Wellenausbreitung

In diesem Abschnitt wollen wir Euch, dass Thema „Frequenzen und Wellenausbreitung“ ein wenig näher bringen. Die Erklärungen zum Thema Wellenausbreitung sind natürlich vereinfacht dargestellt. In der Fachliteratur und im Internet findet Ihr detailliertere Darstellungen. Eine Auswahl von Quellen bzw. Fachbüchern findet Ihr am Ende dieser Darstellung.

Die uns bekannten und für die drahtlose Kommunikation nutzbaren Frequenzbereiche sind international festgelegt. Wichtig bei der Betrachtung der jeweiligen Grenzen ist, dass sie physikalisch gesehen, keine exakten Grenzen sind. D.h., dass je nach Sonnenfleckenmaximum oder –minimum, nach Jahreszeit, etc. die Grenzen sich durchaus nach oben oder unten verschieben können.

Frequenzbereiche	Wellenbereich	Oder auch	Abkürzung	Engl. Bedeutung
3 –30 kHz	Myriameter	Längstwelle	VLF	very low frequency
30 –300 kHz	Kilometer	Langwelle	LF	low frequency
300 – 3000 kHz	Hektometer	Mittelwelle	MF	medium frequency
3 – 30 MHz	Dekameter	Kurzwelle	HF	high frequency
30 – 300 MHz	Meter	Ultrakurzwelle	VHF	hery high frequency
300 – 3000 MHz	Dezimeter		UHF	ultra high frequency
3 – 30 GHz	Zentimeter		SHF	super high frequency
30 – 300 GHz	Millimeter		EHF	extremely high frequency
300 – 3000 GHz	Dezimillimeter

Je nach Frequenzbereich ergeben sich z.T. deutlich unterschiedliche Ausbreitungseigenschaften und die unterschiedlichsten Nutzungsmöglichkeiten. Als ein Beispiel sei hier die Verwendung der Langwelle oder auch der Längstwelle genannt. Diese Wellen haben die Eigenschaft, dass sie in den Erdboden oder auch in Wasser eindringen können. Sie ermöglichen z.B. die Kommunikation mit getauchten U-Booten. Eine weitere sehr bekannte Nutzung von Langwellen ist die Übertragung der Zeitsignale für funkgesteuerte Uhren. Der Sender DCF 77 bei Frankfurt strahlt mit der Normalfrequenz 77,5 kHz die entsprechenden Signale ab. (Die Zeit selbst wird durch eine Atomuhr in der physikalisch technischen Bundesanstalt in Braunschweig gemessen.) Da Antennen in diesen Frequenzbereichen sehr lang sein können, macht sich diese Effekte zum Nutzen und gräbt diese Antennen in den Boden ein. Im Lang- oder Längstwellenbereich erzielt man darüber hinaus je nach Tages- und Nachtzeit extrem große Reichweiten mit der Bodenwelle. DCF 77 ist z.B. in einem Radius von etwa 2000 km um Frankfurt zu empfangen.

Elektromagnetische Wellen im Ultrakurzwellen-Bereich unterscheiden sich deutlich in ihren physikalischen Ausbreitungserscheinungen, gegenüber z.B. dem HF- oder auch Kurzwellen-Bereich. Von dort kennt man vor allem die Boden- und die Raumwellenausbreitung. Bodenwellen breiten sich entlang des Erdbodens aus und sind in erheblichem Maß von Bodenbeschaffenheit, Bewuchs, Bebauung und vor allem dem Geländeverlauf abhängig und erfahren dort eine entsprechende Dämpfung. Raumwellen breiten sich frei im Raum aus und werden vor allem an den verschiedenen Schichten der Ionosphäre reflektiert (E-Schicht, F1- und F2-Schicht) oder aber auch gedämpft. Die Ionosphäre breitet sich ungefähr über ein Band von 80 – 800 km über der Erdoberfläche aus. Dies ist in erheblichen Maß z.B. von der Sonnenfleckentätigkeit abhängig, die alle 11 ihren Höhepunkt erreicht. Die Ausprägung der Ionosphäre ist in erster Linie abhängig vom Maß der Ionisierung durch die Sonneneinstrahlung. Somit ist auch klar warum Tages- und Nachtzeit einen erheblichen Einfluss auf Funkverbindungen hat. Hinzu kommt noch die Sonnendrehung (28-Tage-Zyklus).

Die Sonne beeinflusst also im positiven Sinn die Übertragung im Kurzwellen-Bereich. Doch Vorsicht, es gibt auch Effekte die sehr unangenehm ausfallen können. Hier sei vor allem der Mögel-Dellinger-Effekt genannt. Starke Aktivitäten auf der Sonne führen dabei zu einer starken Störung des Erdmagnetfeldes und zu erheblichen Beeinträchtigung des Kurzwellenfunkverkehrs. Man kann diesen Effekt aber mittlerweile durch entsprechende Beobachtungen vorhersehen und sich entsprechend darauf einstellen.

Um dem Nutzer die Wahl der richtigen Frequenz zu erleichtern, werden Funkprognosen auf wissenschaftlicher Basis erstellt. Moderne HF-Funksysteme sind sogar in der Lage nach Eingabe entsprechender Parameter selbständig die günstigsten Frequenzen auszuwählen und stabile Funkverbindungen zu gewährleisten. Funkprognosen sind z.B. in Fachzeitschriften oder in der CQ DL des DARC zu finden und können einem die Wahl der Frequenz erleichtern. Darüber hinaus gibt es entsprechende Computerprogramme die Funkprognosen erstellen können.

