阳耀斑爆发等事件导致地磁活动加强时，地球磁力线方向会改变，进而导致接收信号强度发生变化。有时信号会衰减到低于可用强度，而有时信号强度也会加强。

极光卵形环的影响
极光卵形环（两极各一个）对无线电波的传播有重要的影响，如果你的通联路径沿着极光卵形环或者穿越极光卵形环，你会经历下述几种传播衰减模式:强烈的信号吸收（这种会经常发生）、短时强信号加强（主要由电离层倾斜导致本方接收信号的聚集）、或者极不稳定的信号特点（比如急剧而快速地衰减，主要由多径效应、快速而异常的信号吸收、非大圆传播及计划变化等原因导致）。

图二所示的是华盛顿特区到日本的大圆路径图，图中还能看到头顶太阳的位置（南大西洋中间）；晨昏线（图中为美国东海岸日出前后一小时内的晨昏线）；极光区极度平静时的极偏位置（靠近极点的绿线）和地球小磁暴时的极光卵形环的扩展位置(靠近赤道的绿线)。

图二
如图所示，华盛顿特区到日本的大圆路径主要有两种影响途径。当地磁活动难得平静时（指数为0，持续时间超过8小时），极光区聚集于图二中高纬度的绿色极偏线附近，华盛顿特区到日本的信号可以毫发无伤的穿越北极区域。但是地磁活动的轻微加强，就会导致极光区位置的大幅偏移。如果极光区向赤道方向的偏移界线越过华盛顿特区-日本大圆图路径，D层吸收和E层吸收，以及极光电离层其它不稳定因素导致得信号衰减。

图三就很好的解释了极光卵形环发生的变化，这一组图片来自极地卫星。轨道条件允许的情况下，卫星每隔几分钟就会对极光卵形环拍照。上排一组照片（开始于1997年12月10日，0336 UTC）为极光卵形环极其平静的状态。只能看到极少的活动，且活动都发生在阿拉斯加北侧。顶级波段的信号穿过高纬度地区后越过极光卵形环外侧，带来良好的信号强度和信号稳定度（与图二中绿色的极偏线相比）。这就是1997年12月8日和9日的真实传播状态，与此同时东海岸与日本之间日出前半小时的传播就出现了例外。

图三
然而随着12月10日0530 UTC出现了轻微的星际间扰动，状况迅速出现了变化（参见中间一组照片）。从照片可以看出，在扰动出现的一个半小时后，高能极光区出现了。注意看下极光区扩张的范围，以及极光区覆盖阿拉斯加的范围。另外，极光活动的高强区又刚好位于极光活动区偏赤道方向的包线一侧。从华盛顿特区往日本的电波信号、或者从美国西部去往欧洲地区的信号，不得不穿越这些扰动区。由此，信号在0712 UTC的时候被增加的D层和E层电离大幅吸收，并向赤道一侧迁移后与大圆图路径交越。在极光活动高峰时期，极光卵形环区增强继续向南扩张完全覆盖阿拉斯加地区，甚至覆盖了加拿大上方电离层大部分区域。

极光电离层的另一个重要属性是其横向厚度，图三上排一组照片中的极光卵形环薄且稀薄，表明这是比较稳定的电离层，且电离程度相对较弱。穿越此处的信号只有碰到极光电离层时才会被大幅吸收。
当极光区收缩且较薄时，顶级波段的信号可以通过走其下方边缘区域的方式避免被信号大幅吸收，参见图四。在地磁活动平静期，极光区的横向厚度只有大约500千米。而无线电信号被E层反射后可以在电离层下传播500到2200千米（对应0°到20°这种较低的发射仰角）。几何计算正确的话，160米波段信号可以走极光区边缘下方进入极地电离层（极地电离层更稳定），并从极地电离层返回中纬度电离层，中途不与极光电离层相遇。这种传播方式不像你想得那样稀缺，它可以提供稳定的跨大西洋和跨太平洋传播。由于极光卵形环处于快速变化的持续运动中，这种传播往往持续时间不长。

