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:

Formlen med lysets hastighed gælder vakuum og tilnærmelsesvis luft. Generelt er bølgelængden udbredelseshastigheden i mediet divideret med frekvensen. I eksempelvis koaksialkabel er hastigheden lavere, og bølgelængden kortere.

Ved cirka 150 MHz er bølgelængden i luft 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.

Læs også Antennegain forklaret – dBi og dBd om antennernes retningsvirkning.

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.

Også området omkring den direkte signalvej har betydning. Det beskrives med Fresnel-zoner: Forhindringer tæt på signalvejen kan påvirke modtagelsen, selv om antennerne kan ses fra hinanden. En højere placering kan skabe mere fri plads omkring radiovejen.

Læs mere i Hvorfor betyder antennens placering mere end sendeeffekten?

Jordens krumning påvirker den direkte signalvej

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 horisonten normalt. Atmosfærisk brydning gør dog radiohorisonten forskellig fra den geometriske, og diffraktion samt særlige udbredelsesforhold kan føre signaler længere. Horisonten er derfor ikke en absolut rækkeviddegrænse.

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.

Læs også VHF eller UHF – frekvensvalg i skov, by og åbent terræn.

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.

Atmosfæriske forhold kan også give usædvanligt lange VHF/UHF-forbindelser, eksempelvis ved ducting eller sporadisk E. Læs mere i Usædvanlige radiofænomener.

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

Materialer påvirker radiosignaler forskelligt. Armeret beton, stål, metalbelagt energiglas og foliebelagt isolering kan give betydelig dæmpning eller refleksion. Almindeligt glas og isolering uden metal skal ikke sidestilles med disse materialer.

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.

Overfladebølgens dæmpning afhænger også af jordens ledningsevne og andre elektriske egenskaber. Langdistanceudbredelse på VLF beskrives desuden ofte med bølgelederen mellem Jorden og ionosfæren. Den mekanisme skal skelnes fra en overfladebølge langs jorden.

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.

Læs også Radiostilhed – når HF-forbindelser pludselig forsvinder.

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

Polarisation beskriver det elektriske felts orientering og variation. Lineær polarisation kan eksempelvis være lodret eller vandret; der findes også cirkulær og elliptisk polarisation.

En almindelig lodret stavantenne udsender typisk et lodret polariseret signal. En passende lodret modtageantenne kan derfor modtage uden det store polarisationsmisforhold, som en vandret antenne kan give. Monteringsretning alene bestemmer dog ikke polarisationen for enhver antennetype.

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.

I idealiseret frit rum giver fordoblet afstand cirka 6 dB mindre modtaget effekt, når frekvens, sendeeffekt, antennegain og øvrige forhold holdes uændrede. I terræn og bygninger kan signalændringen være anderledes.

Læs også Sendeeffekt forklaret – hvorfor 10 W ikke giver dobbelt rækkevidde af 5 W.

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.

Kan radio virke uden fri sigt?

Ja. Diffraktion, refleksioner og særlige atmosfæriske forhold kan føre signaler frem uden direkte sigt. Resultatet afhænger af frekvens, antenner og omgivelser; på VHF/UHF er en friere signalvej ofte en fordel.

Giver lavere frekvens altid længere rækkevidde?

Nej. Lavere frekvens kan give fordel ved visse udbredelsesformer, men antenneeffektivitet, støj, båndbredde, terræn og modtagerforhold påvirker også resultatet.

Hvorfor hjælper det at flytte radioen lidt?

Direkte og reflekterede signaler kan kombinere sig forskelligt fra sted til sted. En lille flytning ændrer faseforholdene og kan mindske fading. Bekræft forbedringen med flere transmissioner.

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.