Theorie der elektromagnetischen Wellen

Transkript

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2 Inhalt Wellen und ihr Aufbau Ausbreitungsgeschwindigkeit 2m-Band und 4m-Band in der Übersicht Ausbreitung elektromagnetischer Wellen Der richtige Aufbauplatz

3 Wellen Was ist eine Welle? Eine Welle ist das Ergebnis eines Schwingungsvorgangs. Ist dieser Vorgang regelmäßig, so besitzt die resultierende Welle eine Periode. 3

4 Wellen 4

5 Welle Detailvergrößerung (gekippt) Wellenberg Amplitude A Wellenlänge λ Amplitude A Wellental 5

6 Welle Die Bestandteile einer Welle im Detail Wellenberg Die Wellenlänge λ bezeichnet den Abstand (in Metern) zwischen zwei phasengleichen Punkten, also zwei Punkten bei denen Auslenkung und Richtung übereinstimmen. Amplitude A Wellenlänge λ Amplitude A Die Amplitude A (auch max. Auslenkung) bezeichnet die Höhe eines Wellenberges bzw. die Tiefe eines Wellentales. Wellental Ein Wellenberg ist das Gebiet positiver Auslenkung. An seinem höchsten Punkt wird die Amplitude (Entfernung zur Nulllinie) gemessen. Zwischen zwei Wellenbergen kann man die Wellenlänge sehr einfach messen. Ein Wellental ist das Gebiet negativer Auslenkung. An seinem tiefsten Punkt wird die Amplitude (Entfernung zur Nulllinie) gemessen. Zwischen zwei Wellentälern kann man die Wellenlänge sehr einfach messen. 6

7 Wellen - Frequenz Die Wellenlänge ist maßgeblich für die Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen. Eine weitere Größe, die mit der Wellenlänge zusammenhängt, ist die Frequenz. Sie gibt an, wie oft sich eine elektromagnetische Welle mit der entsprechenden Wellenlänge im Zeitraum von einer Sekunde wiederholt. Die Frequenz wird in Hertz (Hz) gemessen. Gleichbedeutend dazu ist die so genannte Periodendauer. Die Periodendauer gibt an, wie lange eine elektromagnetische Welle mit der entsprechenden Wellenlänge benötigt, um einen Zyklus (also ein Wellental und einen Wellenberg) zu beenden. Die Periodendauer wird in Sekunden (s) gemessen. Der Zusammenhang zwischen beiden Größen wird am folgenden Beispiel erläutert. Eine elektromagnetische Welle schwingt mit einer Frequenz von 50 Hz, also 50 mal in einer Sekunde. Somit beträgt die Periodendauer 1 / (50 Hz) = 1/(50 * 1/s) * = 1/50 s = 0,02s * 1 Hz = 1 / s 7

8 Exkurs: Zehner-Potenzen Um im Umgang mit Größen nicht ständig alle Nullen anzugeben, werden diese durch entsprechende Zeichen vor der Einheit ersetzt. Die Häufigsten und Wichtigsten sind: Bezeichnung Zahl Name Formelzeichen Beispiel Milliardstel 0, Nano 1n Nanosekunde 1 ns Millionstel 0, Mikro 1µ Mikrometer 1 µm Tausendstel 0,001 Milli 1m Milligramm 1 mg Tausend 1000 Kilo 1k Kilometer 1 km Millionen Mega 1M Megawatt 1 MW Milliarden Giga 1G Gigahertz 1 Ghz 8

9 Frequenzspektrum I W.J. Kaufmann, Universe [Freeman, New York] entnommen: Ultrakurzwellen Kurzwellen Mittelwellen Meterwellen 9

10 Frequenzspektrum II Exemplarisch einige benutzte Frequenzbänder: Verwendung Wellenlänge (ca.) Frequenzbereich 8m Band (BOS) 8m 34,360 39,840MHz 6m Band (BOS) 6m 50 51,2MHz 4m Band (BOS) 4m 74 87,5MHz UKW-Rundfunk 3m 87,5 108MHz 2m Band (BOS) 2m MHz Digitaler BOS-Funk 77cm MHz, MHz 70cm Band (ISM) 70cm MHz 70cm Band (BOS) 70cm MHz D-Netz (GSM) 32cm 900MHz E-Netz (GSM) 16cm 1800MHz US-Netz (GSM) 15,5cm 1900MHz Mikrowellenherd 7,5cm 4GHz Lichtwellen 400nm 700nm 300THz 3PHz Röntgenstrahlen 1nm 1pm 300PHz 300EHz Gammastrahlen < 1pm > 300EHz Bei der Betrachtung dieser Tabelle fällt eine Tatsache auf: Je höher die Frequenz, desto kleiner die Wellenlänge. f λ 10

