Ausbreitung von Funkwellen

Im Kapitel GRUNDLAGEN/THEORIE haben wir gelernt, das sich Funkwellen wie Wellen im Wasser verhalten. Ebenso kamen optische Wellen (das Licht) zur Sprache, welche eigentlich auch nur Funkwellen mit extrem hohen Frequenzen sind.

Hier wollen wir untersuchen, auf welchen Wegen sich Funkwellen im Kurzwellen- und UKW-Bereich ausbreiten können.

Kurzwellen
Kurzwellen überbrücken auf zwei verschiedenen Wegen die Distanz zwischen Sender und Empfänger:

a) Bodenwellen werden gradlinig vom Sender abgestrahlt d.h. sie breiten sich entlang der Erdoberfläche aus. Dabei werden die Wellen von der Erdoberfläche selbst beeinflusst. Man spricht hier von Dämpfung. Diese hat direkte Auswirkungen auf die Feldstärke einer Funkwelle beim Empfänger.

Kurzwellen reichen über den sichtbaren Horizont hinaus und können zwischen 20 (bei 28 MHz) und 150 km (bei 3,5 MHz) überbrücken. Außerdem sind Bodenwellen unabhängig von Tages- und Jahreszeiten und ermöglichen so zu jedem Zeitpunkt eine qualitativ sehr gute Verbindung zum Funkpartner.

b) Raumwellen sind für den Funkbetrieb auf Kurzwelle jedoch wesentlich interessanter. Man versteht darunter diejenigen Wellen, welche von einer Sendeantenne schräg in den Himmel abgestrahlt werden.

Wie wir alle in der Schule gelernt haben, wird die Erde von der sogenannten Athmosphäre umgeben. Diese besteht aus mehreren unterschiedlich dicken Luftschichten, und wird auch Ionosphäre genannt.

Wichtig für Funkwellen sind die D-Schicht (60-100 km Höhe), die E-Schicht (100-150 km Höhe) und die F-Schichten (zwischen 170 und 400 km Höhe). Vor allem die letztgenannten sorgen dafür, das von unten schräg einfallende Funkwellen reflektiert und zur Erde zurückgestrahlt werden, vergleichbar mit einem Spiegel, welcher beispielsweise das Licht einer Taschenlampe auf eine gegenüberliegende Wand zurückwirft.

Funkwellen zwischen 10 und 30 MHz werden nun von diesen Schichten (speziell den F-Schichten) reflektiert und wieder zur Erde zurück "geworfen". Vielfach werden die Wellen von der Erdoberfläche selbst wieder in den Raum gestrahlt, so dass mehrere sogenannte "Sprünge" entstehen.

Die Fähigkeit der Luftschichten zur Reflexion von Funkwellen entstehen durch eine ständige Aufladung mittels Sonneneinstrahlung. Man nennt diesen Effekt "Ionisation". Da sich die Erde selbst um ihre eigene Achse dreht und zudem noch in einer großen Ellipse um die Sonne fliegt entstehen die uns sehr bekannten Tages- und Jahreszeiten. Folglich werden die Luftschichten mal mehr und mal weniger stark durch die Strahlen der Sonnen aufgeladen. Die Stärke der Sonnenstrahlen selbst fällt und steigt zudem noch einem 11 Jahre dauernden Rhythmus, welcher am besten durch die Zahl der Sonnenflecken beobachtet werden kann.

Die oben angeführten Bedingungen führen nun dazu, daß eine Verbindung zu weit entfernten Stationen nicht zu jeder Tageszeit auf jeder Frequenz möglich ist. Speziell die Frequenzen zwischen 20 und 30 MHz (z.B. 10 Meter Amateurfunkband und 11-Meter CB-Funkband) sind sehr stark von den Vorgängen auf der Sonnenoberfläche abhängig und somit stets nur in Jahren großer Sonnenaktivitäten für Fernfunkverkehr zu gebrauchen.

Aufgrund von Sonnenbeobachtungen können die Grenzfrequenzen LUF (Lowest Usable Frequency) und MUF (Maximum Usable Frequency) bestimmt werden. Zwischen LUF und MUF befindet sich der Frequenzbereich, welcher am besten geeignet ist, eine Fernverbindung herzustellen. In Jahren maximaler Sonnenaktivität steigt die MUF auf 35 MHz und ermöglicht Funkverkehr rund um die Welt im CB-Funk und auf allen Amateurfunkbändern. In Jahren geringer Sonnenaktivität liegt die MUF meist um 15 MHz herum. Frequenzen oberhalb de MUF sind für den Zuhörer praktisch "tot" und nur für lokale Funkgespräche (per Bodenwelle) nutzbar.

