Wellenausbreitung

Dieses Kapitel beschreibt das Verhalten von Funkwellen und deren Ausbreitung

Ausbreitungsarten

Grundsätzlich wird zwishcen zwei arten von Wellenausbreitungen unterschieden, den Bodenwellen, und den Raumwellen. Je nach Frequenz zeigen diese Wellen verschiedene Eigenschaften. Die Bauart der Antenne hat einen starken Einfluss auf die abgestrahlten Wellenarten.

Bodenwellen

Bodenwellen sind Wellen die von der Antenne horizontal abgestrahlt werden. Sie breiten sich dem Boden entlang aus. Die Ausbreitung ist mehrheitlich auf Sichtweite begrenzt und nicht von atmosphärischen Bedingungen abhängig. Bei bestimmten Frequenzen sind Umbrechungen an Hindernissen oder in Bodennähe zu beobachten, wobei teils Überreichweiten zu erzielen sind.
Diese Form der Abstrahlung findet hauptsächlich bei UHF und höheren Frequenzen Anwendung.
Die maximale Distanz wird durch eine möglichst hoch liegende Antenne erreicht.

Raumwellen

Raumwellen sind Wellen die in den Raum (nach oben) abgestrahlt werden. Bei gewissen Frequenzen (insbesondere im HF Bereich bis 30 MHz) sind dabei Reflektionsphänomene zu beobachten. Dies bedeutet, dass unter den richtigen Bedingungen die abgestrahlte Welle von der Atmosphäre wieder zurück auf die Erde reflektiert wird.
Die Refkeltionsfähigkeit ist extrem stark von atmosphärischen Bedingungen sowie der Sonnenaktivität abhängig.

Reflexion von Kurzwellen allgemein

Die Reflexion von Kurzwellen an der elektrisch leitfähigen Ionosphäre ist verlustarm, funktioniert aber nur bis zu einer einfallswinkelabhängigen Grenzfrequenz (Maximum Usable Frequency – MUF). Die Reflexion am Boden ist für den größten Teil der Erde, nämlich die leitfähigen Ozeane ebenfalls verlustarm; bei den Kontinenten ist sie von der Leitfähigkeit des Bodens, insbesondere vom Grundwasserspiegel abhängig.

Tote Zone

Die Region im Bereich zwischen dem Verstummen der Bodenwelle und der ersten Reflektion der Raumwelle wird Tote Zone genannt. In diesem Bereich ist eine Funkstation nicht empfangbar. Die tote Zone kann verschoben werden in dem der Antennenwinkel verändert wird, jedoch ist dies nur begrenzt möglich.

Ionosphäre

Die Ionosphäre ist der oberste teil der Atmosphäre und wird in erster Linie durch kurzwellige Ultraviolett-Strahlung der Sonne erzeugt. Der Name kommt daher, dass Teilchen in diesem Bereich so stark von der Sonne oder kosmischer Strahlung bombadiert werden, dass sie sich ionisieren können. Ionisation bedeutet, dass die Umlaufbahn von elektronen durch die starke Strahlung verformt wird. Dadurch hat das Elektron nicht mehr den korrekten Abstand zum Atom und das Atom ist nun positiv oder negativ geladen. In extremen Fällen kann Ionisation Moleküle auseinander reissen und neu kombinieren oder dafür sorgen, dass sich elektronen komplett aus der Umlaufbahn befreien. Dieses Atom ist dann negativ ionisiert. Das elektron kann wiederum die Umlaufbahn ein anderes Atom betreten und dieses positiv ionisieren. Kommen sich negativ und positiv ionisierte Teilchen nahe genug wandert das Elektron wieder zurück. Auf diese Art und Weise wird auch die Ozonschicht gebildet.
Ionisierte Teilchen können sichtbares Licht abstrahlen. In den polarregionen ist dies als Nordlicht sichtbar.

Atmosphärische Schichten

Die Ionosphäre besteht aus mehre Schichten die das Funksignal reflektieren oder dämpfen können. Die Stärke der Schichten ist hautsächlich durch die Tageszeit und Sonnenaktivität bestimmt.

