Warum Funkwellen für Kurzstreckenkommunikation bevorzugt werden

Warum werden Funkwellen für Fern- & Nahbereichsübertragung gewählt?

EINFÜHRUNG

In der Steinzeit wurden Informationen zu Fuß oder per Tier (Pferde, Kamele) übermittelt – extrem langsam. Ein Fußgänger brauchte Tage oder Monate für eine Nachricht über Distanz. Mit Tieren ging es etwas schneller, und mit dem Übergang ins 21. Jahrhundert – das Zeitalter erforschter Wissenschaft und Technologie – wurde es blitzschnell. Heute sitzen Sie in Ihrem Zimmer, wählen eine Nummer und sind augenblicklich mit jemandem Millionen Meilen entfernt verbunden. Die getippten Nachrichten und Gespräche über Handys werden alle über elektromagnetische Wellen (EM-Wellen) übertragen.

EM-WELLE

Eine elektromagnetische Welle (EM-Welle) ist eine Form elektromagnetischer Strahlung, die durch Entladung von Elektrizität oder Blitzen entsteht. Jede elektrische Entladung kann eine EM-Welle mit Wellenlänge nahe der von Funkwellen erzeugen.

Elektromagnetische Strahlung besitzt Welleneigenschaften: Ausbreitung, Beugung, Brechung, Interferenz (wenn EM-Wellen gleicher/ähnlicher Frequenz aufeinandertreffen). Das Spektrum reicht von Funkwellen (niedrige Frequenz, lange Wellenlänge) bis Gammastrahlung (höchste Frequenz, kürzeste Wellenlänge, höchste Energie).

FUNKWELLE

Funkwelle ist eine Form elektromagnetischer Strahlung mit niedriger Frequenz, ca. 150 kHz bis 100 MHz.

OSZILLATOREN

Um zu verstehen, wie Daten per Funk übertragen werden, müssen wir über Oszillatoren sprechen. Ein Oszillator kann mechanisch oder elektrisch sein – wir fokussieren auf den elektrischen. Ein elektrischer Oszillator (Schwingkreis) entsteht durch Anschluss eines Kondensators an eine Spule.

Das System wird durch Aufladen des Kondensators in Schwingung versetzt. Die Energie wird abwechselnd zwischen den Kondensatorplatten und im Magnetfeld der Spule gespeichert. Energie fließt von der Spule zum Kondensator und zurück – das System schwingt.

Der Energiefluss beinhaltet elektrischen Stromfluss. Dieser transformiert einen Teil der Systemenergie in innere Energie in Kondensator, Spule und Verbindungsdrähten.

FUNKSENDER

Bei elektrischer Entladung entsteht elektromagnetische Strahlung im Funkfrequenzbereich. Knackgeräusche im Radio bei Gewitter entstehen durch Interferenz zwischen Blitze-Funkwellen und denen eines nahen Senders. Ein kleiner Funke im Haushalt kann Radio-Rauschen erzeugen.

Ein Funke entsteht beim Ein-/Ausschalten eines Schalters, besonders bei hohem Strom. Funken von Thermostatschaltern in Herden/Kühlschränken, Türklingelkontakten etc. erzeugen alle EM-Wellen, die ein Radio detektiert. Frühe Funksender arbeiteten nach dem Funkenprinzip. Moderne Sender arbeiten anders und bestehen aus verschiedenen Sektionen:

1. Oszillator: Aus Kondensator und Spule, so dimensioniert, dass der Kreis mit mehreren kHz oder MHz schwingt. Wird er an eine Antenne angeschlossen, entsteht ein oszillierendes elektrisches Feld im Draht.
2. Rückkopplungsverstärker: Durch Energieverlust kann der Oszillator die Antenne nicht mit Energie versorgen, ohne selbst Energie zugeführt zu bekommen. Die zugeführte Energie muss in Resonanz mit dem Oszillator stehen. Dazu entnimmt man einen kleinen Bruchteil des oszillierenden Stroms vom Oszillator (der Rest geht zur Antenne), führt ihn in einen Verstärker. Dessen Ausgang ist ein großer oszillierender Strom gleicher Frequenz, der zurück in den Oszillator gespeist wird, um kontinuierliche Schwingung zu ermöglichen.