Charakteristisch für Funkgespräche über Raumwellen ist das Auftreten einer oder mehrere "Toter Zonen". Darunter versteht man den Bereich, in welchem Bodenwellen nicht mehr und Raumwellen noch nicht empfangbar sind. Weitere Tote Zonen entstehen zwischen den Auftreffpunkten der Raumwellen. In einer solchen Toten Zone kann das Signal der sendenden Funkstation nicht empfangen werden, selbst wenn diese (wie im 10-Meterband oft zu beobachten) nur wenige Kilometer vom Empfänger entfernt ist.

Ein besonderer Effekt der Raumwellenausbreitung betrifft den Frequenzbereich zwischen 25 und 60 MHz, ist jedoch aber auf für UKW-Funk durchaus interessant. Dieser wird "Short Skip" (in etwa: "Kurzer Sprung") genannt. Hierbei werden die Funkwellen nicht erst an den F-Schichten der Ionosphäre, sondern an sporadisch auftretenden E-Schichten reflektiert. Das Resultat sind Sprünge der Funkwellen im Bereich bis 1.000 km Entfernung um den Sender. Praktisch sieht das in etwa so aus: Normalerweise erreicht man im 10-Meterband der Funkamateure zur Zeiten großer Sonnenaktivitäten viele Länder jenseits des Atlantiks. Unter "Short Skip" Bedingungen werden plötzlich Funkverbindungen im europäischen Raum (z.B. von Nord- nach Süddeutschland, oder von Deutschland nach England) ermöglicht, welche normalerweise in eine Tote Zonen fallen würden.

Ultrakurzwellen
Frequenzen ab ca. 30 MHz aufwärts werden im Regelfall nur die zuvor beschriebenen Bodenwellen ausnutzen. Die selbstverständlich auch vorhandenen Raumwellen werden von den atmosphärischen Luftschichten nicht mehr reflektiert und entweichen nahezu ungehindert in den Weltraum. Das diese dort aber nicht verloren gehen, zeigt diese Kapitel weiter unten.
Bodenwellen breiten sich, wie schon gehört, quasi-optisch aus, das bedeutet eine gradlinige Ausbreitung der Wellen bis zum Horizont und darüber hinaus. Alle Stationen die vom Sender aus gesehen hinter dem Horizont liegen, dürften folglich dessen Signale nicht mehr empfangen könne. Trotzdem sind auf UKW-Frequenzen Entfernungen von 1.000 bis 1.500 km durchaus überbrückbar.

Dies wird durch mehrere Effekte möglich. Zum einen "krümmen" sich Funkwellen bei einer quasi-optischen Verbindung hinter den Horizont und reichen theoretisch ca. 25% weiter, als die Entfernung vom Sender zum Horizont beträgt.

Eine weitere Ursache für die oben genannten Reichweiten sind sogenannte "Inversions-Wetterlagen". Niedrige Luftschichten der uns umgebenden Atmosphäre werden im Regelfall mit zunehmender Entfernung vom Erdboden immer kühler, wobei der Temperaturübergang fließend ist. Sollte dieser übergang jedoch einmal sehr scharf abgegrenzt sein (eine Luftschicht mit 5C grenzt an eine Luftschicht mit 10C) werden die Funkwellen an dieser Grenzstelle zum Erdboden reflektiert.

Die Stärke der Inversion hängt vom Temperaturunterscheid der angrenzenden Schichten ab. Wenn zum Beispiel die Luft unterhalb einer Wolkenbank 10C warm ist und die Luft überhalb dieser Bank 15C durch die direkte Sonnenwärme auf 15C aufgeheizt wurde, sind dies ideale Bedingungen für den Weitverkehrsfunk auf UKW.

Für den Fall das sich eine kalte Luftschicht zwischen zwei sehr warmen und feuchten Luftschichten befindet, spricht man von einem Kanal bzw. einem "Duct". Die Funkwellen verbleiben sehr lange innerhalb dieses Kanals, weil sie immer wieder zwischen den umgebenden Luftschichten hin und her gebrochen werden. Im 2-Meterband der Funkamateure können durch solch einen "Duct" maximal Reichweiten bis 1.500 km überwunden werden.