11 Ausbreitungsgeschwindigkeit Zwischen Wellenlänge und Frequenz gibt es also einen Zusammenhang. Dieser Zusammenhang liefert die Geschwindigkeit, mit der sich elektromagnetische Wellen ausbreiten. Diese Geschwindigkeit ist die Lichtgeschwindigkeit. C = km/s Für die Berechnung des Zusammenhangs gilt: c = λ * f Beispiel: Wellenlänge: Frequenz: λ = 4m f = 75 MHz = Hz c= λ * f = 4 m * Hz = 4 * 75 * * 1 m * 1 Hz = * 1m * 1/s = * 1m/s = m/s Mega: 1 Millionen Einsetzen der Werte für λ und f Abspalten der Einheiten 1 Hz = 1/s Rechnen mit den Einheiten und Zurückführen der Einheiten zur Größe 11

12 Die Bänder der BOS Den BOS stehen insgesamt 5 Frequenzbereiche (sog. Bänder) zur Verfügung. Das 8m Band wird kaum / gar nicht mehr genutzt Das 4m Band bildet die Grundlage für die Kommunikation über weite Strecken Das 2m Band bildet die Grundlage für die Kommunikation an der Einsatzstelle Das 70cm Band wird z.b. für die Relaiskommunikation (DAU / Gleichwelle) genutzt Das 77cm Band bildet den später verwendeten Bereich, der zur Kommunikation im Digitalen Bündelfunk TETRA dient. Derzeit laufen die Pilotversuche im Kreis Aachen. Im weiteren sind nur zwei Bänder von Interesse: Das 4m-Band als Kommunikationsgrundlage von Fahrzeugen und Gebäuden. Das 2m-Band als Spritzenfunk an der Einsatzstelle. 12

13 Die Bänder der BOS Das 4m-Band Das 4m-Band hat die folgenden Eigenschaften: Frequenzbereich 74,215 77, 475MHz / 84,015 87,255MHz Unterband Oberband Kanäle davon: nur im Oberband 510 nur im Unterband Kanalabstand Bandabstand 20 khz 9,8 MHz Beispiel Kanal 491: Kanal 492: 77,095MHz (U) / 86,895MHz (O) 77,115MHz (U) / 86,915MHz (O) 13

14 Die Bänder der BOS Das 2m-Band Das 2m-Band hat die folgenden Eigenschaften: Frequenzbereich 165,21 169,38MHz / 169,81 173,98MHz Unterband Oberband Kanäle (Kanal und Kanal ) Kanal 1 bei 167,560MHz und Kanal 101 bei 165,21 MHz Kanalabstand Bandabstand 20 khz 4,6 MHz Beispiel Kanal (2)25: Kanal (2)26: 168,04MHz (U) / 172,64MHz (O) 168,06MHz (U) / 172,66MHz (O) 14

15 Modulation Um Signale über Funk übertragen zu können, muss man die vom Funkgerät erzeugten Trägersignale mit dem zu übertragenden Signal kombinieren, diese also so verändern. Hierbei spricht man von Modulation. Amplitudenmodulation Hierbei verändert sich mit jeder Änderung des zu übertragenden Signals die Auslenkung des Trägersignals. Frequenzmodulation Hierbei ändert sich im geringen Rahmen die Frequenz des Trägersignals mit jeder Änderung des zu übertragenden Signals. 15

16 Ausbreitung Bisher wissen wir über die Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen: Elektromagnetische Wellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Licht ist eine elektromagnetische Welle. Breiten sich elektromagnetische Wellen also wie Licht aus? Ab einer gewissen Frequenz (etwa 30 MHz) breiten sich elektromagnetische Wellen wie Licht aus; man spricht hierbei von Quasioptischen Wellen. Konkret bedeutet dies: Treffen Sie auf ein Hindernis, werden sie gebrochen oder reflektiert; bei der Reflexion gilt: Einfallwinkel = Ausfallwinkel. Beim Passieren von Hindernissen werden sie gebeugt. Beim Durchqueren von Hindernissen werden sie gedämpft. Sie gehen ungehindert durch die Erdatmosphäre. 16

17 Wellentypen Man unterscheidet drei Typen von Wellen Bodenwellen Direktwellen Raumwellen 17

18 Wellentypen Man unterscheidet drei Typen von Wellen Bodenwellen Direktwellen Raumwellen Bodenwellen Bodenwellen breiten sich entlang des Erdbodens aus. Sie folgen der Krümmung der Erde. Hierbei werden sie gedämpft. 18

19 Wellentypen Man unterscheidet drei Typen von Wellen Bodenwellen Direktwellen Raumwellen Direktwellen Direktwellen breiten sich geradlinig ( direkt ) aus. Sie breiten sich in einer Linie von der Antenne des Senders aus. Gedämpft werden sie nur beim Auftreffen auf Hindernisse oder durch die Luft (diese Dämpfung wirkt sich jedoch erst nach einigen Kilometern aus). 19

