Informations- und Kommunikationstechnik

Elektromagnetische Wellen

Im weiteren Verlauf werden prinzipielle Eigenschaften elektromagnetischer Wellen beschrieben, die sich bei ausreichend hoher Frequenz drahtlos in den freien Raum ausbreiten können. 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. Ein Vergleich mit einer Wasserwelle kann zur Veranschaulichung dienen. Sie breitet sich kreisförmig vom Erregungspunkt hin aus und treffen an entfernten Orten auf ein Ufer, wo sie dann 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 verhalten sich Antennen reziprok, da die gleichwohl zum Senden als auch zum Empfangen nutzbar sind.

Eine Welle wird durch mehrere Eigenschaften beschrieben. Die Wellenlänge λ gibt den kleinsten Abstand zweier Punkte auf der Welle an, 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

Vom geschlossenen zum offenen Schwingkreis

Fließt ein sich periodisch ändernder Strom durch einen elektrischen Leiter, dann bildet sich ein magnetisches und elektrisches Feld aus, deren Kraftlinien senkrecht aufeinander stehen. Die Existenz des elektromagnetischen Felds ist vom Material und umliegenden Raum unabhängig und besteht folglich auch im Vakuum.

Ein geschlossener Schwingkreis ist in seiner einfachsten Form die Parallelschaltung eines Kondensators mit einer Spule. Wird der Kondensator mit elektrischer Energie aufgeladen, so generiert der Strom in der Spule magnetische Energie, die den Kondensator erneut mit elektrischer Energie umlädt. Beide Energiearten pendeln mit ihren Kraftfeldern wechselseitig zwischen den beiden Blindwiderständen. Eine Fernwirkung der Kraftlinien ist für den geschlossenen Schwingkreis gering.

offener Schwingkreis

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 Resonanzfrequenzen sind die Kondensatorplatten auf die Leiterendpunkte reduziert und die Spule kann als gestreckter Leiter interpretiert werden. Aus dem geschlossenen Schwingkreis ist eine Dipolantenne entstanden, die als jetzt offener Schwingkreis die zugeführte elektromagnetische Energie ihrer Resonanzfrequenz abstrahlt. Die beiden Feldkomponenten bleiben senkrecht zueinander ausgerichtet.

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. Im Kapitel zum elektrischen Schwingkreis ist eine animierte Darstellung der elektromagnetischen Vorgänge beschrieben.


Abstrahlung des elektromagnetischen Feldes

Der HF-Generator führt dem Dipol kontinuierlich Energie mit seiner Resonanzfrequenz zu. Beim Pendeln der Energie wird ein Feld aufgebaut und seine Kraftlinien breiten sich mit ihrer eigenen Geschwindigkeit um den Dipol aus. Beim Wechsel der Halbperioden erhält der Dipol die entgegengesetzt verlaufende Feldenergie, daher kann aufgrund der endlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit weiter entfernte Feldenergie nicht mehr in den Dipol zurückkehren. Dieser Feldanteil strahlt mit seiner Ausbreitungsgeschwindigkeit von den offenen Enden des Dipols in den Raum aus.

Im direkten Nahwirkungsbereich folgen alle Feldlinien dem Schwingungsprozeß auf der Antenne und kehren beim Nulldurchgang der Schwingung in die Antenne zurück. In diesem kleinen, auf r ≤ λ / 2·π begrenzten Bereich gibt es noch keine Energieabstrahlung. Daran schließt sich der Fernwirkungsbereich an, wo nicht mehr die gleichen Modellbeschreibungen wie beim geschlossenen Schwingkreis gelten.

Im Nahfeld haben die E-Feldlinien auf dem Dipol einen Anfang und ein Ende. Im dynamischen, abgestrahlten elektromagnetischen Feld sind die E-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 eindeutigen Fernfeld des Strahlers. 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.

