Ausbreitung von Funkwellen mit unterschiedlicher

Ausbreitung von Funkwellen mit unterschiedlicher Frequenz
Elektromagnetische Wellen breiten sich je nach Frequenzbereich sowie abhängig von
topologischen und atmosphärischen Bedingungen unterschiedlich aus
Von Prof. Dr. Mintken
Nach den internationalen Vereinbarungen wird das gesamte Spektrum der für die Aussendung
elektromagnetischer Wellen geeigneten Frequenzen zwischen 3 kHz und 3000 GHz in 9
Frequenzbereiche aufgeteilt. Verbale Bezeichnungen für diese Bänder sind „Very Low
Frequency“ (VLF) bis „Extra High Frequency“ (EHF), wobei das oberste Band von 300 GHz
bis 3000 GHz noch ohne Benennung ist. Die elektromagnetischen Wellen breiten sich je nach
Frequenz unterschiedlich aus, sie sind daher auch in unterschiedlicher Form von
topologischen und atmosphärischen Bedingungen abhängig.
Ausbreitungsbedingungen in der Atmosphäre
In der Atmosphäre sind die Ausbreitungsbedingungen für Funkwellen örtlich und zeitlich
unterschiedlich. Dies wird durch die verschiedenen Schichten der Atmosphäre verursacht.
Auf die erdnahe Schicht Troposphäre folgen in Richtung Weltraum die Stratosphäre und 4
Ionosphärenschichten, die sich vor allem durch ihre Anzahl elektrisch geladener Teilchen
(Ionen und Elektronen) unterscheiden. Der „Ionisationsgrad“ der einzelnen Schichten
schwankt aufgrund des Einflusses der Sonneneinstrahlung örtlich, tageszeitlich und
jahreszeitlich sowie in Abhängigkeit von der 11-Jahres-Periode der Sonnenflecken.
Ergänzend zu den atmosphärischen Ausbreitungsbedingungen kommen als weitere
Einflussgrößen auf die Ausbreitung von Funkwellen Wettereinflüsse wie Nebel, Regen und
Schnee sowie die Luftfeuchtigkeit in der Troposphäre und die Leitfähigkeit des von
Funkwellen überquerten Teils des Erdbodens oder des überquerten Wassers hinzu.
Bodenwellen treten bei niedrigen Frequenzen auf
Die Funkwellen verhalten sich gegenüber den Ausbreitungsbedingungen in Abhängigkeit von
ihrer Frequenz unterschiedlich. Wellen mit niedrigen Frequenzen breiten sich vorwiegend als
Bodenwellen aus. Diese folgen weitgehend der Erdkrümmung, teils werden sie vom Erdboden
reflektiert und teils dringen sie in den Erdboden ein. Abschattungen der Funkwellen durch
Hindernisse wie Gebäude und Bäume können teilweise durch Beugungseffekte ausgeglichen
werden, Berge sind jedoch für Wellen mit sehr niedriger Frequenz ein nicht überwindbares
Hindernis. Je mehr Hindernisse, desto größer die Dämpfung der Wellen, wodurch die
Reichweite sinkt. Die Permittivität des Bodens für das elektrische Feld sowie die elektrische
Leitfähigkeit des Bodens beeinflussen die Bodenwellen ebenfalls. Die Permeabilität der
Medien für das magnetische Feld hat nur einen geringen Einfluss. Günstig für die Reichweite
sind eine hohe Permittivität für das elektrische Feld und eine hohe elektrische Leitfähigkeit,
wie sie beim Meerwasser im Vergleich zum Sandboden gegeben sind, sowie niedrige
Frequenzen.
Raumwellen ermöglichen weltweiten Funkverkehr
Bei Frequenzen ab 30 MHz treten die Funkwellen nur noch als Raumwellen auf, bereits ab 3
MHz dominieren die Raumwellen gegenüber den Bodenwellen. Die Raumwellen breiten sich
in der Troposphäre ähnlich wie das Licht aus. Die Reichweite dieses quasioptischen
Ausbreitungsverhaltens ist im Prinzip auf die Sichtweite begrenzt, Hindernisse können
teilweise durch Beugung und Streuung der Wellen überwunden werden, auch treten
Reflexionen und Brechungseffekte auf. Liegt die Funkfrequenz über 30 MHz, durchdringen
die Wellen die Ionosphäre und können als direkte Welle für den Funkverkehr mit Satelliten
genutzt werden. Im Frequenzbereich von 3 MHz bis 30 MHz werden die Funkwellen teils in
den verschiedenen Schichten der Ionosphäre gebrochen, teils an den unteren Schichtgrenzen
reflektiert. Reflexion und Brechung bewirken eine „Rückstrahlung“ zur Erde, deren
„Abstrahlwinkel“ an der Ionosphärenschicht sich ähnlich wie bei Lichtstrahlen aus dem
„Einstrahlwinkel“ ergibt. Auch an der Erdoberfläche findet wieder eine Reflexion in Richtung
Ionosphäre statt, so dass im Ergebnis eine „erdumspannende“ Funkverbindung möglich wird.
Diese Reflexionseffekte werden vom Kurzwellenrundfunk und von Funkamateuren genutzt.
Literatur- und Quellenhinweise
Bekanntmachung der Neufassung der Konstitution und der Konvention der Internationalen
Fernmeldeunion (ITU) v. 2001-10-08 (BGBl. II S. 1121)
DIN 1301-1: 2010-10: Einheiten: Einheitennamen, Einheitenzeichen
Autor:
Prof. Dr. Karl-Heinz Mintken VDI
Dipl.-Ing. Dipl.-Päd.
Freier Wissenschaftler
Cloppenburger Str. 458
26133 Oldenburg