D-Schicht

Die D-Schicht ist die der Erde am nächsten gelegene Schicht und existiert nur am Tage in einem Höhenbereich zwischen 70 und 90 km.
Wegen der dort herrschenden hohen Luftdichte ist einerseits die Rekombination groß, weswegen sich die Schicht bei Sonnenuntergang binnen weniger Minuten nahezu auflöst, andererseits ist die Kollisionsfrequenz zwischen Elektronen und anderen Teilchen während des Tages sehr hoch (ca. 10 Millionen Kollisionen pro Sekunde). Dies bedeutet für Radiowellen eine starke Dämpfung, die mit wachsender Wellenlänge zunimmt. Im Fernverkehr verhindert dies tagsüber eine Nutzung der Raumwelle auf Funkfrequenzen kleiner als etwa 10 MHz (ionosphärischer Wellenleiter). UKW-Signale können an der D-Schicht gestreut werden (Ionoscatter).

Durch steigerung der Leistung kann diese Schicht teilweise Überwunden werden.

E-Schicht

Die E-Schicht ist die mittlere Ionosphärenschicht, die sich in einer Höhe zwischen 90 und 130 km ausbildet. Ionisation findet auf Grund weicher Röntgenstrahlung (Wellenlänge 1–10 nm) und ultravioletter Strahlung (zwischen 80 und 102,7 nm) an atomarem Sauerstoff (O) sowie Stickstoff- und Sauerstoffmolekülen (N₂, O₂) statt.
Die E-Schicht bildet sich auf der Tagseite der Erde aus, erreicht ihr Ionisationsmaximum in der Mittagszeit und verschwindet nach Sonnenuntergang innerhalb einer Stunde fast vollständig.
Im Sonnenfleckenmaximum liegt die Schicht höher als im Minimum. Innerhalb der E-Schicht kommt es teilweise zu starken lokalen Ionisationen in einer nur wenige Kilometer dicken Schicht, die als sporadische E-Schicht bezeichnet wird (E_s-Schicht). Ist die Ionisation der E_s-Schicht sehr stark, so können Kurzwellen daran reflektiert werden und so nicht mehr zur F₂-Schicht gelangen. Im UHF-Bereich können dagegen Überreichweiten auftreten, wenn UHF-Signale an der E_s-Schicht reflektiert werden.

Für Kurzwellen ist Spiegelung an der E-Schicht höchstens im Nahverkehr interessant, da ihre kritische Frequenz nur zwischen ca. 2 und 4 MHz liegt.

F-Schicht

Die F-Schicht liegt mit 200 bis 400 km am höchsten und ist die am stärksten ionisierte Schicht. Sie wird durch extreme ultraviolette Strahlung (EUV, Wellenlänge 14 bis 80 nm) ionisiert, die auf atomaren Sauerstoff oder Stickstoff-Moleküle trifft.
Sie ist eine breite Region mit maximaler Ionisation von bis zu einer Million freier Elektronen je cm³.

Die F-Schicht besteht auch nachts weiter, da die freien Elektronen wegen der großen mittleren freien Weglänge nur sehr langsam rekombinieren. Am Tage zeigt sich im Profil der F-Schicht häufig eine Verformung, die sogenannte F₁-Schicht, der Gipfel des Profils liegt aber in der F₂-Schicht. Die F₁-Schicht ist der Ort größter Ionenproduktion, die ohne Sonneneinstrahlung stark zurückgeht. Die stärkste Ionenkonzentration dagegen findet sich jedoch in der F₂-Schicht aufgrund der dort schwächeren Rekombination.

Für Kurzwellen ist sie die wichtigste Schicht, weil Funkverkehr über 3500 km nur durch wiederholte Reflexion an dieser Schicht zustande kommt.

Zusammenfassung der Schichten

Greyline

Als Greyline bezeichnet man die Tag-Nacht-Grenze auf der Erde. Die Greyline verbindet Punkte innerhalb der Zone der Dämmerung. Aufgrund der Erdrotation verschiebt sich diese Linie stetig über den Globus. Beginn, Dauer und Verlauf dieses Ereignisses sind jahreszeitabhängig. Wie die Erfahrung zeigt, können sich elektromagnetische Wellen insbesondere im Bereich 300kHz - 30MHz entlang dieser Dämmerungszone als Raumwelle besonders gut ausbreiten.

