Funktechnik

Es gibt kaum einen Bereich, wo wir auf die Übertragung von Sprache und Daten über die Luft verzichten können. Egal ob Fernsehen, Radio, Telefon oder sogar Netzwerk, überall ist die Funktechnik Bestandteil unsers Lebens.
Was uns so alltäglich erscheint ist mit verschiedenen physikalischen Effekten und hochkomplizierter und empfindlicher Technik verbunden. Die physikalischen Hintergründe werden im folgenden beleuchtet und verständlich erklärt.

Was ist Funktechnik?

Heinrich Hertz ist deshalb bekannt, weil sein Name als Einheit Hertz, kurz Hz, der Frequenz f gewidmet ist.
Doch viel wichtiger ist, Heinrich Hertz hat als erster demonstriert, wie elektrische und magnetische Felder zur Übertragung von Nachrichten genutzt werden können. Damals, 1886, gab es noch keine Elektronenröhren oder Transistoren. Deshalb wurde mittels einer Funkenstrecke das Sendesignal erzeugt. Hieraus ergibt sich auch die Bezeichnung Funk. Erst später fand man heraus, dass mit langen Drähten die Reichweite der Signale, den Funkwellen, gesteigert werden kann. Die Funkenstrecke starb aus, die Antenne war geboren, der Name Funk blieb. Und deshalb wird jede technische Einrichtung, die elektrische und magnetische Felder zur Übertragung von Daten oder der Kommunikation genutzt werden, der Funktechnik zugeordnet.

Antenne

Wie entstehen Funkwellen?

Funkwellen entstehen nicht von selbst. Zur Erzeugung von Funkwellen ist ein Schwingungserzeuger notwendig. Das kann ein Oszillator sein, der die sogenannte Grund- oder Trägerwelle erzeugt. Es handelt sich dabei um einen physikalischen Effekt.
In der Elektronik spricht man in der Regel nicht von Wellen. Denn Funkwellen sind Frequenzen. Der Oszillator erzeugt ein Wechselspannungssignal mit einer bestimmten Frequenz. Erst ab 16.000 Schwingungen in der Sekunde (Frequenz) neigen Signale dazu in den freien Raum abzustrahlen. Der Wellenwiderstand Z des freien Raums (377 Ohm) ist dann geringer als der Wellenwiderstand der Antenne bzw. der Leitung. Dem elektromagnetischen Feld ist es dabei nicht mehr möglich in den Leiter zurück zu kehren (Weg des geringsten Widerstandes). Dadurch strahlt das elektromagnetische Feld von der Antenne ab.

Dämpfung der Funkwellen

Leider haben Funkwellen den Nachteil, dass sie mit der Zeit schwächer werden. Das bedeutet, Funkwellen haben keine unendliche Reichweite. Funkwellen werden zusätzlich durch Gegenstände gedämpft. Je nach Materialbeschaffenheit und -zusammensetzung der Hindernisse ergeben sich unterschiedliche Dämpfungseigenschaften.

Material	Dämpfung	Beispiele
Holz	gering	Möbel, Decken, Zwischenwände
Gips	gering	Zwischenwände ohne Metallgitter
Glas	gering	Fensterscheiben
Wasser	mittel	Mensch, feuchte Materialien, Aquarium
Mauersteine	mittel	Wände, Decken
Beton	hoch	massive Wände, stahlarmierte Betonwände
Gips	hoch	Zwischenwände mit Metallgitter
Metall	sehr hoch	Aufzugsschacht, Brandschutztüren, Stahlbetonkonstruktionen

Was hat es mit der Trägerfrequenz auf sich?

Die Trägerfrequenz, die vom Oszillator erzeugt wird, ist eine elektromagnetische Welle, die nicht hörbar ist. Die Trägerfrequenz f_T alleine ist noch keine Information. Diese muss in Form einer anderen Frequenz auf die Trägerfrequenz im Huckepackverfahren aufgesetzt werden. Erst dann können Informationen, in der Regel unterschiedliche Zustände in codierter Form, übertragen werden. Dieses Verfahren nennt sich Modulation. Die bekanntesten Modulationsverfahren sind die Amplitudenmodulation (AM), die Phasenmodulation (PM) und die Frequenzmodulation (FM), die bei der Übertragung unserer Radiosender (UKW) verwendet wird.

Modulation und Modulationsverfahren

Wie war das noch mal mit Schwingung und Frequenz?

Die Anzahl der Schwingungen, also Funkwellen pro Sekunde, werden als Frequenz (f) mit der Einheit Hertz (Hz) angegeben.

	in Hz		in Sek.

Beispiel: 16.000 Schwingungen in der Sekunde sind 16.000 Hz bzw. 16 kHz.

Wie weit reicht ein gesendetes Signal?

Die Reichweite eines Signals ist abhängig von der Wellenlänge einer Frequenz und von der Signalstärke. Und, um genau zu sein, auch von der Dämpfung. Die Signalstärke wird durch die Sendeleistung bestimmt. Die Wellenlänge l wird in Meter angegeben. Dafür gilt folgende Formel:
Formel zur Berechnung der Wellenlänge l
Die Lichtgeschwindigkeit ist ein Konstante. Der Wert beträgt 300.000.000 m/s (Meter pro Sekunde) oder 300.000 km/s (Kilometer pro Sekunde).
Beispiel: Beispiel der Formel zur Berechnung der Wellenlänge l
Man spricht dann auch vom 70-cm-Band.

	c		m/s
l =		=		= m
	f		Hz

Durch die oben genannte Formel ergeben sich unterschiedliche Wellenlängen aus den Frequenzen. Geht man davon aus, das die Sendeleistung konstant ist, so bestimmt die Wellenlänge die Reichweite. D. h., bei konstanter Sendeleistung nimmt die Reichweite des Senders proportional zur Wellenlänge ab. Halbiert man die Wellenlänge nimmt die Reichweite drastisch ab. Je höher eine Frequenz, desto geringer die Reichweite.

Kann ein Signal einfach so auf einer Frequenz gesendet werden?

Nein, das geht nicht. Damit kein Frequenz-Chaos entsteht, sind Frequenzen bzw. Frequenzbereiche einer Anwendung zugeteilt. Z. B. für Radio, Fernsehen, Amateurfunk, CB-Funk, Flugfunk, Schiffsfunk, Taxi, Polizei, Feuerwehr, Mobilfunk, etc. Die Funktechnik ist sehr weit fortgeschritten. So weit, dass sogar für lokale Netzwerke der freie Raum als Übertragungsmedium genutzt wird. Und weil das Übertragungsmedium praktisch kostenfrei zu Verfügung steht, wird es auch gerne und viel genutzt. Die Dichte der Funksysteme ist so hoch, dass der störungsfreie Betrieb nur durch gesetzlich vorgeschriebene Abstände zwischen den Frequenzbereichen möglich ist.