Ausbreitung von Funkwellen mit unterschiedlicher Frequenz

Elektromagnetische Wellen breiten sich je nach Frequenzbereich sowie abhängig von topologischen und atmosphärischen Bedingungen unterschiedlich aus

Nach den internationalen Vereinbarungen wird das gesamte Spektrum der für die Aussendung elektromagnetischer Wellen geeigneten Frequenzen zwischen 3 kHz und 3000 GHz in 9 Frequenzbereiche aufgeteilt. Verbale Bezeichnungen für diese Bänder sind „Very Low Frequency“ (VLF) bis „Extra High Frequency“ (EHF), wobei das oberste Band von 300 GHz bis 3000 GHz noch ohne Benennung ist. Die elektromagnetischen Wellen breiten sich je nach Frequenz unterschiedlich aus, sie sind daher auch in unterschiedlicher Form von topologischen und atmosphärischen Bedingungen abhängig.

Ausbreitungsbedingungen in der Atmosphäre

In der Atmosphäre sind die Ausbreitungsbedingungen für Funkwellen örtlich und zeitlich unterschiedlich. Dies wird durch die verschiedenen Schichten der Atmosphäre verursacht. Auf die erdnahe Schicht Troposphäre folgen in Richtung Weltraum die Stratosphäre und 4 Ionosphärenschichten, die sich vor allem durch ihre Anzahl elektrisch geladener Teilchen (Ionen und Elektronen) unterscheiden. Der „Ionisationsgrad“ der einzelnen Schichten schwankt aufgrund des Einflusses der Sonneneinstrahlung örtlich, tageszeitlich und jahreszeitlich sowie in Abhängigkeit von der 11-Jahres-Periode der Sonnenflecken.

Ergänzend zu den atmosphärischen Ausbreitungsbedingungen kommen als weitere Einflussgrößen auf die Ausbreitung von Funkwellen Wettereinflüsse wie Nebel, Regen und Schnee sowie die Luftfeuchtigkeit in der Troposphäre und die Leitfähigkeit des von Funkwellen überquerten Teils des Erdbodens oder des überquerten Wassers hinzu.

Bodenwellen treten bei niedrigen Frequenzen auf

Die Funkwellen verhalten sich gegenüber den Ausbreitungsbedingungen in Abhängigkeit von ihrer Frequenz unterschiedlich. Wellen mit niedrigen Frequenzen breiten sich vorwiegend als Bodenwellen aus. Diese folgen weitgehend der Erdkrümmung, teils werden sie vom Erdboden reflektiert und teils dringen sie in den Erdboden ein. Abschattungen der Funkwellen durch Hindernisse wie Gebäude und Bäume können teilweise durch Beugungseffekte ausgeglichen werden, Berge sind jedoch für Wellen mit sehr niedriger Frequenz ein nicht überwindbares Hindernis. Je mehr Hindernisse, desto größer die Dämpfung der Wellen, wodurch die Reichweite sinkt. Die Permittivität des Bodens für das elektrische Feld sowie die elektrische Leitfähigkeit des Bodens beeinflussen die Bodenwellen ebenfalls. Die Permeabilität der Medien für das magnetische Feld hat nur einen geringen Einfluss. Günstig für die Reichweite sind eine hohe Permittivität für das elektrische Feld und eine hohe elektrische Leitfähigkeit, wie sie beim Meerwasser im Vergleich zum Sandboden gegeben sind, sowie niedrige Frequenzen.

Raumwellen ermöglichen weltweiten Funkverkehr

Bei Frequenzen ab 30 MHz treten die Funkwellen nur noch als Raumwellen auf, bereits ab 3 MHz dominieren die Raumwellen gegenüber den Bodenwellen. Die Raumwellen breiten sich in der Troposphäre ähnlich wie das Licht aus. Die Reichweite dieses quasioptischen Ausbreitungsverhaltens ist im Prinzip auf die Sichtweite begrenzt, Hindernisse können teilweise durch Beugung und Streuung der Wellen überwunden werden, auch treten Reflexionen und Brechungseffekte auf. Liegt die Funkfrequenz über 30 MHz, durchdringen die Wellen die Ionosphäre und können als direkte Welle für den Funkverkehr mit Satelliten genutzt werden. Im Frequenzbereich von 3 MHz bis 30 MHz werden die Funkwellen teils in den verschiedenen Schichten der Ionosphäre gebrochen, teils an den unteren Schichtgrenzen reflektiert. Reflexion und Brechung bewirken eine „Rückstrahlung“ zur Erde, deren „Abstrahlwinkel“ an der Ionosphärenschicht sich ähnlich wie bei Lichtstrahlen aus dem „Einstrahlwinkel“ ergibt. Auch an der Erdoberfläche findet wieder eine Reflexion in Richtung Ionosphäre statt, so dass im Ergebnis eine „erdumspannende“ Funkverbindung möglich wird. Diese Reflexionseffekte werden vom Kurzwellenrundfunk und von Funkamateuren genutzt.

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