MUF & LUF

Die Maximum Usable Frequency (MUF) ist die höchste für eine Kurzwellen-Funkverbindung zwischen zwei Orten verwendbare Frequenz. Sie ist unter anderem vom Abstrahlwinkel abhängig.
Die MUF ist die höchste Frequenz, bei der eine Reflexion an der Ionosphäre möglich ist. Sie ermöglicht in mindestens 50% der Empfangszeit eine zuverlässige Verbindung. Zum Betrieb einer verlässlichen Funkverbindung reicht dies jedoch nicht aus. Daher wurde eine Frequency of optimum transmission (FOT) definiert, die 15% niedriger ist als die MUF `"FOT"="MUF"*0.85`. Die FOT gewährt in 90% der Zeit eine verlässliche Funkverbindung.

Das Gegenstück zur MUF ist die LUF, die Lowest Usable Frequency, die die untere Grenzfrequenz für eine verlässliche Funkverbindung darstellt. Aus beiden ergibt sich das für eine Funkverbindung nutzbare Frequenzfenster. Dieses kann geschlossen sein, wenn die LUF höher als die MUF liegt, beispielsweise nach einem Röntgenstrahlungsausbruch der Sonne (X-Ray Event). Dann lässt aus dem Ausbruch folgende Dämpfungszunahme in der D-Schicht der Ionosphäre die LUF so stark ansteigen, dass alle Strahlen, die die D-Schicht noch zu durchdringen vermögen, nicht mehr von der darüberliegenden F-Schicht reflektiert werden können, da ihre Frequenz über der MUF liegt. Dies wird als Short-Wave Fade (out) bezeichnet.

Hinweis: Diese Überlegungen gelten nicht für den UHF-Bereich, dessen Frequenzen oberhalb der Plasmafrequenz liegen. UHF wird aber generell nicht reflektiert und ist für die Reflektion an seltenere Events gebunden wie die E_s-Schicht.

Messung der Schichten

Die Messung der Ionosphäre für Kurzwellenfunk ist relativ trivial. Ein kurzes Signal definierter Länge und niedriger Frequenz (ca 100 kHz) wird senkrecht nach oben gesandt. Neben dem Sender ist ein Empfänger, der das Signal welches reflektiert wurde wieder empfängt. Durch den Vergleich des ausgesandten und empfangenen Signales sind nun mehrere Eigenschaften bekannt:

• Verzögerung: Dies gibt die Höhe der Schicht an
• Streckung: Die Streckung des Signales gibt die etwaige Dicke der Schicht an
• Stärke: Die Stärke gibt die qualität der Reflektion an (Stärker = Bessere Reflektion)

Sind die Messdaten ausgewertet wird die Frequenz erhöht und der selbe Puls nochmals ausgesandt. Dies wird wiederholt bis das Kurzwellenband abgearbeitet ist.

Werden die Daten auf einen Graphen mit den Achsen "Frequenz" und "Verzögerung" gezeichnet entsteht eine Grafik die die Ionosphärenschichten zeigen. Die niedrigste Frequenz bei der eine Reflektion messbar ist ist die LUF, und die höchste Frequenz ist dementsprechend die MUF.

Reflektionswinkel

Die Reflektion ist nicht abrupt wie Licht bei einem Spiegel, sondern eine kontinuierliche Krümmung der Welle. Ist die Krümmung zu schwach, reicht sie nicht aus um die Welle wirkungsvoll umzuleiten bevor diese die Ionosphäre verlässt. Ist die Krümmung aber stark genug kann die Welle auf die Erde zurückgeworfen werden.
Beschränkt kann also der Einfallwinkel durch Änderung des Winkels der Antenne verändert werden um einer zu schwachen Krümmung entgegenzuwirken. Dies verändert natürlich auch den Eintritswinkel und Aufprallort an der Erdoberfläche.

Reflektion am Erdboden

Reflektion am Erdboden erfolgt Hauptsächlich an Wassermolekülen. Die Reflektion funktioniert daher am einfachsten über grossen Wasserflächen und Erdboden mit sehr hohem Grundwasserspiegel. Da über 70% Der Erdoberfläche mit Wasser bedeckt ist kann daher bei guten Atmosphärischen Bedingungen und dem richtigen Antennenwinkel praktisch jeder andere Punkt erreicht werden.

