Wellenausbreitung

Einführung

Das Zustandekommen einer Funkverbindung sowie die Qualität der Übertragung ist von der richtigen Wahl der Sendefrequenz und der Antennenform abhängig. Wir unterscheiden grob zwischen Bodenwellenverbindungen und Raumwellenverbindungen. Die Bodenwellenverbindung spielt beim UKW (UltraKurzWellen) Rundfunknetz und bei Mittel- und Langwellenrundfunksendungen eine Rolle. Interkontinentale Verbindungen mit Reichweiten von einigen hundert Kilometern sind jedoch nur mit der Raumwelle möglich. Die Faktoren und der Mechanismus ,der diese Ausbreitung ermöglicht und beeinflusst sind bekannt. Man kennt deshalb für Raumwellenverbindungen eine Frequenzprognose ähnlich der Wettervorhersage ,allerdings mit den Unterschied ,dass die Frequenzprognose sehr viel zuverlässiger ist.

Die Ausbreitung der Raumwellen werden von drei Faktoren beeinflusst : Die verschiedenen Sonnenaktivitäten ,der Sonnenstand und dadurch bedingt die Jahres- und Tageszeiten bestimmen ebenfalls die Frequenzbereiche ,die sich für eine Raumwellenverbindung eignen.

Deutlich wird das Ganze z.B. bei Mittelwellen- bzw. Langwellensendern. Jemand der regelmäßig solche Sender hört ,wird merken ,dass diese am Abend besser zu empfangen sind als unter dem Tage.

Weiter wird der Raumwellenempfang wird oft durch eine unangenehme Begleiterscheinung gestört. Es handelt sich dabei um den Fading oder Schwund. Er hat seine Ursache im Mehrfachempfang ,der dann auftritt ,wenn das Signal den Empfänger auf zwei verschieden langen Ausbreitungswegen erreicht. Am Empfangsort entstehen dabei Differenzen ,die in ungünstigsten Fall bis zur Auslöschung der Empfangenen Signales führen können.

Zusammenfassend nennt man also die Wellen ,sie sich an der Erdoberfläche fortbewegen Bodenwellen und alle übrigen Raumwellen.

Raum- und Bodenwellen

Die Ausbreitung der Bodenwellen und der Raumwellen ist verschieden. (Bild.1)

Die Bodenwellen können sich im Langwellenbereich bis zu Entfernungen von 1000 km ausbreiten. Die Verluste an der Erdoberfläche werden mit zunehmender Frequenz immer größer. Dadurch sinken die Reichweiten der Bodenwellen im Mittelwellenbereich auf etwas 300 km und im Kurzwellenbereich auf etwa 100 km. Raumwellen breiten sich geradlinig aus. Raumwellen müssten demnach also geradlinig den Bereich unserer Erde verlassen. In bestimmten Frequenzbereichen kehren einige der Raumwellen wieder zur Erdoberfläche zurück. Sie werden von leitenden Schichten in der oberen Atmosphäre in 50 km bis 300 km Höhe wieder reflektiert (Bild.2). Die Struktur dieser Schichten wird durch die Ultraviolette Strahlung der Sonne ionisiert dadurch leitend. Eine besonders stark ionisierte Gasschicht trägt den Namen Heavyside-Schicht. Wie schon unter 1.1 bemerkt ,ist das Reflexionsvermögen der Heavyside-Schicht abhängig von der Wellenlänge und der Tageszeit.

Die verschiedenen Schichten

Die D-Schicht ist die unterste Schicht. Sie ist nur am Tag wirksam uns wirkt absorbierend auf Signale mit Frequenzen unter einigen Megahertz. Signale mit höheren Frequenzen durchstoßen die D-Schicht und werden von dieser lediglich gedämpft.

Die E-Schicht liegt über der D-Schicht. Sie reflektiert die längeren Kurzwellen. Sie ist ebenfalls nur am Tag wirksam und ihre Intensität ist von Sonnenstand abhängig. Sie erreicht ihren höchsten Wert um die Mittagszeit.

Die F1-Schicht ist nur tagsüber und im Sommer wirksam. Ihr Verhalten ist ähnlich der E-Schicht ,allerdings liegen ihre Grenzfrequenzen noch etwa 50% höher.

Die F2-Schicht ist eigentlich die wichtigste Schicht. Dank ihrem Verhalten ist ein interkontinentaler Funkverkehr über 24 Stunden möglich ,da sie auch Nachts wirksam ist. Sie ist die unregelmäßigste Schicht. Die Grenzfrequenzen sind abhängig von der Sonnenaktivität und von Sonnenstand.

Die Aktivität der Sonne schwankt in einem elfjährigen Rhythmus. Dieser Rhythmus nennt man auch Sonnenfleckenzyklus. Aus dem berechenbaren Sonnestand und der vorhergesagten Sonnenfleckenzahl lässt sich der Zustand der Ionosphäre voraussagen.