MODULATOR

Ein Funksender mit nur Oszillator und Rückkopplungsverstärker würde nur eine kontinuierliche Funkwelle konstanter Frequenz und Amplitude erzeugen. Der Modulator moduliert die Frequenz (FM) oder Amplitude (AM).

In einem Funksender wird die Audiofrequenz-EMK in den Modulator eingespeist. Auch die Trägerwelle geht in den Modulator. Dieser moduliert die Amplitude der Trägerwelle entsprechend der Wellenform der Audiofrequenz-EMK. Die amplitudenmodulierte Trägerwelle geht dann zur Antenne.

FUNKWELLEN-DETEKTION

Funkwellen werden aus manchen Gründen von einem parabolischen Reflektor reflektiert, der auf eine Empfangsstation viele Meilen entfernt zielt. Reflektoren dienen der Übertragung zu/from Telekommunikationssatelliten und Mikrowellen-Funkstrecken in Telekommunikationssystemen.

Trifft elektromagnetische Strahlung auf ein metallisches Objekt, erzeugt sie winzige elektrische Ströme darin. Die Antenne fängt die Funkwellen auf. Sie führt Ströme aller nahen Übertragungen, die sie erreichen. Würde man direkt abhören, hörte man kein klares Signal – zu viele Signale überlagern sich.

Um einen klaren Ton eines bestimmten Senders zu hören, nutzt ein Radioempfänger einen Tuner auf einen bestimmten Kanal. Der Empfänger besteht aus:

• Tuner: Primär ein Kondensator-Spulen-Kreis. Die Schwingfrequenz wird durch Variation der Kondensatorkapazität so eingestellt, dass sie der Frequenz des gewünschten Senders entspricht.
• Gleichrichter: Verbindet man einen Kopfhörer direkt mit dem Kondensator, hört man nichts – die Frequenz (150 kHz+) liegt über dem Hörbereich. Der Gleichrichter macht den Ton hörbar.
• Verstärker: Verstärkt den Strom, damit der Ton sogar über Lautsprecher hörbar ist.

BAU EINES EINFACHEN RADIOEMPFÄNGERS

Schritte zum Bau eines einfachen Radioempfängers:

• Antenne, Diode, Erdungskabel und Tuner in Reihe schalten, variabler Kondensator parallel zur Spule. Antenne: beliebiger isolierter Draht, 25 m lang.
• Metallstreifen im Erdreich vergraben und Erddraht daran anschließen. Bei trockenem Boden: wässern.
• Spule: ca. 80 Windungen isolierter Draht auf Ferritstab (verbessert Spuleneigenschaften).
• Variabler Kondensator mit geringer Kapazität, ca. 100 pF. Falls nicht verfügbar: fester Kondensator 10–470 pF.
• Diode: OA91 (Germaniumdiode). Andere Germaniumdioden funktionieren ebenfalls.
• Kein Ergebnis? 40 Windungen versuchen. Noch immer nichts? Wahrscheinlich ist der nächstgelegene Sender für diese Schaltung zu schwach.

Sie glauben, der Sender ist stark, aber kein Ergebnis? Keine Panik! Dann muss ein Verstärker in die Schaltung eingebaut werden. Verbindung gemäß Diagramm herstellen. Das ist ein einfaches Radio. Ein Funksignal hat die geringste Energie und kann keine großen Datenmengen auf einmal übertragen. Es eignet sich für lokale/kurzreichweitige Übertragung, da die meisten Funksignale Audio sind, die Funkwellen verzögerungsfrei übertragen können.

Warum werden Funkwellen für Fern-/Nahbereichsübertragung gewählt?

Sie fragen sich vielleicht, warum andere EM-Wellen nicht für Nahbereichsübertragung genutzt werden und nicht für Signale in entfernte Gebiete. Nun: Funkwellen erzeugen keine Erwärmung wie Mikrowellen.

Funkwellen niedriger Frequenz werden gebeugt – dadurch können Menschen hinter Hügeln Signale empfangen. Anders als andere EM-Wellen müssen Funkwellenempfänger nicht direkt vor einem Sender stehen.

Bei niedriger Frequenz ermöglicht Beugung den Empfang hinter Hügeln. Relaisstationen verbessern die Signalqualität. Andere EM-Wellen werden nicht so leicht gebeugt.

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