Funkausbildung
Physikalische Grundlagen

1.1 Grundbegriffe

Mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen lassen sich Nachrichten drahtlos übertragen.

1.1.1 Elektromagnetische Wellen:

Eine Welle entsteht immer dann, wenn eine zyklische Quelle ein geeignetes Übertragungsmedium zum Energietransport (Informationstransport) anregt.

Beispiel Schallwelle:
Der Lautsprecher (Quelle) regt die Luft (Übertragungsmedium) zum Transport der Musik (Schall) an.

Bezogen auf elektromagnetische Wellen:
Ein elektrischer Strom, der durch eine Leitung fließt, erzeugt ein Magnetfeld (Elektromagnet). Ein Magnetfeld, das sich ändert, erzeugt in einem elektrischen Leiter einen elektrischen Strom (Prinzip des Dynamo). Ändert man jetzt ständig die Fließrichtung des elektr. Stromes (z.B. 10.000 mal in der Sekunde), kann man sogenannte Elementarteilchen außerhalb des elektr. Leiters dazu anregen, diese Stromschwankungen ähnlich einer Schallwelle weiterzutransportieren.

Als Quelle dient die Antenne (erzeugt elektromagnetische Felder), das Übertragungsmedium sind Elementarteilchen („Äther“), die Energie ist Wechselstrom.

Andere Definition:
Elektromagnetische Wellen resultieren aus der Wechselwirkung zwischen elektrischen und magnetischen Feldern. Ein sich änderndes elektrisches Feld erzeugt ein magnetisches Feld, welches wiederum die Erzeugung eines elektrischen Feldes zur Folge hat.

1.1.2 Wellenlänge:

Einheit Hertz (Hz, benannt nach dem Physiker Heinrich Hertz, 1857-1894): Anzahl der Schwingungen (Wellen) pro Sekunde.
Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Welle: 300.000 km/s (Lichtgeschwindigkeit)
Bei einer Frequenz von 80 MHz beträgt die Wellenlänge 3,75 m.
Hier spricht man vom 4m-Band.

Bei einer Frequenz von 170 MHz beträgt die Wellenlänge 1,77 m.
Hier spricht man vom 2m-Band.

1.1.3 Sprache

Der Hörbereich des Menschen liegt etwa zwischen 20 und 18000 Hz.
Der Frequenzbereich der beim übertragen werden muß, um eine verständliche Funkverbindung zu erhalten, liegt etwa zwischen 300 und 3000 Hz.
Zum Vergleich: HiFi-Anlagen müssen mindestens den Frequenzbereich zw. 40 und 16000 Hz übertragen.

1.1.4 Quasi-optische Wellenausbreitung

Beim Funk kann man sich der unterschiedlichsten Wellenlängen bedienen.
Das Spektrum reicht von 30 kHz bis 30 GHz. Es handelt sich dabei immer um elektromagnetische Wellen. Die Ausbreitungseigenschaften der Frequenzen sind jedoch sehr unterschiedlich.
Im Kurzwellenbereich ist es z.B. möglich, Entfernungen von mehreren tausend Kilometern zurückzulegen, da diese Wellen die Eigenschaft haben, von den Luftschichten und der Erdoberfläche reflektiert zu werden.
Je höher die Frequenz wird, desto mehr nehmen die Wellen optische Ausbreitungseigenschaften an.
Elektromagnetische Wellen im 4m- und 2m-Bereich (Ultrakuzwellen UKW) haben Quasi-optische Eigenschaften, d.h. sie verhalten sich ähnlich wie das Licht.
Man sagt daher, daß eine sicher überbrückbare, größte Entfernung gleich der optischen Sicht ist.

1.1.5 Modulation

Als Modulation bezeichnet man das Überlagern einer Frequenz auf eine anderen Frequenz. In unserem Fall heißt das, daß wir ein Sprechwechselstrom (300-3000 Hz) auf eine Trägerwelle mit einer Frequenz von vielleicht 80 MHz „aufsetzen“. Wir modulieren die Trägerfrequenz mit dem Sprechwechselstrom. Die Trägerwelle enthält jetzt also unsere Sprachinformation. Diese modulierte Trägerfrequenz können wir dann mit Hilfe eines Senders und einer Antenne aussenden und an anderer Stelle wieder empfangen. Dort wird das empfangene Signal demoduliert, die Sprachinformation wird wieder herausgefiltert. Nun haben wir wieder unseren Sprechwechselstrom, der dann über Verstärker und Lautsprecher ausgegeben werden kann.

1.2 Reichweite

Die Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle im freien Raum erfolgt von der Quelle aus geradlinig in alle Richtungen (räumliche Wellenausbreitung).

Die Feldstärke steht in einem logarithmischen Verhältnis zur Entfernung, d.h. bei doppelter Entfernung hat man nur noch ein viertel der Feldstärke.

1.2.1 Beeinflussung der Reichweite durch Sende- u. Empfangsgeräte

1.2.1.1 Sendeleistung

Je höher die Sendeleistung, desto größer die Entfernung. Bei einer Verdoppelung der Sendeleistung nimmt die Reichweite bei gleicher Empfangsfeldstärke nur unwesentlich zu.
Wir haben kaum oder gar keinen Einfluß auf die Sendeleistung.

1.2.1.2 Empfängerempfindlichkeit

Wird die Empfindlichkeit verdoppelt, so vergrößert sich die Reichweite auf das 1,4fache.
Bei Vierfacher Empfindlichkeit vergrößert sich die Reichweite um das Doppelte.
Wie bei der Sendeleistung haben wir auch auf die Empfängerleistung keinen Einfluß.

