Referat Funkausbreitung - Elektromagnetische Wellen

Funkausbreitung

Inhalt

Elektromagnetische Wellen

Allgemeines

Mathematische Zusammenhänge für elektromagnetische Wellen

Ausbreitungsgeschwindigkeit

Wellenlänge, Geschwindigkeit, Frequenz

Mathematische Zusammenhänge in elektromagnetischen Feldern

Das elektrische Feld (E-Feld)

Das magnetische Feld (H-Feld)

Phänomene der Wellenausbreitung

Dämpfung, Gewinn, Abschattung, Beugung, Absorption, Reflexion, Schwund

Übersicht der Frequenzbereiche

Drei Arten der Ausbreitungsarten

Bodenwellenausbreitung

Raumwellenausbreitung

Quasioptische Funkwellenausbreitung

Antennen

Grundlagen, Begriffe

Funkfeld, Nahfeld, Fernfeld, Reziprokitätstheorem, Fußpunktimpedanz, Richtcharakteristik, Vor-Rück-Verhältnis, Öffnungswinkel, Gewinn, Bandbreite, Polarisation

Antennenarten:

Dipol

Energieverlauf, Wellenwiderstand, elektrisch wirksame Länge, Strahlungswiderstand, Strahlungsleistung, Wellenwiderstand, wirksame Antennenfläche, Empfangsleistung, Richtdiagramm

Stabantenne

Energieverlauf, Wellenwiderstand, elektrisch wirksame Länge, Strahlungswiderstand, , wirksame Antennenfläche, Empfangsleistung

Weitere Antennen

Parabolantennen, Magnetische Antennen, Aktive Satbantennen, Yagi-Uda Antennen

Elektromagnetische Wellen:

In einer elektromagnetischen Welle wird Energie durch elektrische und magnetische Felder übertragen. Beim gezielten Einsazt elektromagnetischer Wellen für die Nachrichtentechnik liegt der Schwerpunkt auf der Übertragung von Signalen, nicht in der Übertragung von Energie.

Mathematische Zusammenhänge für elektromagnetische Wellen:

Ausbreitungsgeschwindigkeit:

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit hängt also grundsätzlich von den dielektrischen Eigenschaften des Mediums ab.

Zusammenhang Wellenlänge, Ausbreitungsgeschwindigkeit, Frequenz:

Mathematische Zusammenhänge in elektromagnetischen Feldern:

Das Elektrische-Feld (E-Feld): entsteht durch Potentialunterschiede im Raum zwischen den beiden Ladungen

Die Ladungen q und q₂ sind r Meter weit auseinander, zwischen welchen sich ein Medium mit der Permitivität e befindet.(e *e_r , e = 8,852 F/m, e_r = 1 in Luft, einheitenlos).

E ist die elektrische Feldstärke in der Entfernung d von der Ladung q2, welche von q2 alleine erzeugt wird.

D ist die elektrische Flussdichte, welche durch eine Kugeloberfläche mit dem Radius r fließt.

Das magnetische Feld (H-Feld): Dieses baut sich um jeden stromdurchflossenen Leiter auf.

Kraft, die zwischen zwei magnetische Polen (der Stärke m₁, m₂ in Weber [Wb]), die r Meter voneinander entfernt sind. Das Medium besitzt die Permabilität µ [µ₀*µ_r].

H ist die magnetische Feldstärke in einer Entfernung von r Metern vom Leiter, der vom Strom I durchflossen wird.

B ist die magnetische Flussdichte in Zusammenhang mit der Feldstärke H im Abstand r vom stromdurchflossenen Leiter.

Die Kraft F eines geladenen Partikels mit der Geschwindigkeit v in einem magnetischen Feld beträgt:

Phänomene der Wellenausbreitung:

Dämpfung

Leistungsflussdichte in der Entfernung d von einem Kugelstrahler:

Gewinn g:

EIRP: effective isotropically radiated power
Sendeleistung, die nötig wäre, um mit einem isotropen Strahler die gleiche Leistungsflussdichte wie mit einer Richtantenne zu erhalten.