Der Mögel-Dellinger-Effekt

Der Mögel-Dellinger-Effekt (englisch: sudden ionospheric disturbance SID) ist eine plötzlich auftretende, massive Störung des gesamten Kurzwellen-Verkehrs auf der sonnenbeschienenen Seite des Globus, die eine Viertelstunde oder etwas länger andauert ("tote Viertelstunde"). Sie wird von einer harten Strahlung hervorgerufen, die die Sonne bei einer Eruption abstrahlt und kommt nur wenige Male im Jahr vor.
In Jahren mit erhöhter Sonnenaktivität kann es bei starken Sonneneruptionen oder "Flares", zu einer erhöhten Strahlungsintensität im Röntgenbereich kommen. Trifft diese hochenergetische elektromagnetische Welle von der Eruption auf der Sonne auf die Erdatmosphäre, so kann die Röntgenstrahlung bis zur tiefliegenden D-Schicht der Ionosphäre in Höhen von ca. 70 km über der Erdoberfläche vordringen und diese stark ionisieren. Durch diese Ionisierung und somit die erhöhte Plasmadichte nimmt die Fähigkeit der D-Schicht zu, Kurzwellen zu absorbieren – bis hin zu deren vollständiger Auslöschung. Grund hierfür ist, dass die LUF ansteigt, je höher die D-Schicht ionisiert ist. Die MUF wird durch die starke Röntgenstrahlung der Sonne aber kaum erhöht. Die LUF steigt also stärker an als die MUF. Dies kann in extremen Situationen dazu führen, dass die LUF die MUF einholt und sogar übersteigt. Mit anderen Worten, die Frequenz die notwendig ist um die D-Schicht zu durchdringen ist so hoch, dass sie an der F-Schicht nicht mehr reflektiert wird und im Weltraum verschwindet.

Der Mögel-Dellinger-Effekt tritt nur auf der Tagseite der Erde auf und dämpft Frequenzen etwa bis zu 300 MHz.

Langer und kurzer Weg

Auf einer Kugel sind zwei Punkte immer durch zwei gerade linien verbunden. Dies bedeutet, dass eine Funkverbindung auf zwei Wegen zustande kommen kann. Je nach Bedingungen kann die Verbindung über den langen Weg möglichsein während der kurze Weg blockiert ist, oder der Empfänger an einem Ort ist wo sich ein Funkloch im kurzen Weg befindet, aber auf dem Langen Weg nicht. (Siehe auch "Greyline" weiter oben)

Andere Reflektionsarten

Obwohl die Ionosphäre vermutlich der am meisten genutzte Reflektor ist, so können auch andere Dinge als Reflektor eingesetzt werden

Meteorscatter

Ultrakurzwellen haben eine quasioptische Ausbreitung. Durch die Erdkrümmung ist die Ausbreitung unter normalen Umständen ungefähr auf den sichtbaren Horizont begrenzt. Um trotzdem eine deutlich über den sichtbaren Horizont hinausgehende Reichweite zu erzielen, kann man die in der Erdatmosphäre verglühenden Meteore nutzen. Dabei werden die Ionisationsspuren von in die Erdatmosphäre eindringenden und verglühenden Meteoroiden als Reflektoren für die Funksignale verwendet. Objekte, die aus dem All in die Erdatmosphäre eintreten und ab einer Höhe von etwa 100 km verglühen, hinterlassen auf ihrer Bahn einen Ionisationskanal. Dieser ist sehr kurzlebig. Funkstrahlen, die auf diesen Ionisationskanal auftreffen, werden reflektiert. Die Reflexionsdauer kann von einigen Sekunden bis zu etwa zwei Minuten betragen und ist von der Frequenz abhängig. Darüber hinausgehende Verbindungen sind sehr selten. Es können bis zu 2500 km überbrückt werden.

Der Funkbetrieb über Meteorscatter findet hauptsächlich auf 144 MHz (2-Meter-Band) statt, seltener auf 50 MHz (6-Meter-Band) oder 432 MHz (70-cm-Band). Die Betriebsart ist häufig digital.

Moonbounce

Moonbounce (auch E-M-E: Eath-Moon-Earth) ist die Nutzung des Mondes als passiver Reflektor.
Damit die ausgesendeten Signale die Atmosphäre durchdringen können, müssen die Signale für EME im Wellenlängenspektrum zwischen etwa 20 Meter (15 MHz) und etwa 7 Millimeter (40 GHz), dem sogenannten Radiofenster, liegen.

