Radiokommunikation virker, fordi elektrisk energi i en sender kan omdannes til elektromagnetiske bølger, der bevæger sig gennem rummet og opfanges af en antenne et andet sted.

Det lyder enkelt, men radiobølger opfører sig meget forskelligt afhængigt af frekvens, terræn, bygninger, atmosfæren og antennernes placering. Derfor kan et radiosignal nogle gange række få hundrede meter og andre gange tusindvis af kilometer.

I denne artikel ser vi på de vigtigste principper bag radiobølgers udbredelse og forklarer, hvorfor frekvens og bølgelængde har så stor betydning for radiokommunikation.

Hvad er en radiobølge?

En radiobølge er en form for elektromagnetisk stråling – samme grundlæggende fysiske fænomen som blandt andet synligt lys, infrarød stråling og mikrobølger.

Forskellen ligger først og fremmest i frekvensen og dermed bølgelængden.

Når en vekselstrøm med høj frekvens sendes ud i en antenne, opstår skiftende elektriske og magnetiske felter omkring antennen. En del af energien forlader antennen som elektromagnetiske bølger og bevæger sig gennem rummet.

Radiobølger bevæger sig med lysets hastighed

I vakuum bevæger elektromagnetiske bølger sig med cirka 300.000 kilometer i sekundet.

Det gælder både radiobølger og synligt lys.

I luft er hastigheden næsten den samme, så et radiosignal bruger kun en meget lille brøkdel af et sekund på at bevæge sig over de afstande, vi normalt arbejder med ved lokal radiokommunikation.

Frekvens fortæller, hvor hurtigt feltet svinger

Frekvens beskriver, hvor mange svingninger et signal gennemfører på ét sekund.

Enheden er hertz – Hz.

1 kHz er 1.000 svingninger i sekundet, 1 MHz er 1 million svingninger i sekundet, og 1 GHz er 1 milliard svingninger i sekundet.

En radiosender på 150 MHz skaber derfor et elektromagnetisk signal, der svinger 150 millioner gange i sekundet.

Frekvens og bølgelængde hænger sammen

Jo højere frekvensen er, desto kortere bliver bølgelængden.

Sammenhængen kan beskrives med den enkle formel:

Ved cirka 150 MHz er bølgelængden omtrent 2 meter.

Ved cirka 450 MHz er bølgelængden omkring 67 centimeter.

Ved 27 MHz – kendt fra CB-radio – er bølgelængden omkring 11 meter.

Hvorfor betyder bølgelængden noget?

Bølgelængden påvirker blandt andet antennernes størrelse og hvordan radiosignaler reagerer på omgivelserne.

En antenne konstrueres ofte i forhold til en bestemt brøkdel af bølgelængden, eksempelvis en kvart bølgelængde.

Ved 150 MHz er en kvart bølgelængde omkring 50 cm, mens den ved 450 MHz kun er omkring 17 cm.

Det er en af årsagerne til, at en effektiv VHF-antenne ofte er fysisk længere end en tilsvarende UHF-antenne.

Fri sigt giver ofte den bedste forbindelse

På VHF, UHF og højere frekvenser er radiomæssig sigt ofte meget vigtig.

Hvis to antenner kan “se” hinanden uden store forhindringer, er forholdene normalt gode. Bakker, bygninger og andre store objekter i signalvejen kan derimod dæmpe forbindelsen kraftigt.

Det er derfor, en antenne højt placeret ofte giver meget større rækkevidde end den samme antenne tæt ved jorden.

Jordens krumning sætter en grænse

Jorden er rund, og derfor forsvinder en station efterhånden under den geometriske horisont.

Det betyder, at radiokommunikation ved frekvenser, der hovedsageligt følger direkte sigt, ikke kan fortsætte ubegrænset, selv om senderen har høj effekt.

Jo højere antennerne er placeret, desto længere bliver den radiomæssige horisont.

Radiobølger kan bøje omkring forhindringer

Radiobølger bevæger sig ikke altid kun i helt rette linjer.

Når en bølge passerer en kant eller en forhindring, kan en del af energien bøje ind i området bag forhindringen. Fænomenet kaldes diffraktion.

Det er en af årsagerne til, at en radiostation ikke nødvendigvis forsvinder fuldstændigt, bare fordi der står en bakke mellem sender og modtager.

Hvor tydeligt fænomenet er, afhænger blandt andet af bølgelængden og størrelsen på forhindringen.

Lavere frekvenser bøjer ofte bedre omkring store forhindringer

Som en generel radioteknisk tendens kan længere bølgelængder lettere påvirkes af store terrænformer på en måde, der giver noget signal ind bag forhindringer.

Kortere bølgelængder opfører sig ofte mere udpræget som direkte sigt-kommunikation.

Det betyder dog ikke, at man kan opstille en enkel regel om, at lavere frekvens altid giver bedre rækkevidde. Antenne, støjniveau, terræn, sendeeffekt og modtagerforhold spiller stadig en stor rolle.

Refleksion – radiosignaler kan blive kastet tilbage

Radiobølger kan reflekteres fra forskellige overflader.

Store bygninger, metalflader, terræn og i visse tilfælde atmosfæriske lag kan ændre signalets retning.

Det kan være en fordel, fordi et reflekteret signal nogle gange når steder uden direkte radiosigt.

Men refleksioner kan også give problemer, fordi modtageren kan modtage flere versioner af samme signal ad forskellige veje.

Multipath – når samme signal kommer flere veje

Hvis radiosignalet både kommer direkte fra senderen og via refleksioner fra eksempelvis bygninger, får modtageren flere kopier af det samme signal.