图四
老天爷又和你开了个大玩笑。极光电离层的重度电离区往往是本地午夜时分的所处的极光地带，无论时间和地带都对160米波段的信号传播有着巨大的影响，极光区的午夜部分地带又是极不稳定和极难预测的地带。
顶级波段能够成功通联的一个秘诀就是让信号穿越极地区，同时又要避开极光电离层区。美国的西部和南部的爱好者可以按字面意思把信号射向极光区，同时避免出现那些东部和北部爱好者不幸遇到的信号被吸收的状况。极光区吸收可能是顶级波段通联祖师爷斯图佩睿、呼号W1BB，至死没有完成与日本台通联的主要原因。

160米波段信号强度与太阳黑子数的关系
有趣的是，160米波段的信号强度很难与太阳黑子活动扯上关系，但是也的确有的一点小的关系（见参考文献6）。
160米波段的信号强度与太阳黑子的相关度，只有HF频率与太阳黑子的5%。由于相关度如此低，大部分有关160米信号强度预测的经验算法都忽略了太阳黑子数或太阳辐射通量的影响。仅有的一点小的关系是因为当太阳电离辐射消减到最低水平时，低频信号（1800-2000KHz）仍会被夜间电离层的底层反射。这也解释了企图把160米波段与黑子数硬要扯上关系失败的原因。

利用电离层波导实现远程通联
可能你还没意识到，相当一部分超过4000千米的顶级波段通联，都是由于出现所谓的信号波导现象实现的。把小球扔进狭窄的管道内，小球会在管壁上不断反弹前进，本质上说，小球是被管道输送的。简单说就是，无线电信号射入电离层里的管道，会被管壁输送，直至管壁消失或者管壁强度减弱信号可以穿透管壁。电离层管道的管壁，就是不同电离层的边缘。电离层D层通常没有足够的电离来输送中频和高频信号，而E层和F层增加的电子浓度可以实现顶级波段信号的输送，当然还需要电离层具备恰当的状态以及电波需要具有恰当的入射角度。
图五以模拟信号进入和穿过电离层视觉化的方式揭示了这样的一种波导传播，此图描述了12月地磁平静状态下午夜时、从华盛顿特区发射1850KHz无线电信号至匈牙利，无线电波的常波分量（也是主要分量）的路径。华盛顿特区的发射机标注为三维图中左边的绿点，匈牙利接收机位于7500千米外另一绿点。连接两点间的直线表示的是华盛顿特区和匈牙利之间的大圆路径。图中左上的蓝色的墙表示的是海拔高度（图中每条线表示20千米海拔高度）。图中右边蓝色的墙表示的是信号品号偏离大圆路径的距离，以千米为单位。信号在华盛顿以10°仰角、沿着大圆路径发射进入电离层，信号的地面轨迹可以从三维图的底面上看到。从图可以看出，信号在进入电离层前完美的沿着大圆路径走；电波进入D层后，向赤道方向偏离了约一千米（此时由于磁离子分裂作用，电波分为常波和异常波两个分量），在D层中穿越时信号遭到最大幅度的吸收。

