Informations- und Kommunikationstechnik

Elektromagnetische Wellen

Unter diesem Titel wird die prinzipielle Eigenschaft einer elektromagnetische Wellen beschrieben, die sich bei ausreichend hoher Frequenz drahtlos im freien Raum ausbreiten kann. Es gibt Hinweise zur Abstrahlung des elektromagnetischen Feldes und der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen. Wird eine ausreichend hohe Trägerfrequenz mit niederfrequenten Informationen moduliert und über eine Antenne abgestrahlt, so kann sie an weit entfernten Orten wieder empfangen und demoduliert werden. Zur Veranschaulichung kann die Wasserwelle dienen, die sich kreisförmig vom Erregungspunkt hin ausbreitet. An entfernten Orten treffen diese Wellen wieder auf ein Ufer, wo sie besonders gut beobachtbar sind. Zum Senden und Empfangen elektromagnetischer Wellen kommen Antennen zum Einsatz. Eine Sendeantenne gibt zugeführte Energie in Form elektromagnetischer Strahlung in den Raum ab. Eine Empfangsantenne entnimmt Anteile der elektromagnetischen Welle aus dem Raum. Ohne zusätzliche Elektronik sind Antennen reziprok, da die gleiche Antenne sowohl zum Senden als auch zum Empfangen nutzbar ist.

Eine Welle wird durch mehrere Eigenschaften beschrieben. Die Wellenlänge λ ist definiert als der kleinste Abstand zweier Punkte auf der Welle, die sich im gleichen Zustand befinden. Markante Punkte sind zwei aufeinanderfolgende Wellenkämme oder Wellentäler. Die Häufigkeit der Wellenbewegungen oder die Anzahl der Wellenlängen bezogen auf die Zeiteinheit einer Sekunde wird als Schwingungsfrequenz f bezeichnet. Weiterhin kann die Ausbreitungs- oder Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Wellenzuges vom Entstehungsort her bestimmt werden. Theoretisch breiten sich elektromagnetische Wellen im freien Raum mit Lichtgeschwindigkeit aus. Für die Wellenlänge besteht somit der Zusammenhang: λ = co / f mit der Lichtgeschwindigkeit co = 2,998·108 m/s

Eine Sendeantenne strahlt elektromagnetische Wellen in einem eng begrenzten Frequenzbereich ab. Sie verhält sich somit wie ein geschlossener LC-Schwingkreis bei Resonanzfrequenz. Zieht man gedanklich die Kondensatorplatten des Schwingkreises so weit auseinander, dass sie sich an beiden Spulenenden gegenüber stehen, so entsteht ein offener Schwingkreis. Für sehr hohe Frequenzen lassen sich die Kondensatorplatten auf die Leiterendpunkte reduzieren. Die Spule kann als gestreckter Leiter interpretiert werden. Aus dem geschlossenen Schwingkreis ist eine Dipolantenne entstanden. Sie kann als nunmehr offener Schwingkreis die ihr zugeführte elektromagnetische Energie ihrer Resonanzfrequenz abstrahlen.

offener Schwingkreis

Der im Bild dargestellte HF-Generator führt dem Schwingkreis zeitabhängig magnetische Feldenergie zu. Das sich ändernde Magnetfeld induziert im Leiter einen Strom, der den Kondensator auflädt. So wie sich das Magnetfeld verringert, baut sich das elektrische Feld im Kondensator auf. Beide Felder bedingen einander und ihre Feldrichtungen stehen zueinander senkrecht. Eine animierte Darstellung der elektromagnetischen Vorgänge ist im Kapitel zum elektrischen Schwingkreis zu finden.