Ionoscatter

Nicht zu verwechseln mit der regulären Reflektion in der Ionosphäre. Dabei werden Funksignale an Turbulenzen in der D-Schicht der Ionosphäre gestreut. Aufgrund der Höhe der D-Schicht ergeben sich Verbindungen über Distanzen von 1000 bis 2000 Kilometer, was deutlich über der normalen Reichweite von UKW-Signalen liegt. Im Gegensatz zu Überreichweiten bei E_s- oder Meteorscatter-Verbindungen ist Ionoscatter jeden Tag möglich, am besten tagsüber auf dem 6-Meter-Band (50 MHz bis 52 MHz). Üblicherweise weisen die Signale ein rasches Fading (signalschwund) auf.

Troposcatter

Troposcatter, auch Troposphärenfunk ist eine Form des Überhorizont-Richtfunks, bei der die ausgestrahlten Funkwellen, speziell Dezimeterwellen und Mikrowellen, an der Troposphäre zurückgestreut werden. Damit sind Reichweiten um 800 km möglich, welche aufgrund der Erdkrümmung nicht mit herkömmlichen Richtfunkstrecken erzielt werden können, da diese eine Sichtverbindung zwischen den Endstellen erfordern. Der Troposphärenfunk ist weitgehend durch Satellitenkommunikation abgelöst oder ergänzt worden, ist jedoch wesentlich preiswerter als diese, insbesondere bei geringen Datenraten.

Die Streuung der Funkwellen erfolgt an lokalen Inhomogenitäten des Brechungsindex sowie an Dunst und Partikeln in einer Höhe bis etwa 5 km. Dementsprechend sind die Richtantennen zum Senden und zum Empfang nahezu waagerecht ausgerichtet. Der Großteil der abgestrahlten Funkwellen gelangt ungenutzt in den Weltraum, nur ein kleiner Teil wird zurück zur Erde gestreut. Für die Stärke des empfangenen Signales entscheidend ist das an der Streuung teilnehmende Volumen, nämlich das, in welchem sich das Sendeantennen- und das Empfangsantennen-Bündel kreuzen. Es kommt daher naturgemäß zu Mehrwegeempfang, daher sind keine hohen Datenraten erzielbar.

Andere Medien

Staub und Wolken in der Atmosphäre können gelegentlich für bestimmte Frequenzen als Reflektor eingesetzt werden.

Mehrwegempfang

Als Mehrwegempfang bezeichnet man das Phänomen dass das selbe Signal mehrmals empfangbar ist unter bestimmten Bedingungen. (Siehe auch "Langer und kurzer Weg" weiter oben). Aufgrund der konstanten Ausbreitungsgeschwindigkeit aber verschieden langer Ausbreitungswege treffen diese Signale normalerweise nicht zeitgleich ein. Dies kann zur Verzerrung, Verstärkung, oder Auslöschung des Eingangssignales führen.

Allgemein kann gesagt werden, dass sich der Mehrwegeempfang negativ auf die Übertragung von Signalen auswirkt. Grund hierfür ist der unterschiedliche lange zurückgelegte Weg, der jeweils eine Verzögerung des Signals bewirkt. Dadurch empfängt ein Empfänger das Signal zweimal. Die beiden Signale führen zu Interferenzen (rotes und blaues Signal im Bild).
Ist der Abstand der beiden eintreffenden Signale bekannt, kann die Datenrate (minimale Laufzeit eines Signales) berechnet werden:
`t=s/c` Wobei `t` die Laufzeit, `c` die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und `s` der Signalweg ist. Diese Formel liefert für die normale Erdatmosphäre nur einen ungefähren Wert, da die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Medium Luft nicht exakt c beträgt.

In digitalen Übertragungen kann dem Problem durch Reduktion der Datenrate entgegengwirkt werden.

Datenmodems die digitale Daten in den hörbaren Bereich modulieren (z.B. 56k Computer Modem) prüfen normalerweise den Übertragungskanal mit einer Testaussendung. Das Empfängermodem kann dann dem Sender zurück kommunizieren wie das Signal eingetroffen ist.