De forskellige signaler har tilbagelagt forskellige afstande og ankommer derfor med små tids- og faseforskelle.

Det kaldes multipath.

Afhængigt af radiosystemet kan signalerne forstærke hinanden eller delvist ophæve hinanden.

Skov påvirker signalerne

Træer, blade og vegetation kan absorbere og sprede radioenergi.

Hvor stor dæmpningen bliver, afhænger blandt andet af frekvensen, hvor tæt vegetationen er, og hvor meget vand den indeholder.

Derfor kan en radioforbindelse gennem tæt og våd skov opføre sig anderledes end den samme forbindelse over et åbent område.

Bygninger giver komplekse radioforhold

Beton, stål, glas og isoleringsmaterialer påvirker radiosignaler på forskellige måder.

Armeret beton og store metalflader kan give kraftig dæmpning og refleksion, mens vinduer og åbninger kan skabe alternative signalveje.

Indendørs radiokommunikation er derfor ofte præget af både dæmpning og multipath.

Hvad er ground wave?

Ved lavere radiofrekvenser kan en del af radiobølgen følge Jordens overflade over betydelige afstande.

Denne udbredelsesform kaldes ofte ground wave eller jordbølge.

Den spiller især en rolle ved lave frekvenser og bliver generelt mindre betydningsfuld, jo højere frekvensen bliver.

Det er blandt andet en af årsagerne til, at meget lave radiofrekvenser kan anvendes til kommunikation over lange afstande.

HF kan bruge ionosfæren

På HF – High Frequency – kan radiobølger under de rette forhold nå meget længere end den direkte horisont.

Det skyldes ionosfæren, som er et elektrisk ladet område højt i atmosfæren.

Bestemte HF-frekvenser kan brydes gennem ionosfæren på en måde, der sender signalet tilbage mod Jorden langt fra senderen.

Det gør det muligt at kommunikere hundredvis eller tusindvis af kilometer uden satellit eller mellemliggende repeater.

Ionosfæren ændrer sig hele tiden

Ionosfæren påvirkes blandt andet af Solens stråling.

Forholdene ændrer sig derfor mellem dag og nat og varierer også med solaktivitet, årstid og geografisk placering.

En HF-forbindelse, der fungerer godt om dagen, kan derfor opføre sig helt anderledes om natten.

Det er en af de store forskelle mellem lokal VHF/UHF-kommunikation og langdistancekommunikation på HF.

Kan radiobølger gå gennem vægge?

Ja – men normalt med en vis dæmpning.

Hvor meget signalet dæmpes, afhænger af både frekvens og materialet i væggen.

En tynd trævæg påvirker radiosignalet langt mindre end en tyk væg af armeret beton.

Metal kan være særligt effektivt til at afskærme radiosignaler.

Hvorfor virker radioen bedre udendørs?

En håndradio kan ofte få mærkbart bedre rækkevidde, når brugeren går ud af en bygning.

Det skyldes blandt andet, at vægge og metal ikke længere dæmper signalet, og at antennen får bedre mulighed for at skabe en direkte signalvej mod den anden station.

Hvis radioen samtidig flyttes til et højere sted, kan forbedringen være endnu større.

Polarisation – antennerne skal helst passe sammen

Radiobølger har også en egenskab, der kaldes polarisation.

En lodret monteret antenne udsender typisk et lodret polariseret signal. En tilsvarende lodret modtageantenne er derfor godt tilpasset signalet.

Hvis den ene antenne er lodret og den anden vandret, kan der opstå et betydeligt tab.

Hvorfor bliver signalet svagere med afstanden?

Når radiobølgen bevæger sig væk fra senderen, fordeles energien over et stadig større område.

Signalstyrken falder derfor med afstanden, selv i helt frit rum uden bygninger eller andre forhindringer.

Det kaldes ofte free-space path loss.

Det er en fundamental egenskab ved radioudbredelse og en af årsagerne til, at antenneforstærkning og modtagerfølsomhed er så vigtige i radiosystemer.

Flere watt ændrer ikke udbredelsesformen

En højere sendeeffekt kan give et stærkere signal hos modtageren, men den ændrer ikke grundlæggende den vej, radiobølgen følger.

En bakke forsvinder ikke, fordi senderen får flere watt, og Jordens krumning bliver heller ikke mindre.

Derfor kan forbedret antenneplacering eller en repeater ofte give langt større effekt på den praktiske rækkevidde end blot at øge sendeeffekten.

Sådan påvirker omgivelserne radiobølger

Radiobølger forklarer, hvorfor radio ikke har én fast rækkevidde

Når man forstår radiobølgers udbredelse, bliver det også lettere at forstå, hvorfor det er vanskeligt at sætte et enkelt kilometertal på en radio.

Den samme håndradio kan fungere fremragende over lang afstand fra bakketop til bakketop og meget dårligere over en langt kortere afstand mellem store bygninger.

Det skyldes ikke, at radioen pludselig er blevet dårligere.

Det skyldes, at radiosignalet bevæger sig gennem helt forskellige omgivelser.

Radiokommunikation begynder med fysikken

Uanset om vi taler om en PMR446-radio, jagtradio, CB-radio, amatørradio, mobiltelefon eller satellitforbindelse, bygger kommunikationen på de samme grundlæggende fysiske principper.

Elektrisk energi bliver til elektromagnetiske bølger. Bølgerne bevæger sig gennem omgivelserne, påvirkes undervejs og opfanges til sidst af en anden antenne.

Forskellige frekvenser og systemer udnytter disse egenskaber på forskellige måder.

Og netop derfor er forståelsen af radiobølger et af de vigtigste fundamenter for at forstå hvordan radiokommunikation virker i praksis.