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Abstrahlung des elektromagnetischen Feldes

Mit dem Verhalten des elektromagnetischen Feldes kann das Abstrahlen von Feldenergie von der Antenne in den freien Raum erklärt werden. Nach dem Bild oben führt der HF-Generator dem Schwingkreis Energie. Um den Leiter (L) baut sich ein Magnetfeld auf. Wird der Generator abgeschaltet, so bricht auch das Feld zusammen und die Feldenergie geht in den Leiter zurück. Das Magnetfeld baut sich innerhalb einer bestimmten Zeit ab, wobei im Leiter Strom fließt, der an den Leiterenden eine Spannung erzeugt. Der Leiter besitzt jetzt ein elektrisches Feld. Bleibt der Generator abgeschaltet, wiederholt sich auf dem offenen Schwingkreis dieser Vorgang in umgekehrter Richtung als gedämpfte Schwingung. Die Energie wird in Wärme umgewandelt.

Führt der HF-Generator kontinuierlich Energie mit der Resonanzfrequenz zu, so zwingt er den Schwingkreis einen gegenläufigen Strom auf. Die anfängliche Feldenergie kann nicht in den Leiter zurückkehren und strahlt ab. Die sich vom Leiter ablösenden elektrischen Feldlinien sind von magnetischen Feldlinien umschlossen. Sie generieren ihrerseits neue elektrische Feldlinien. Die Welle breitet sich aus und entfernt sich mit Lichtgeschwindigkeit in den Raum.

Auf die abgestrahlte elektromagnetische Welle kann nicht mehr die gleiche Modellbeschreibung wie beim Schwingkreis angewendet werden. Die Feldlinien des elektrischen Feldes am Dipol und in seinem Nahfeld haben einen Anfang und ein Ende. Im dynamischen, abgestrahlten elektromagnetischen Feld sind die elektrischen Feldlinien wie auch die magnetischen Feldlinien in sich geschlossen und bilden ein Wirbelfeld. Während beim Schwingkreis und im Nahfeld des Dipols zwischen dem elektrischen und magnetischen Feld eine Phasenverschiebung von 90° besteht, sind im Fernfeld die beiden Feldkomponenten in Phase. Der Übergang vom Nah- zum Fernfeld einer Antenne ist von der Länge des aktiven Dipols bestimmt. Generell befindet man sich im Abstand von 4·λ im Fernfeld des Strahlers. Die Ausdehnung des Nahfelds jeder aktiven Antenne ist durch λ / 2·π bestimmt. Das Verhalten der elektromagnetischen Felder im Raum wird durch die Maxwellschen Gleichungen beschrieben. Sie anzuwenden setzt das Verstehen der Vektormathematik und den Umgang mit Mehrfachintegralen voraus und wird hier nicht weiter behandelt.

Für die Sendefrequenz von 50 MHz, das entspricht der Wellenlänge λ = 6 m befindet man sich ab der Entfernung von 24 m im Fernfeld der Antenne. Das Strahlungsfeld einer beliebigen Antenne lässt sich in ausreichend großer Entfernung vom Zentrum der Antenne immer durch einen elektrischen Vektor (E) und einem magnetischen Vektor (H) darstellen. Die beiden stehen senkrecht aufeinander und ihrerseits senkrecht auf einem Radiusvektor (r0), der vom Antennenzentrum weg zeigt. Die drei Vektoren bilden in der Reihenfolge E, H, r0 ein Rechtssystem. Im Fernfeld sind dabei E und H phasengleich und durch die mathematische Beziehung E = Z0 · H verbunden, wobei Z0 der Feldwiderstand des freien Raumes ist.

Die Grafik zeigt modellhaft die Amplitudenverhältnisse der elektromagnetischen Welle im Fernfeld einer Sendeantenne. Die Ausbreitungsrichtung der Welle im freien Raum verläuft senkrecht zu den Feldstärkevektoren. Die Energieübertragung in Ausbreitungsrichtung wird durch den Poyntingschen Vektor (S) beschrieben. Er steht senkrecht auf dem E- und H-Feld und gibt die Energiemenge an, die pro Sekunde durch eine senkrecht zur Ausbreitungsrichtung stehende Fläche von 1 m² strömt.

Feldvektoren im Achsensystem

Ebene Wellen

Von einer punktförmig gedachten Antenne breiten sich die elektromagnetischen Wellen gleichmäßig kugelförmig in alle Richtungen des freien Raumes aus. An einem von der Strahlungsquelle weit genug entfernten Empfangsort kann die Wellenfront als linear und eben angesehen werden. Innerhalb einer halben Schwingungsperiode kehrt sich die Richtung der elektrischen und der magnetischen Feldlinien um 180° um. Die Ausbreitungsrichtung bleibt unverändert senkrecht zur Wellenfront.