20 Wellentypen Man unterscheidet drei Typen von Wellen Bodenwellen Direktwellen Raumwellen Raumwellen Raumwellen breiten sich im Raum aus; sie gehen in Richtung Weltraum / Atmosphäre. Je nach Frequenz werden sie dort reflektiert oder strahlen durch die Atmosphäre durch. Bestimmte Wetterphänomene können die Raumwellen so brechen, dass sie reflektiert werden: Es kommt zu sog. Überreichweiten. 20

21 Direktwellen Direktwellen sind für die Ausbreitung der quasioptischen Wellen maßgeblich verantwortlich. Meist ist die Reichweite auf die Sichtweite beschränkt. Dies trifft vor allem im 2m und 70cm Band zu. Jedoch spielen Boden- und Raumwellen eine Rolle. Diese Wellen sorgen für die Verbindung, wenn keine Sichtverbindung vorhanden ist. 21

22 Direktwellen Direktwellen sind für die Ausbreitung der quasioptischen Wellen maßgeblich verantwortlich. Meist ist die Reichweite auf die Sichtweite beschränkt. Dies trifft vor allem im 2m und 70cm Band zu. Jedoch spielen Boden- und Raumwellen eine Rolle. Diese Wellen sorgen für die Verbindung, wenn keine Sichtverbindung vorhanden ist. Durch bauliche oder geographische Gegebenheiten (Häuser, Bäume, Hügel) werden die Wellen so abgelenkt, das sie ihre Richtung ändern. So können sie Hindernisse überwinden. Wellen können z.b. an Hügeln oder Bergen gebeugt werden, so dass sich ihre Richtung in in Richtung des Tals dahinter ändert. 22

23 Direktwellen Direktwellen sind für die Ausbreitung der quasioptischen Wellen maßgeblich verantwortlich. Meist ist die Reichweite auf die Sichtweite beschränkt. Dies trifft vor allem im 2m und 70cm Band zu. Jedoch spielen Boden- und Raumwellen eine Rolle. Diese Wellen sorgen für die Verbindung, wenn keine Sichtverbindung vorhanden ist. Durch bauliche oder geographische Gegebenheiten (Häuser, Bäume, Hügel) werden die Wellen so abgelenkt, das sie ihre Richtung ändern. So können sie Hindernisse überwinden. Wellen können zum Beispiel an Häusern reflektiert werden, so dass sie um ein Hindernis herum wandern 23

24 Direktwellen Direktwellen sind für die Ausbreitung der quasioptischen Wellen maßgeblich verantwortlich. Meist ist die Reichweite auf die Sichtweite beschränkt. Dies trifft vor allem im 2m und 70cm Band zu. Jedoch spielen Boden- und Raumwellen eine Rolle. Diese Wellen sorgen für die Verbindung, wenn keine Sichtverbindung vorhanden ist. Es gibt Bereiche, in die trotz Beugung oder Reflexion keine Welle vordringen kann, da die benötigte Richtungsänderung zu groß wäre. Solche Bereiche werden als Funkschattenbereich bezeichnet. 24

25 Reichweite Die Reichweite einer elektromagnetischen Welle ist von verschiedenen Faktoren abhängig: Sendeleistung, Empfindlichkeit der Rauschsperre (Gerät) Verluste, frequenzabhängige Dämpfung Standort, Antennenhöhe Wetterverhältnisse, Bodenbeschaffenheit Umgebung (Täler, Berge, Häuserschluchten, Wald, Gewässer, etc.) Antenne, Stehwelle 25

26 Standortwahl Der Aufbauplatz einer Funkstation sollte nach folgenden Gesichtspunkten gewählt werden: Er sollte so hoch wie nötig und so niedrig wie möglich sein. Man sollte möglichst Sichtverbindung zu den Stationen haben. Man sollte sich von Häusern, Bäumen, etc. fernhalten; beim Einsatz von Handfunkgeräten sollte man nach Möglichkeit die Nähe von Fahrzeugen und Personen(gruppen) meiden. Die Wellen könnten abgeschattet werden. Beim Betrieb von Handfunkgeräten im Fahrzeug sollte die Antenne senkrecht aus dem Fahrzeug gehalten werden. Mobile Funkstationen sollten bei schlechtem Empfang den Standort selbstständig wechseln. Sollte man bei der Fahrt nicht durchgehend Verbindung haben, so sollte man an einem Punkt anhalten, wo dies möglich ist. Ist bei schlechtem Empfang kein Standortwechsel möglich, so ist die Rauschsperre auszuschalten. 26

27 Zusammenfassung Elektromagnetische Wellen und ihr Aufbau Frequenzspektrum, BOS Bänder Ausbreitungsgeschwindigkeit Ausbreitung elektromagnetischer Wellen Reichweite von Funksignalen Standortwahl 27