Antennen

Bauformen von Richtantennen

Die oben dargestellten Antennen sind Mehrelementantennen mit bestimmter Richtcharakteristik. Normale Stabantennen ,wie wir sie zum Beispiel vom Kofferradio kennen empfangen zwar das Signal aus allen Seiten gleich gut ,allerdings empfangen sie auch die Störungen die gegebenenfalls auftreten gleich gut.

Bei allen Mehrelementantennen bestimmen die Länge der Antennenelemente ,die Abstände der Antennenelemente voneinander und die Dicke der Elemente die Bandbreite der Antenne.

Das bedeutet ,dass die Antennen im Allgemeinen so konzipiert werde ,dass sie bestimmte Frequenzbänder optimal empfangen können. Die Länge einer Kofferradioantenne ist so dimensioniert ,dass sie z.B. den Bereich der UKW Sender optimal empfangen kann.

Mit zunehmender Bandbreite nehmen bei jeder Antenne aber die Empfindlichkeit und die Richtwirkung ab.

Kenngrößen von Richtantennen

Der große Vorteil einer Mehrelementantenne ist ,dass sie in der Hauptempfangsrichtung eine größere Empfindlichkeit besitzt als eine herkömmliche Antenne (z.B. einfache Stabantenne).

Ihre Richtcharakteristik ist also keulenförmig.

Zu bemerken ist allgemein ,dass die Vergrößerung der Antennenspannung durch eine Antenne mit größerem Antennengewinn günstiger ist ,als der Einsatz eines Antennenverstärkers ,da der Antennenverstärker den Rauschabstand verkleinert und damit im Endeffekt die Qualität des Signals verringert.

Kenngrößen einer Richtantenne sind das Vor-Rück-Verhältnis und der Öffnungswinkel (Abb.3).

Bei Auftreten von Reflexionsstörungen aus der rückwärtigen Richtung werden Antennen mit großen Vor-Rück-Verhältnis eingesetzt. Das V-R-Verhältnis wird meist in dB angegeben und kann bis zu 30dB betragen.

Antennen mit kleinerem Öffnungswinkel werden dann eingesetzt ,wenn Störquellen unwirksam gemacht werden sollen ,die sich etwas seitlich vom Empfangenen Sender befinden.

Abb.3

Die Bilder zeigen ein Horizontaldiagramm. Es ist so wie man von oben auf die Antenne schauen würde. Der Mittelpunkt stellt die Antenne dar. Unter a) ist das Diagramm einer normalen Stabantenne und unter b) das Diagramm einer Richtantenne sichtbar. Der Öffnungswinkel wird beim 3dB Punkt bestimmt.

Gemeinschaftantennenanlagen

Bei Mehrfamilienhäusern oder Wohnblöcken benutzt man meist nur eine Antenne pro Frequenzbereich. Bei wenigen Anschlussstellen und bei ausreichender Stärke des Empfangs können die Antennenspannungen (Signal) über eine Weiche direkt auf eine Leitung abgegeben werden. An diese Leitung werden die Antennensteckdosen angeschlossen.

An diese Steckdosen werden dann die Geräte (TV & Radio) in der Wohnung angeschlossen.

Ist der Empfang zu schwach ,muss ein Antennenverstärker eingebaut werden. Gelegentlich wird im Fernsehbereich ein ungünstiger Frequenzbereich mit einem Frequenzumsetzter in einen anderen Bereich umgewandelt.

In der Gemeinschaftsantennenanlage für zwei Mehrfamilienhäuser ,kurz GA genannt ,gelangt in linken Mehrfamilienhaus die Energie der Antennen über einen sogenannten Stammleitungsverteiler zu vier Stammleitungen. Jede Stammleitung durchläuft im Durchschleifungsverfahren mehrere Antennensteckdosen. Die Steckdosen am Ende der Stammleitung sind jeweils mit einem Widerstand von 75W abgeschlossen um Störungen zu vermeiden. Im rechten Mehrfamilienhaus sind zwei Stammleitungen vorhanden. Stichleitungsverteiler leiten die Signale der Antennen über Stichleitungen zu den Einzelsteckdosen der Etage. Damit die Stichleitungen nicht zu stark durch die Stichleitungen belastet werden ,wird für jede Stichleitung in den Verteiler ein Vorwiderstand eingebaut. Die Einzelsteckdosen werden nicht abgeschlossen ,sondern nur die Stammleitungen. Zu bemerken ist allerdings ,dass Stichleitungen nur verwendet werden ,wenn zum Beispiel bei einer nachträglichen Installation einer Antennenanlage Deckendurchbrüche und dergleichen erspart werden sollen.