Leistungsdichte, Formel und Werte

Mit zunehmender Entfernung von der Sendeantenne wird das zu empfangene Signal schwächer. Im freien Raum nimmt die Sendefeldstärke linear mit der Entfernung ab. Die Felddichte, auch Leistungsdichte nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab. Da die magnetische und elektrische Feldstärke direkt voneinander abhängig ist, genügt bei ebenen Wellen die Bestimmung der elektrischen Feldstärke. Sie ist als Spannung definiert, die man an der Wellenfront entlang einer Feldlinie für eine bestimmte Strecke ermittelt. Die Einheit der elektrischen Feldstärke wird in V / m angegeben.

Polarisation der elektromagnetischen Wellen

Die Ausrichtung der elektrischen Feldkomponente bestimmt die Polarisation der Welle. Steht der Antennendipol parallel und somit horizontal zur Erdoberfläche, dann verlaufen auch die elektrischen Feldlinien in horizontaler Richtung. Das Antennensignal ist linear horizontal polarisiert. Im Kurzwellenbereich wischen 3 ... 30 MHz wird überwiegend die horizontale Polarisation eingesetzt.

Das elektrische Feld eines senkrecht zur Erdoberfläche aufgestellten Dipols ist senkrecht und folglich vertikal orientiert. Dieses Antennensignal ist linear vertikal polarisiert. Diese Polarisationsart ist im Bild oben dargestellt. Langwellensender zwischen 30 kHz ... 300 kHz und Mittelwellensender im Bereich 300 kHz ... 3 MHz arbeiten meistens mit vertikaler Polarisation.

Eine zirkulare Polarisation entsteht bei Verwendung einer Kreuzdipolantenne. Zwei gleiche Dipolantennen, eine in horizontaler, die andere in vertikaler Ausrichtung strahlen ein gleich starkes Signal ab. Der Betrag des elektrischen Feldstärkevektors ist konstant. Er rotiert spiralförmig um den Poyntingschen Vektor, und benötigt für jeden Umlauf eine Wellenlänge.

Die Polarisationsrichtung ist keine feste Größe. Sie wird durch Hindernisse im Ausbreitungsweg und durch Beugungen und Reflexionen an Ionosphärenschichten der oberen Atmosphäre mehrfach beeinflusst.

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Ausbreitung elektromagnetischer Wellen

Boden- oder Oberflächenwelle

Stehen die Sende- und Empfangsantenne auf der Erde, so sind zwei Ausbreitungswege von besonderem Interesse. Im erdnahen Bereich der Troposphäre zwischen 0 ... 12 km Höhe breitet sich das Antennensignal als Bodenwelle aus. Sie folgt dabei der Oberflächenstruktur der Erde und ist verschiedenen absorbierenden Einflüssen ausgesetzt. Die Dämpfung ändert sich mit der elektrischen Leitfähigkeit der Erdoberfläche. Die Reichweite der Bodenwelle ist über Feuchtgebieten und Wasserflächen größer, da dort die Leitfähigkeit im Vergleich zum normalen Erdboden und Gestein besser ist. Die Absorption ist zudem von der Sendefrequenz abhängig, wobei höhere Frequenzen viel stärker gedämpft werden.

Für den Empfang von Langwellensendern ist die Bodenwelle von größter Bedeutung, wobei Reichweiten über 1000 km beobachtet werden. Bei Mittelwellensendern kann für die Bodenwelle mit einer durchschnittlichen Reichweite von 250 km gerechnet werden. Für den Kurzwellenempfang haben Oberflächenwellen eine untergeordnete Bedeutung. Die Reichweite im 80-m-Band liegt bei 100 km und im 15-m-Band sind es weniger als 20 km.