1.2.1.3 Überreichweite

Besonders im Frühherbst treten sogenannte Inversionswetterlagen auf. Dabei haben wir in Bodennähe eine kalte Luftschicht und in einigen hundert Metern Höhe eine warme Luftschicht. An der Grenze zwischen diesen beiden Luftschichten werden die Funkwellen reflektiert und wieder zur Erde zurückgeworfen. Dadurch können Entfernungen von mehreren hundert Kilometern überbrückt werden.

1.2.1.4 Antennen

Großen Einfluß auf die Reichweite eines Funksignals hat die Antenne. Hier gibt es gleich mehrere Faktoren, die die Reichweite beeinflussen. Sehr wichtig ist zum Beispiel der Standort der Antenne.
Je höher die Antenne im Vergleich zur umgebenden Bebauung, desto besser die Reichweite.
Außerdem hat die Bauweise der Antenne einen großen Einfluß auf die Sende- und Empfangseigenschaften. Eine normale Stabantenne sendet und empfängt elektromagnetische Wellen aus, bzw. in alle Richtungen gleichmäßig. Durch andere Bauweisen kann man der Antenne eine Richtcharakteristik geben, so, daß die Antenne bevorzugt in eine bestimmte Richtung sendet.
Die Richtcharakteristik wird oft bei Relaisstationen genutzt, um bestimmte Gebiete auszuleuchten.
Fahrzeuggeräte und Handsprechfunkgeräte besitzen sogenannte Rundstrahler, d.h. sie strahlen gleichmäßig in alle Richtungen.
Es ist darauf zu achten, daß die Antenne möglichst senkrecht steht, da Funkwellen eine sogenannte Polarisation aufweisen, d.h. sie können vertikal oder horizontal ausgerichtet sein. Beim BOS-Funk sind die elektromagnetischen Wellen ausschließlich vertikal ausgerichtet. Die Ausrichtung ist abhängig von der Lage der Sendeantenne.
Die Länge einer Antenne wird grundsätzlich von der Frequenz oder dem Frequenzband bestimmt, die die Antenne empfangen, bzw. aussenden soll. Die optimale Länge eines Rundstrahlers wäre die Wellenlänge der zu sendenden und der zu empfangenden Frequenz, d.h. bei 80 MHz wäre die optimale Antennenlänge 3,75m. Da solch eine Antenne zu lang wäre, begnügt man sich mit einem Bruchteil der Antennenlänge.
Ein weiteres Problem besteht in der Bandbreite, für die die Antenne ausgelegt sein muß. Ein BOS-Funkgerät für den 4m-Bereich muß Frequenzen zw. 74 und 88 MHz senden und empfangen können.
Die 4m-Antenne muß also diesen ganzen Bereich abdecken können.

1.2.2 Beeinflussung der Empfangsverhältnisse durch sonstige physikalischen Eigenschaften

Die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen kann u.a. durch folgende physikalische Eigenschaften gestört werden: Brechung, Reflexion, Absorption Abschattung und Interferenz.

1.2.2.1 Brechung

Als Brechung wird die Änderung der Ausbreitungsrichtung bezeichnet, wenn die Welle beispielsweise in ein anderes Medium übergeht (z.B. warme Luft - kalte Luft).

1.2.2.2 Reflexion

Durch die Eigenschaft der Reflexion ist es möglich, daß Funkwellen an Stellen empfangen werden können, die normalerweise durch ihre Lage im Funkschatten liegen würden.
Als Reflexion bezeichnet man das zurückwerfen elektromagnetischer Wellen an leitenden Stoffen. Dabei ist der Einfallswinkel gleich dem Ausfallswinkel wie bei einem Spiegel in der Optik.

1.2.2.3 Absorption

Als Absorption bezeichnet man das Aufsaugen oder schlucken (absorbieren) der elektromagnetischen Wellen durch Schichten schlechter elektrischer Leitfähigkeit, die weder durchlässig sind, noch reflektieren.
Dies kann z.B. vorkommen bei Schneefall, Regen, Gewitterwetter.

1.2.2.4 Abschattung

Eine Abschattung tritt auf, wenn reflektierende oder absorbierende Hindernisse die Wellenausbreitung verhindern. Hinter diesen Hindernissen (z.B. ein großes Gebäude oder ein Berg) hat man dann einen sogenannten Funkschatten.
Ein Funkschatten kann natürlich auch in Gebäuden auftreten, wenn die Mauern die Funkwellen reflektieren oder absorbieren.

1.2.2.5 Interferenz

Durch Reflexionen an verschiedenen Flächen können sich Wellenfronten überlagern. Dadurch entstehen Zonen, in denen sich Wellen auslöschen oder verstärken. Dies nennt man Interferenz (Überlagerung).

1.2.3 Beeinflussung der Empfangsverhältnisse in der Praxis durch den Feuerwehrmann

Grundsätzlich kann man davon ausgehen, daß sich elektromagnetische Wellen zw. 30 und 300 MHz bei der Ausbreitung wie Licht verhalten.
Die Sende- und Empfangsleistungen der Funkgeräte sind bei der Feuerwehr im Normalfall fest eingestellt. Hier kann man wenig Einfluß auf die Reichweite nehmen.
Anders sieht es aus bei der Ausrichtung und dem Standort der Antennen, sowie bei der Beeinflussung der Reichweite durch Reflexion, Absorption und Abschattung aus.
Je höher die Antenne im Vergleich zur Umgebung ist, desto besser, d.h. bei schlechten Sende- und Empfangsverhältnissen ist nach Möglichkeit ein erhöhter Standort zu wählen.
Außerdem ist darauf zu achten, daß die Antenne frei und senkrecht steht, um eine ungehinderte Ausstrahlung zu ermöglichen.
Einen Funkschatten kann man dadurch umgehen, daß man seinen Standort wechselt.

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