Beträgt die Sendefrequenz beispielsweise 50 MHz, das entspricht der Wellenlänge λ = 6 m, so beginnt ab der Entfernung von 24 m das Fernfeld der Antenne. Das Strahlungsfeld einer beliebigen Antenne kann in ausreichend großer Entfernung vom Zentrum der Antenne immer durch einen elektrischen Vektor (E) und einem magnetischen Vektor (H) dargestellt werden. Beide stehen senkrecht aufeinander und ihrerseits senkrecht auf einem Radiusvektor (r0), der vom Zentrum der Antennen weg zeigt. Die drei Vektoren bilden in der Reihenfolge E, H, r0 ein Rechtssystem. Im Fernfeld sind 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 frei im Raum angeordneten punktförmig gedachten Antenne breiten sich die elektromagnetischen Wellen gleichmäßig kugelförmig in alle Richtungen 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.

Licht kann als elektromagnetische Welle beschrieben werden und alle seine Eigenschaften findet man auch bei den niederfrequenten von Antennen abgestrahlten Funkwellen. Die Lichtbrechung erfolgt beim Übergang durch optisch unterschiedlich dichte Medien wie beispielsweise auf der Strecke Luft - Glasprisma. Funkwellen werden entsprechend beim Durchtritt von Medien unterschiedlicher Dielektrizitätszahl gebrochen. Die Beugung von Lichtstrahlen an schmalen Kanten oder Lochrändern ist auch bei Funkwellen an Mauerkanten und Gebirgskämmen zu beobachten. Interferenz tritt beim Zusammentreffen von Wellenzügen gleicher Frequenz und unterschiedlicher Phasenlagen auf. Bei halber Phasenlage kann es dabei zur Auslöschung oder Verstärkung auf die maximal doppelte Amplitude kommen.

Polarisation der elektromagnetischen Wellen

Die Polarisation der Funkwelle wird von der Ausrichtung der elektrischen Feldkomponente bestimmt. Ist der Antennendipol parallel und somit horizontal zur Erdoberfläche ausgerichtet, 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 folglich vertikal orientiert und das Antennensignal wird als linear vertikal polarisiert bezeichnet. Diese Polarisationsart ist im Bild oben dargestellt. Langwellensender zwischen (30 ... 300) kHz und Mittelwellensender im Bereich (0,3 ... 3) MHz senden 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.


Ausbreitung elektromagnetischer Wellen

In der Funktechnik umfasst das genutzte Frequenzspektrum einen weiten Bereich. Das Verhalten der elektromagnetischen Wellen ist folglich auch nicht einheitlich und hängt von der Funkfrequenz ab. Nur wenn sich die Antenne frei im Vakuum befinden würde, kann die Abstrahlung gleichmäßig in alle Richtungen erfolgen. Auf die Ausbreitung der Funkwellen haben die Erdoberfläche und die Atmosphäre bedeutende Einflüsse.

Boden- oder Oberflächenwelle

Eine ideal elektrisch leitende Erdoberfläche würde die elektromagnetische Welle reflektieren und das E-Feld wäre senkrecht zur Erdoberfläche orientiert. Bei einer optimal isolierenden Erdoberfläche dringen alle Wellen in die Oberfläche ein und es gäbe keine Reflexion. Die Erde hat eine mittlere Leitfähigkeit, sodass die elektromagnetische Welle sowohl eindringt als auch reflektiert wird und das E-Feld zur Erdoberfläche geneigt orientiert ist. Die Ausbreitung längs der Erdoberfläche wird als Bodenwelle bezeichnet und erfolgt umso besser, je leitfähiger die Oberfläche ist. Die Leitfähigkeit für Kupfer beträgt 58 MS/m. Dazu im Vergleich einige durchschnittliche Werte für feuchten Sand mit rund 2 mS/m; für Süßwasser um 50 mS/m; für oberes Erdreich um 10 mS/m und für Meerwasser um 2 S/m.