Reichweiten der Bodenwellen

Raumwelle

Die Anteile der elektromagnetischen Strahlung, die aufgrund des Abstrahlwinkels in den freien Raum abwandern und durch Dämpfung oder Krümmung des Erdbodens nicht beeinflusst werden, bezeichnet man als Raumwelle. Ihre Ausbreitung ist mit einem Lichtstrahl vergleichbar. Die Raumwelle kann an der Ionosphäre, einem Höhenbereich zwischen 80 km bis 800 km, zur Erde zurückreflektiert werden. Die Ionosphärenschichten sind nicht einheitlich und erhalten abhängig von der Sonnen- und Höhenstrahlung unterschiedliche Eigenschaften. Das Zurückwerfen der elektromagnetischen Strahlung durch die Schichten in der Ionosphäre beruht eher auf einer Brechung und nicht so sehr auf Reflexion wie an einem Spiegel. Periodisch auftretende Sonnenaktivitäten verursachen mit den Partikeln des Sonnenwindes ein Zusammenbrechen einiger Ionosphärenschichten und verhindern so immer wieder für einige Frequenzbänder den Funkverkehr.

Schema zur Ionosphärenschichtung

Die D- und E-Schichten sind tagsüber vorhanden und bauen sich nach Sonnenuntergang ab. Die D-Schicht reflektiert LW-Signale und absorbiert KW-Signale. MW-Signale werden von beiden absorbiert, daher ist am Tage wenig Fernempfang möglich. Die E-Schicht kann KW-Sendesignale reflektieren. Die F1-Schicht ist ebenfalls nur tagsüber aktiv und ihr Verhalten gleicht dem der D-Schicht.

Die F2-Schicht besteht dauerhaft über 24 h und ist für den Fernempfang bei KW-Sender von großer Bedeutung. Die Schicht ist in sich nicht homogen, wodurch die Übertragungsqualitäten sehr unterschiedlich ausfallen. Je nach Einstrahlwinkel ergeben sich unterschiedliche Brechungen und die zurückgestrahlte Welle trifft die Erdoberfläche näher oder weiter entfernt. Die im Kurzwellenamateurfunk üblichen Empfangsbestätigungen beweisen die Möglichkeit der Mehrfachreflexion zwischen Erde und F2-Schicht, wodurch sehr weite Entfernungen überbrückt werden können.

Eine Besonderheit ist die Gleitwelle, die durch eine Vielfachbrechung innerhalb der F2-Schicht erst nach einer sehr weiten Strecke wieder zur Erde zurückgelangt. Der Bereich zwischen der Reichweite der Bodenwelle und dem Wiederempfang des Senders über die erste reflektierte Raumwelle wird tote Zone genannt. Die Entfernung wird als Sprungdistanz bezeichnet. Sie ist abhängig von der Sendefrequenz, dem Abstrahlwinkel, der Tages- und Jahreszeit. Mit der F2-Schicht kann tagsüber eine maximale Sprungdistanz von 4000 km und für die E-Schicht bis 2000 km erreicht werden. Für jeden Einstrahlwinkel kann eine kritische Frequenz ermittelt werden, oberhalb der keine Beugung mehr erfolgt. Die Welle durchdringt die Ionosphärenschichten und strahlt in den freien Raum ab.

Direkte Welle

Noch höhere Funkfrequenzen im VHF- und UKW-Bereich zwischen 30 MHz ... 300 MHz und darüber im UHF-Bereich mit 300 MHz bis 3 GHz breiten sich quasioptisch wie das Licht einer Lichtquelle aus. Ein Empfang ist nur innerhalb der theoretischen Sichtweite der Sendeantenne möglich. Direkt hinter Bergrücken oder in tieferen Tallagen gibt es ohne besondere Vorkehrungen durch Umsetzantennen kein Empfang. Eine Brechung oder Reflexion der Raumwelle an Ionosphärenschichten findet mit zunehmender Frequenz nicht mehr statt, sie geht hindurch. Beugungsvorgänge in der Troposphäre verschieben den Radiohorizont über den optischen Horizont hinaus. Die Totzone, in der kein Empfang mehr möglich ist, beginnt weiter entfernt. Sehr selten kommt es zu Überreichweiten im VHF- und UKW-Empfang Sie werden von erdnahen stabilen meteorologischen Temperatur- und Feuchtigkeitsverteilungen, den Inversionsschichten hervorgerufen.