In den Anfangszeiten der drahtlosen Kommunikation galten Ultrakurzwellen selbst unter Wissenschaftlern als völlig unbrauchbar. Der Mangel an Frequenzen im Langwelle- Mittelwellen- und Kurzwellenbereich erforderte jedoch das Ausweichen in diesen Bereich. Vor allem Funkamateuren ist es zu verdanken, dass man dann doch die Nutzbarkeit dieses Bereiches nachweisen können. Heute stellen die Ultrakurzwellen den wichtigsten Bereich in der drahtlosen Kommunikation dar. Vom Rundfunk über Richtfunk, Satellitenübertragungen bis zum RADAR-Einsatz finden in diesem Bereich vielfältige Anwendungen ihrem Raum. Zudem ist die Übertragung von Signalen mit großer Bandbreite leichter zu realisieren als z.B. im Kurzwellen-bereich.

Ultrakurzwellen haben ähnliche Ausbreitungserscheinungen wie das Licht. Genau wie Licht breiten sich Ultrakurzwellen nahezu gradlinig aus. Ebenso wie das Licht werden Ultrakurzwellen gebeugt oder reflektiert, z.B. an Felswänden oder großen Gebäuden. Eine Reflexion an der Ionosphäre, wie sie von der Kurzwelle her bekannt ist, gibt es hier grundsätzlich nicht. In seltenen Fällen und bei optimalen physikalischen Bedingungen treten jedoch vereinzelt auch Reflexionen der Ultrakurzwellen an atmosphärischen Schichten auf. Mit großem technischen Aufwand im Bezug auf Sendeleistung und Antennenanlage lassen sich sogar Reflexion am Mond erzielen. Bei den Funkamateuren spricht man von EME , Erde-Mond-Erde-Verbindungen. Weitere Formen der Reflexion (z.B. Scatter-Verbindungen) werden in der einschlägigen Literatur beschrieben.

Bei den Ultrakurzwellen spricht man von der sogenannten Freiraumausbreitung, die unter normalen physikalischen Rahmenbedingungen nur relativ kleine Reichweiten ermöglichen. In Abhängigkeit insbesondere von den Faktoren Frequenz, Gelände, Antenne und Antennenhöhe über NN lassen sich Reichweiten von etwa 10 bis maximal 150 Kilometern erzielen. Merke: Je höher der Standort, desto größer die Reichweite. Optimale Verbindungen ergeben sich immer dann, wenn zwischen Sender und Empfänger eine quasi optische Verbindung (Sichtverbindung) besteht. Es kann durchaus vorkommen, dass nahe zum Sender gelegene Empfangstationen diesen nicht oder nur schlecht aufnehmen können, während weiter entfernte Stationen ein optimales und gut lesbares Signal empfangen können, weil zwischen diesen Stationen und dem Sender eine Sichtverbindung besteht.

Einen Faktor sollte man gerade bei UHF-Verbindungen nicht außer Acht lassen, nämlich das Wetter.

Starker Regen, Schneefall oder auch dichter Nebel können UHF-Verbindungen negativ beeinflussen und die Reichweite einschränken. Selten und unter sehr günstigen physikalischen Bedingungen lassen sich aber auch sogenannte Überreichweiten von schon mal 1000 km erreichen.

Für PMR stehen im Frequenzbereich 446,0 MHz bis 446,1 MHz insgesamt 8 Frequenzen mit einem Kanalanstand von 12,5 kHz zur Verfügung. D.h. dieser Frequenzbereich liegt gemäß der obigen Tabelle im Dezimeter- oder auch UHF-Bereich.

Für SRD steht der Frequenzbereich von 433,050 MHz bis 434,790 MHz zur Verfügung. Er liegt genau wie bei PMR im Dezimeter- oder auch UHF-Bereich. Bei dem o.g. Frequenzbereich handelt es sich um ein sogenanntes ISM-Band. ISM steht für „Industrial Scientific and Medical“. D.h. Dieser Bereich ist in erster Linie für Hochfrequenzgeräte in Industrie, Wissenschaft und Medizin vorgesehen. Aufgrund ihrer internationalen Zuweisung können diese Frequenzen frei genutzt werden. Die Nutzung dieser Frequenzen unter Anwendung eines bestimmten technischen Standards ist nicht vorgeschrieben. Lediglich die maximale äquivalente Strahlungsleistung (ERP) ist auf 10 mW begrenzt. Ein Schutz vor Störungen in diesem Bereich besteht nicht. Betrachtet man den Bandplan für das 70-cm Amateurfunkband stellt man fest, dass wir uns mit SRD mitten in diesem Band befinden.

Definition ISM-Anwendung: Siehe auch Bundesgesetzblatt 2004 Frequenzbereichszuweisungsplanverodnung,

Wenn wir nun Euer Interesse geweckt haben, gibt es genügend Möglichkeiten dieses Thema zu vertiefen. Zum Abschluss nur soviel: Die Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen ist wissenschaftlich betrachtet, eine ausgesprochen komplizierte Materie.

„Amateurfunklehrgang für das Amateurfunkzeugnis Klasse 3“, Eckart K.W. Moltrecht/DJ4UF,

„Alles über den Jedermannfunk“, Dieter Görrisch, Verlag für Technik und Handwerk (VTH), Baden-Baden

„Ionosphäre und Wellenausbreitung“, Gerd Klawitter,3. überarbeitete Auflage 2000, Siebel-Verlag