Turbulenzen der Luft sind für Flugzeuge und deren Passagiere äußerst unangenehm. Für Funkamateure jedoch bieten sie eine dritte Möglichkeit, weite Entfernungen zu überbrücken. Man spricht hier von sogenannten "Scattern". Die Funkwellen werden direkt an diesen Turbulenzen reflektiert und zur Erde gestrahlt. Liegt eine solche Turbulenz knapp über dem sichtbaren Horizont, sind sehr große Entfernungen zwischen Sender und Empfänger möglich. Weitere Störungen der Luftschichten, welche ebenfalls für Weitverkehrsverbindungen verantwortlich sein können, sind z.B. Regenschauer oder "schwere" Gewitterwolken, welche speziell im Bereich ab 1.000 MHz (1 GHz) für Reflexion sorgen können (Regen-Scatter).

Finden die vorgenannten Erscheinungen in großer Höhe, das heißt in der Troposphäre (5 bis 10 km Höhe) statt, spricht man von Tropo-Scatter. Die weiter oben angesprochenen sporadisch auftretenden E-Schichten gehen meist einher mit Tropo-Scatter.

Mit zunehmender Höhe findet man einen weiteren Effekt, welcher zuweilen auch unter Nichtfunkern großes Aufsehen erregt. Wir sprechen hier von Spuren oder "Schweifen", welche Meteore hinterlassen, wenn diese durch unsere Erdatmosphäre fliegen. Diese Spuren bestehen aus Staubteilchen, welche der Meteor beim Durchflug verliert und welche durch die Luftschichten elektrisch aufgeladen werden (Ionisation).

Funkamateure benutzen die Meteorschweife besonders in Zeiten großer Meteoriten-Schauer (Leoniden, Perseiden) zur Reflexion ihrer Funksignale, welche kurz mit "MS" (Meteo-Scatter) bezeichnet werden.

Die kurze Lebensdauer der durch einen Meteor erzeugten Spur bedingt die Verwendung von Morsezeichen mit einer Geschwindigkeit zwischen 250 und 1.000 Buchstaben pro Minute.

Die Letzte der Möglichkeiten, wie ein Sender eine Reichweitenerhöhung im UKW Bereich erreichen kann wird "Aurora" genannt, eine nordlichtähnliche Erscheinung am Abend- oder Nachthimmel. Hierbei wird die Atmosphäre derart stark aufgeladen (ionisiert) das sie zu leuchten anfängt und hierbei auch Funkwellen reflektieren kann.

Der fernste Reflektor für Funkwellen ist jedoch der Mond. Hierbei werden die vorhin erwähnten "fast nutzlosen" Raumwellen wieder benötigt. Mittels einer hohen Sendeleistung und großen Antennen-Anlagen ist es möglich, den Mond als direkten Reflektor einzusetzen. Man kann dies durchaus einem Billardspiel gleichsetzen, in dem "über Bande" gespielt wird. Man spricht hier vom "Erd-Mond-Erde" Verkehr oder auch kurz von EME.

Zwischen dem Mond und der Erde befinden sich eine Unzahl von Satelliten. Einige davon wurden von Funkamateuren gebaut und durch Raketen oder Flüge des Spaceshuttle in die Erdumlaufbahn befördert. Die Raumwellen der UKW-Frequenzen sind hier hilfreich, um Verbindung mit diesen Satelliten zu erhalten.

Fading
Unter Fading oder zu Deutsch "Schwund" versteht man ein Abschwächen oder Verzerren einer Funkwelle. Schwund entsteht unter anderem durch die durchquerten Luftschichten oder der Reflexion an einem Hindernis wie Berge, Häuser oder auch Bäumen. Durch Fading "entstellte" Signale erkennt man meist an einer Verzerrung von Sprache oder Morsezeichen.
Reflexionen von UKW Funkwellen kommen zum Beispiel verstärkt beim Betrieb eines Funkgerätes während einer Autofahrt zum Tragen. Das empfangene Signal schwankt hierbei unter Umständen sehr stark und führt mehr oder weniger Rauschen mit sich.

Unter bestimmten Bedingungen kann es sogar passieren, das reflektierte Signale auf zwei oder mehr Wegen beim Empfänger mit minimalem Zeitunterschied eintreffen. In diesem Fall spricht man von Interferenzen, welche oft durch eine Veränderung der Antenen-Ausrichtung oder Verlagerung des Sender-Standortes unterbunden werden können.