Darstellung des Radiohorizonts

Von einer punktförmig gedachten Quelle erfolgt die ungestörte Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle geradlinig. Die Energie erfüllt einen kugelförmigen Raum. Tatsächlich ist dieser Idealfall vielen Einflüssen ausgesetzt, die sich meistens als Störungen bemerkbar machen.

Reflexionen

Elektrisch leitfähige Flächen wirken auf elektromagnetische Wellen wie ein Spiegel. Es gelten die physikalischen Gesetze der Reflexion, wobei Einfall- und Ausfallwinkel gleich sind.

Brechungen

Brechungseffekte treten immer dann auf, wenn sich die Welle durch Medien unterschiedlicher Dichte ausbreitet. In der Atmosphäre bewirken verschieden warme Luftschichtungen oder feuchte und trockene Luftmassengrenzen eine Brechung. Abgegrenzte Ladungsverteilungen, die durch UV-Einstrahlungen sowie Anregungen durch Elektronen- und Ionenbeschuss aus dem Weltraum in den Ionosphärenschichten entstehen, erzeugen dünnere Medien mit einer besseren Leitfähigkeit oder dichtere Medien mit schlechterer Leitfähigkeit. Die Brechung erfolgt immer in Richtung des dichteren Mediums.

Absorptionen

Alle Medien, an denen elektromagnetische Wellen weder reflektiert noch gebrochen werden, können diese mehr oder weniger stark absorbieren. Das können Berge, schlecht leitendes, trockenes Erdreich und Mauerwerk sein. Dichte Wolken, Regen, Schnee und Nebel absorbieren beim direkten Auftreffen der Welle ebenfalls viel Energie.

Abschattungen

Befinden sich reflektierende oder absorbierende Hindernisse im Ausbreitungsweg der Welle, so bildet sich dahinter eine Schattenzone, wenn die Wellenlänge klein gegenüber der Ausdehnung des Körpers ist. Kleinere Hindernisse werden von der Wellenfront umlaufen, wobei sich der geradlinige Frontverlauf nur kurzzeitig etwas verformt.

Beugungen

An Gittern, Spalten und Kanten werden elektromagnetische Wellen gebeugt. Sie verhalten sich somit wie Wasserwellen und Lichtwellen. Treffen die Direktwelle und ihre gebeugten Anteile aufeinander oder kommt es an Gittern zur Mehrfachbeugung, so entstehen Interferenzen. Sie machen sich oftmals als Schwundstörungen bemerkbar.

Schwunderscheinungen

Die englische Bezeichnung ist Fading und charakterisiert ausbreitungsbedingte zeitliche Schwankungen der Empfangsfeldstärke zwischen der Sende- und Empfangsstation. Das Fading beruht auf Interferenzen zwischen Wellen, die auf unterschiedlichen Wegen zum Empfänger gelangen. Im Mehrwegeschwund überlagert sich zum Beispiel die Bodenwelle mit Anteilen der Raumwelle. Zum Absorptions- und Dämpfungsschwund kommt es bei einer unterschiedlichen Dämpfung der Raumwelle in den Beugungsschichten. Wird die Polarisationsebene von der Schicht beeinflusst, so tritt bei der Raumwelle ein Polarisationsschwund auf. Wellen höherer Frequenzen mit quasioptischer Ausbreitung sind vom Beugungsschwund betroffen. Er entsteht bei der Interferenz der Direktwelle mit ihren Brechungswellen infolge einer inhomogenen Troposphäre.

Ein langsam ablaufendes Fading mit einer Periodizität über 2 Sekunden regelt ein gutes Empfangsgerät aus, solange das Signal-Rausch-Verhalten ausreichend groß ist. Flackerfading im VHF- und UKW-Bereich kann durch sich schnell bewegende Objekte wie Autos oder Flugzeuge zwischen Sender und Empfänger ausgelöst werden.