图五
以这个特殊仰角发射的电波可以折射弯曲，在F层底部和E层顶部、也就是所谓的E层波谷区，实现波导传播。由于此区域的电离层处于黑暗状态因此相当稳定，可以稳定输送电波约6500千米，这个距离相当可观了。
注意一下图中弯曲的信号路径。它并没有精确地沿着大圆路径走，而是因电离层形状变化或者波导传播时地球磁力线方向变化而向南偏或者向北偏。（很多有多条定向接收天线的顶级波段操作员会告诉你，远处电台信号是不会沿着大圆图路径的方位角过来的）。最后在离华盛顿特区6500千米处的E层电离度不够，无法把信号折射会F层底部。因此，信号穿透波导管，返回地球表面。为此，它又一次穿过D层吸收区。随后又被反弹会空中的电离层，在模拟结束前完成最后一跳。仔细查看路径末端（信号在这里开始明显的离开我们的视线范围了）的信号可以发现顶级波段信号的奇怪属性，末端路径并不是你期待的那样一条线性直线。它反而是一条弯曲和扭曲的路径，改变了信号最后的入射角度，还改变了信号的方向和计划属性。这就是顶级信号的典型特点，也是信号频率接近电子自旋频率导致的结果。信号频率越接近与自旋频率，结果越糟糕。
我们期待的匈牙利接收方并没有听到这个信号，因为信号偏离了接收机约500千米，反而是捷克斯洛伐克的顶级波段操作员听到了清晰洪亮的信号。如果此人的发射机和天线可以发射功率足够大、仰角合适的信号进入这个波导，信号将会被传播到华盛顿特区的操作员那儿，实现一次顶级波段的双向通联。
捷克斯洛伐克收到的这个1850KHz的信号强度相对较强，这是因为信号这穿越了D层两次：一次在华盛顿离开电台进入D层，另一次是经过6000千米波导后再次射向地面。信号也没有经过极光区，反而因地磁平静而从极光区底下通过。这一传播机制，极有可能就是相距几百公里的爱好者接收同一个远距离电台，而接收信号强度却各不相同的原因。
160米波段信号与波长更短的其它频段的信号相比，更容易实现波导传播。这是因为160米波段比其它频段更容易以高仰角折射后的单跳距离更大。换句话说就是，顶级波段信号以5°-30°的仰角发射时更容易实现波导传播，而其它波段则需要0-15°之间这种更低仰角进入主要的波导传播区。由于绝大多数业余爱好者的天线无法在低于10°仰角时辐射足够能量，因此其它波段进入波导内的信号能量就比160米顶级波段的天线辐射的能量小了很多。最终导致波导传播的160米波段信号强度更高。
一些波导传播对电离层状态、发射仰角以及天线方位角的变化非常敏感，这也解释了为什么有些远程台开通的时间非常短、不断出现快速变化以及信号质量差的原因。还有一些波导传播对前述的那些变化不太敏感，可以稳定地持续数小时，且能支持较大范围的信号方位角和仰角。
有些波导传播会有不对等传播发生的情况，就是你能听到对方而对方却听不到你，这种状况160米波段比其它短波波段更常见。如果你觉得波导传播可以通联远程台，最好是选择适合远程台的正确方位角，并用你的天线以最低仰角把信号射向天空（考虑到大部分160米天线的尺寸，可能你也没什么可以选择的）。
160米波段远程通联的小技巧

下面有几个提高160米波段通联几率的技巧：
第一个，也是最重要的一个就是等待地磁活动平静期。重点是等待高纬度区域地磁活动平静期的持续间隔。使用WWV/WWVH整点后18分钟预报的博德站k指数，不能满足需要；因为位于科罗拉多州的博德站远离极光卵形环。而位于北极圈内、加拿大因纽维克镇、贝克湖和剑桥湾镇三个站点的k指数更适合拿来参考，因为这三个站点都位于极光卵形环覆盖区域内。当这三个站的三小时k指数值为0，且持续时间能达到8小时，就证明高纬度圈内160米波段远程开通的可能性极高。研究表明，极光卵形环需要至少8小时才能在经常出现的极地方向完成聚集（参见参考文献7）。
0值k指数持续期，通常出现在太阳活动上升期内，此刻我们就处于这一时期（译注：本文发表于1998年的3月和4月刊CQ杂志，1998年是太阳活动第23周期的上升期）。0值k指数持续期很少在太阳活动下降期出现，因为在日面低纬度和跨日面赤道区域出现的冕洞，使得地球的地磁维持在高通量状态。因此未来的2-4年，会有大量的地磁活动平静持续期。也就是说未来2-4年将是160米波段远程通联开通的最好时期。
当顶级波段的传播短时增强时，通常会有伴有星际扰动出现，原因目前尚未知晓。这一现象可能是由来自太阳的星际扰动引起电离层的化学构成和中性风模型剧烈变化导致的，中性风的变化完全有可能会导致D层电子浓度的减少。进而导致顶级波段不正常的低吸收。这些情况多数都是不可预测的，也时难以监测的；当然，可以使用专业的电离层探测仪来观测顶级波段异常的远程通联来实现监测的目的。解决这一重要课题，还需要对自然界和中性风对星际刺激的响应做大量的研究。
较低且稳定的背景X射线辐射值，可能会有利于降低午夜D层垫层浓度，并提升顶级波段的远程开通条件。
尽管D层在日落后会大部分消失，白天的X射线高辐射值会导致处于白天的D层区域的电子浓度激增。推测的原因可能是由于中性风的作用导致处于夜间的D层区域的残留效应更明显（特别是日落后几小时）。也就是说在较高的背景X射线辐射值时期，顶级波段的传播因D层高度的中性风状态，可能在日落后持续较长一段时间的弱传播状态。