Für irdische Sende- und Empfangsantennen sind zwei Ausbreitungswege von besonderem Interesse. Im erdnahen Bereich der Troposphäre zwischen 0 ... 12 km Höhe breitet sich das Antennensignal bevorzugt als Bodenwelle aus. Das Funksignal 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.

Da die Atmosphäre kein optimaler Isolator ist, wird der nicht zur Bodenwelle gehörende Strahlungsanteil auch nicht vollständig absorbiert.Die Atmosphäre wird in verschiedene Schichten und Höhenlagen unterteilt, die unterschiedliche Leitfähigkeiten zeigen. Sie ist in der Troposphäre bis 10 km Höhe gering und nimmt in der sich anschließenden Stratosphäre zu. Sie reicht in Höhen bis 70 km und geht danach in die Ionosphäre bis 400 km Höhe über. In der Ionosphäre nimmt die Leitfähigkeit stark zu und die Dielektrizitätswerte haben auf die Funkwellen einen bedeutenden Einfluss. Die Leitfähigkeit der Ionosphäre ist vergleichbar mit der von Süßwasser. In diesem Bereich bestimmt das Verhältnis zwischen Leitfähigkeit und Dielektrizität über Brechung oder Reflexion.

Der Ausbreitungsweg der Funkwelle von der Erdoberfläche nach oben geht vom optisch dichteren ins dünnere Medium. Der Brechungswinkel ist wie bei Lichtwellen von der Wellenlänge abhängig und weist vom Einfallslot weg. Es kann auch zur Totalreflexion kommen und die Welle kehrt zur Erdoberfläche zurück. Der über die Ionosphäre zurückkehrende Strahlungsanteil wird als Raumwelle bezeichnet. Die Funktechnik kennt eigens bezeichnete Atmosphärenschichten. Die D-Schicht liegt zwischen (50 ... 90) km, die E1-Schicht bei (90 ... 100) km, die E2-Schicht zwischen (130 ... 160) km gefolgt von der F1-Schicht bei (180 ... 250) km und der F2-Schicht zwischen (250 ... 400) km von der Erdoberfläche gemessen. In den Schichten ist tagsüber durch die Sonneneinstrahlung eine relativ hohe und gleichbleibende Ionisation gegeben. Sie baut sich nach Sonnenuntergang in den Nachtstunden ab, wodurch die Untergrenze der Ionisation nachts höher liegt.

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 Schichten in der Ionosphäre 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 Schichten der Ionosphäre 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 Schichten in der Ionosphäre und strahlt in den freien Raum ab.

Direkte Welle

Noch höhere Funkfrequenzen im VHF- oder 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 Schichten der Ionosphäre 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 der Ionosphäre 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.

Längst- und Langwellen

Der Längstwellenbereich umfasst Frequenzen zwischen (3 ... 30) kHz, sogenannte VLF Myriameterwellen. Zum Langwellenbereich mit (30 ... 300) kHz gehören die LF Kilometerwellen. Für ihren Empfang ist die Bodenwelle von größter Bedeutung, wobei Reichweiten über 2000 km erreicht werden. Die Bodenwelle wird nur wenig von der Oberflächenbeschaffenheit beeinflusst und folgt der Bodenkrümmung. Die Eindringtiefe reicht im Boden bis zu dort leitenden Grundwasserschichten. Mit Längswellen sind daher Funkverbindungen in Höhlensystemen und unterhalb der Meeresoberfläche möglich.

In ionisierten Gasen nimmt die Absorption des E-Feldes mit dem Quadrat der Wellenlänge zu. Tagsüber ist daher die Schwächung beim Durchlaufen der Schichten so hoch, dass die Raumwelle praktisch nicht mehr zur Erdoberfläche zurückkommt. Nachts ist die Feldstärke der Raumwelle wesentlich schwächer als die der Bodenwelle und ihr Einfluss durch Überlagerungen mit der Bodenwelle bleibt gering. Mit der Bodenwelle sind mit starken Sendern hohe Reichweiten ohne gegenseitige Störungen möglich sind. Ein bedeutender Nachteil ist die Störanfälligkeit hinsichtlich atmosphärischer elektrischer Störungen, die beim Gewitter sehr stark sind.