Abschattung:
long term fading durch große Hindernisse (Berge,)

Beugung:
ist umso größer, je größer das Verhältnis der Wellenlänge zu den Abmessungen des Hindernisses; über 5 GHz vernachlässigbar. Wellengesetz: Jeder Punkt einer Wellenfront ist Ausgangspunkt einer neuen Wellenfront.

Absorbtion:
Tritt auf bei unebenen Oberflächen(Wald, Stadt, ).

Reflexionen:
Ist abhängig von der Oberfläche. (Wasser,)

Schwund:
short term fading, entsteht durch Auslöschungen (Grund: Mehrwegeempfang, Reflexionen)

Übersicht der Frequenzbereiche für elektromagnetische Wellen:

Man unterscheidet zwischen drei Arten von Ausbreitungsarten:

Bodenwellenausbreitung

Raumwellenausbreitung

Quasioptische Funkwellenausbreitung (line of sight - LOS)

Als Überblick soll diese Grafik dienen:

Bodenwellenausbreitung:

Diese Art der Ausbreitung wird vor allem für niedrige Frequenzen verwendet. Um Bodenwellen zu erzeugen, wird eine Seite einer Spule mit der Erde gut verbunden, die andere Seite wird durch eine Antenne gebildet (siehe Bild). Die Ausbreitung erfolgt nun der Erdoberfläche entlang.

Für die Eindringtiefe in den Boden sind folgende Regeln zu beachten:

Gute Leitfähigkeit bewirkt geringe Eindringtiefe.

Große Wellenlängen bewirken große Eindringtiefe.

Die Reichweite ist abhängig von:

der abgestrahlten Energie

der Bodenleitfähigkeit: je größer die Leitfähigkeit, desto geringer die Dämpfung -> größere Reichweite; hierbei gilt, dass die Leitfähigkeit von Salzwasser (Meer) wesentlich besser ist als die des Landbodens. Daher werden Sender für diese Ausbreitungsart meist an Küstennähe oder an große Seen oder Gewässer platziert.

der Wellenlänge des abgestrahlten Signals: je größer die Wellenlänge, desto weniger Beugungsvorgänge treten auf. Jeder Beugungsvorgang bringt Verluste -> große Wellenlänge, große Reichweite; das ist auch der Grund, warum nur niederfrequente Wellen (Wellenlänge > 100m) für eine Bodenausbreitung gewählt werden.

Raumwellenausbreitung:

Der Anteil einer abgestrahlten elektromagnetischen Welle, der sich von der Erdoberfläche weg nach oben in den Raum ausbreitet, wird Raumwelle genannt. Teile einer Raumwelle können von verschiedenen Schichten in der Atmosphäre reflektiert werden. Diese Schichten befinden sich in der Ionosphäre (80km - 800km Höhe). Hier die Schichten im Überblick:

In der Nacht lösen sich diese tagsüber durch Sonneneinstrahlung gebildeten Ionenschichten von unten nach oben auf, d.h. die D Schicht löst sich als erste auf, bis zur F1 Schicht. Die F2 Schicht bleibt noch schwach bis zum Morgen erhalten. Tagsüber bilden sich diese Schichten von neuem.

Für bestimmte Frequenzbereiche wirken diese Schichten - sofern sie vorhanden sind - wie ein Spiegel. Dabei haben sie unterschiedliche Grenzfrequenzen:

Grundsätzlich gilt auch, dass eine verlustarme Reflektion dann möglich ist, wenn die freien Elektronen der Ionosphäre mit der Frequenz der Funkwelle ungestört mitschwingen können.

Quasioptische Funkwellenausbreitung:

Funkwellen mit einer Wellenlänge von ca. 10 m (f>30MHz) durchdringen die Ionosphäre nahezu unbeeinflusst. Diese Wellen werden jedoch von der Troposphäre (bis etwa 30 km Höhe) beeinflusst. Durch ihre hohe Frequenz verhalten sie sich annähernd wie Licht: sie werden von der Erdoberfläche reflektiert (mit Verluste), aber auch von der Troposphäre. Auch andere Phänomene wie Beugung und Streuung treten am Erdboden auf.