电子自旋频率的重要性可能会令人难以理解，成熟的顶级波段操作员应该时刻谨记：只有在载波频率远离电子自选频率的时候，信号才会很少被吸收且信号质量更好。为此，明智的做法是在考虑通联路径时，要查看电子自旋频率地图。使用自旋频率稳定递减的路径比递增的路径对信号会有更少的衰减。
图六是一张以美国为中心的特殊地图，可以帮助美国爱好者查看任意方位角信号的电子自旋频率。图像外围标注的是辐射方位角角度；蓝色椭圆形线是地理纬度线（红色椭圆形线是赤道）；绿白色的等高线就是电子自旋频率线，单位为kHz,间隔为100kHz。对美国爱好者来说，幸运的是大部分信号路径都是电子自旋频率降低的路径，除了对加拿大、北极和西伯利亚的路径是增高的，最好的自旋频率路径是对南美和非洲的路径。不幸的是美国爱好者遇到的自旋频率又是最高的，范围为1300-1600kHz。南美洲内部的顶级信号传播甚至是从南美到南非的信号与从北美到这些区域的信号受自旋频率的影响更小，因为南美和非洲区域的自选频率更低。

图六
顶级波段的信号特别容易受到E层突发传播波的影响。微弱的E层突发传播对短波波段可能没什么影响；而对160米波段来说，由于E层突发传播以需要或者不需要的方式增加了信号的吸收、并增加了信号折射，从而对信号产生了重大的影响。突发E层传播唯一能提供的好处就是，当信号从上方落到E层突发传播。此时，信号会被反射回F层，进而增加信号传播的距离（多数情况下都会显著增加）。然而需要谨记的是，E层突发传播多数都是非线性的形状，且可能内部含有非一致性的结构块，从而沿着大圆路径散射信号而不是单一的反射信号。切记，160米波段信号非常容易折射，即使电子浓度很低的时候也能折射。
电离层是一种带电的、具有化学活性的流体状环境，电离层底部存在着电子浓度涟漪（即电子浓度不一致的情形，电离层中的每一层底部都有这种情形存在），且由于中性风运动而四处飘散。这对于低频信号传播非常重要，因为遇到大尺度的电子浓度涟漪，信号会由于吸收而引起信号衰减。周期性的衰减现象会导致顶级波段信号的的中度衰减，以及信号发散和多径效应。

作者文中提到的几个网址：
http://solar.spacew.com/www/swarm.html
http://solar.spacew.com/www/proplab.html.
http://solar.spacew.com/www/subcaros.html
http://solar.spacew.com/www/caros.html
http://solar.spacew.com/www/sublists.html
http://solar.spacew.com/www/topband.html.

http://solar.spacew.com/www/course.html