Mittelwelle

Das Frequenzband der (MW) Mittelwelle, Hektometerwellen oder mit internationaler Bezeichnung MF reicht von (300 ... 3000) kHz. Die Bodenwelle wird stärker als bei LF (LW) absorbiert aber ausreichend stark gebeugt, dass ein Empfang hinter der Horizontallinie möglich ist. Das Reflexionsverhalten in der Ionosphäre ist vergleichbar mit dem der Langwellen, wobei die Absorption der Raumwelle nicht so stark ist. Die gegenseitige Überlagerung zwischen Raum- und Bodenwelle führt zum Empfangsschwund oder Fading. Es ist tagsüber stärker und reduziert die Reichweite für guten Empfang der Mittelwelle auf einige 100 km, die in den Nachtstunden bis zu 1000 km zunehmen kann. Atmosphärische Störungen wirken sich nicht mehr so stark aus.

Kurzwelle

Das Frequenzband der (KW) Kurzwelle, Dekameterwellen oder international als HF bezeichnet reicht von (3 ... 30) MHz. Die Bodenwelle hat eine untergeordnete Bedeutung und reicht oft nur bis zum optischen Horizont. Im 80-m-Band liegt sie bei 100 km und im 15-m-Band sind es weniger als 20 km. Die Feldstärkeverluste in der Ionosphäre sind bei Reflexionen gering. Da sie aus großen Höhen möglich ist, werden mit dem Empfang der Raumwelle weite Entfernungen erreicht. Durch Mehrfachreflexionen kann die Funkwelle auch die Erde umkreisen. Da die Reflexionen nicht auf einheitlichen Wegen erfolgen, kann es am Empfangsort zu Interferenzen und zum störenden Fernschwund kommen. Die Sprungentfernung (englisch hop distance) ist die kürzeste Entfernung für das Eintreffen der ersten Reflexion. Die Differenz zwischen der Reichweite der Bodenwelle und der Sprungentfernung wird als empfangstote Zone bezeichnet.

Die kürzeren Wellenlängen werden mit kleinerem Winkel gebrochen, und bei sehr steilem Durchlauf der Ionosphäre strahlen sie in den Raum ab. Es gibt eine obere Grenzfrequenz, für die noch eine Reflexion zur Erdoberfläche möglich ist. Die Grenzwinkel und Sprungentfernungen sind von den wechselnden Verhältnissen in der Ionosphäre abhängig. Mit geringer Sendeenergie lassen sich bei Nutzung der Raumwelle große Entfernungen überbrücken. Die atmosphärischen Störungen sind geringer als bei Mittelwelle, allerdings ist der periodisch auftretende Schwund stärker und kann nur durch einen Wechsel der Funkfrequenz umgangen werden.

Ultrakurzwelle

Das Frequenzband der Ultrakurzwelle (UKW) oder Meterwellen, mit internationaler Bezeichnung VHF reicht von (30 ... 300) MHz. Die Wellen haben vergleichbar optischen Charakter und das sie der Bodenkrümmung nicht folgen gelangen sie fast nie hinter die Horizontlinie. In der Ionosphäre erfolgt die Brechung der Raumwelle mit sehr kleinem Winkel, sodass die Reflexion zurück zur Erde fast nie möglich ist. Sehr selten werden Überreichweiten beobachtet, die durch Reflexionen an hohen Staubpartikeln (Meteoriten- und Vulkanstaub) und an Dichtesprüngen in der Stratosphäre und Troposphäre auftreten können. Atmosphärische Störungen haben auf den normalen Empfang nur noch einen vernachlässigbaren Einfluss.