Im Gegensatz zum sichtbaren Licht (Wellenlänge < 1µm) werden diese Funkwellen durch Hindernisse (Hügel, Berge, Gebäude) nicht völlig abgeschattet. Durch Beugung und Streuung gelangt auch ein Teil der elektromagnetischen Welle in den sogenannten Schattenbereich von Hindernissen.

Die Funkverbindungen, die den optischen Gesetzen weitgehendst folgen, sind die terrestrischen Richtfunkverbindungen und die Satellitenverbindungen.

Der Radius der nicht durch Hindernisse beeinflusst werden darf ist die Fresnelzone. Ansonsten ist keine ungestörte Ausbreitung möglich.

Antennen:

Grundlagen:

Antennen sind für die Funktechnik von essen­tieller Bedeutung. Sie basiert auf dem Konzept, dass über Sendeantennen elektromagnetische Wellen abgestrahlt werden und mit Empfangs­antennen elektromagnetische Energie aus dem Feld ausgekoppelt wird. Bei der Sendeantenne liegt dabei ein Spannungs-Feldstärke-Wandler vor, da der Sender eine hochfrequente Ausgangs­spannung zur Antenne liefert. Die Empfangs­antenne stellt dagegen einen Feldstärke-Spannungs-Wandler dar, der aus dem Funkfeld Energie auskoppelt und diese als möglichst große hochfrequente Spannung dem Empfängereingang zuführt.

Begriffe:

Funkfeld: Das elektromagnetische Feld zwischen Sende- und Empfangsantenne;

Fernfeld: Im Fernfeld einer Sendeanlage sind elektrisches und magnetisches Feld eng miteinander gekoppelt. Zur Beschreibung der Stärke eines elektromagnetischen Feldes wird die Leistungsflussdichte verwendet.

Nahfeld: Vom Nahfeld spricht man bis zu einer Distanz vom Sender, die etwa einer Wellenlänge entspricht. Im Nahfeld einer Sendeanlage sind elektrisches und magnetisches Feld entkoppelt und müssen daher unabhängig voneinander betrachtet werden. Zur Beschreibung der Stärke des Feldes werden daher die magnetische und die elektrische Feldstärke verwendet.

Reziprokitätstheorem: Man kann jede Antenne als Sende- und Empfangsantenne verwendet.

Fußpunktimpedanz Z_ant: Da jede Antenne einen offenen Schwingkreis darstellt, kann man auch eine Impedanz messen. Der Wert  ist zum Anpassen der Antenne an den Sender (oder Empfänger) nötig.

Richtcharakteristik: Die Form der abgestrahlten Energie wird als Richtcharakteristik bezeichnet. idealisiert: Kugelstrahler ; praktisch meistens eine Keulenform

Vor-Rück-Verhältnis: Bei der Richtcharakteristik tritt neben der Hauptkeule auch eine Rückwärtige Keule auf. Das Verhältnis der beider wird als Vor-Rück-Verhältnis bezeichnet.

Der Wert sollte natürlich groß sein.

Öffnungswinkel:

Gewinn: Antennen die die abgestrahlte Leistung in einer Richtung konzentrieren haben in dieser Richtung einen Gewinn gegenüber einem Halbwellendipol, der als Normierung Verwendet wurde.

Bandbreite: Die zuvor besprochene Impedanz kann auch als Kurve dargestellt werden. In dieser kann die Bandbreite bestimmt werden. Die Bandbreite kann durch konstruktive Maß­nahmen beeinflusst werden. Allerdings nimmt der Gewinn mit zunehmender Bandbreite ab.

Polarisation:

Polarisationsarten mit konstanter Feldstärke (unabhängig von Zeit du Ort):

horizontal: die Wellen verlaufen parallel zur Ausbreitungsrichtung

vertikal: die Wellen verlaufen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung

Polarisationsarten mit zeit- und ortsabhängiger Variation der Feldstärke:

zirkular: die Wellen weisen zur Ausbreitungsrichtung eine Rechts- oder Linksdrehung auf

Antennenarten:

Dipol (Hertz) Antenne:

Der Hertzsche Dipol ist die am weitesten verbreitete Antennenart. Er wird aus einem LC-Schwingkreis hergeleitet. Dieser speichert die schwingende Energie in der Spule als magnetisches Feld und im Kondensator als elektrisches Feld. Man zieht nun die Kondensatorplatten auseinander sodass die Feldlinien über die Spule hinwegreichen und gleichzeitig ersetzt man die Spule mit einem Stück Draht. Somit kann man ein elektrisches und ein magnetisches Feld erzeugen, welches zur Aussendung einer elektromagnetischen Wellen geeignet ist.

Energieverlauf auf dem Dipol:

Wellenwiderstand:

Dieses Verhältnis wird durch die Geometrie des Stabes bestimmt.

Elektrisch wirksame Länge: Um die Strahlungsleistung und den Strahlungswiderstand bestimmen zu können nimmt man eine gleichmäßige Stromverteilung entlang einer elektrisch wirksamen Länge entlang des Dipols an.

Strahlungswiderstand (Wirkwiderstand) Rs: An diesem Widerstand wird der Anteil an Energie umgesetzt der an das Fernfeld abgegeben wird.

Rs ~ 73,2   In der Praxis wird mit 75 gerechnet.

Strahlungsleistung Ps: an das Fernfeld abgestrahlte Wirkenergie

Wellenwiderstand des freien Raums: repräsentiert das Verhältnis von el. Feldstärke zu mag. Feldstärke. Er wird bestimmt durch eine Dielekrizitäts- und eine Permeabilitätskennzahl.

Strahlungsdichte der elektromagnetischen Welle im Fernfeld: Mit Strahlungsdichte bezeichnet man die je Sekunde durch eine Flächeneinheit transportierte Strahlungsenergie.

Wirksame Antennenfläche der Empfangsantenne: Eine Empfangsantenne kann aus der gesamten Wellenfront nur einen Anteil der Strahlungsenergie aufnehmen. Der Anteil der Energie der absorbiert wird, durchdirngt eine die Antenne unmittelbar umgebende Fläche, die Wirksame Antennenfläche oder Absorptionsfläche.

Empfangsleistung des Dipols: Sie gibt die pro Sekunde maximal aufnehmbare Energie eines abgestimmten und an die Empfangsanlage angepaßten Dipols an.

Richtdiagramm eines Dipols:

Stabantenne (Vertikal Marconi Antenne):

Dies ist eine geerdete l/4-Antenne.Sie ist oft eingesetzt als Empfangsantenne für Autoradios.

Energieverlauf auf der Stabantenne:

Wellenwiderstand:

Elektrisch wirksame Länge:

Strahlungswiderstand:

Wirksame Antennenfläche einer Empfangsantenne:

Empfangsleistung: siehe Dipol

Weitere Antennen:

Parabolantennen: Das besondere an dieser Antennenart ist die parabolförmige 'Schüssel' die die elektromagnetischen Wellen reflektiert und bündelt. Diese Antenne hat einen sehr hohen Gewinn und eine sehr gute Richtcharakteristik.

Magnetische Antennen: Diese Art der Antennen sprechen auf den magnetischen Anteil einer elektromagnetischen Welle an. Das elektrische Grundprinzip beruht auf dem Induktionsgesetzt:

Bringt man einen Leiter in ein sich änderndes Magnetfeld wird im Leiter eine Spannung induziert.

Aktive Stabantenne: Diese Antennenart enthält einen Verstärker als integrales Element im Antennenstab oder am Antennenfußpunk. Das hat den Vorteil, dass die kleinen Signale nicht mehr von den Verlusten auf der Leitung beeinträchtigt werden.

Yagi - Uda - Antenne: Diese nach zwei japanischen Wissenschaftlern benannte Antennenart wird zum Beispiel für den TV-Empfang verwendet.