RF design guide    Was sind Funkwellen?

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Im Laufe des technischen Fortschritts haben sich immer mehr Geräte verbreitet, für die Funkwellen genutzt werden, wie Fernsehen, Mobiltelefone usw. Deswegen sind Funkwellen mittlerweile praktisch überall vorhanden. Die Funkwellen selbst sind jedoch nicht von den Menschen erfunden worden. Es gibt sie bereits seit der Entstehung des Universums. Natürliche Funkwellen werden ständig von der Sonne und den anderen Sternen auf die Erdoberfläche ausgestrahlt, außerdem entstehen elektromagnetische Wellen (Funkwellen) auch aus Bewegungen der Erdkruste, durch Blitze und aus anderen Ursachen.
Die Menschen entdeckten die Funkwellen jedoch und entwickelten Geräte zu ihrer Erzeugung. Funkwellen werden seitdem in allen möglichen Bereichen eingesetzt. Zu den bekannten Anwendungen gehören Mobiltelefone, Fernseh-, Radio- und Amateurfunkgeräte und Ähnliches. Mobiltelefone haben sich in explosionsartiger Geschwindigkeit verbreitet, so dass Menschen untereinander von beliebigen Orten aus in Kontakt treten können. Der Austausch von E-Mails ist ebenfalls eine sehr beliebte Anwendung. Fernsehbilder werden aus Ländern auf der anderen Seite der Erde übertragen. Für Leute ohne technologisches Interesse spielt die Funktionsweise dieser Datenübertragungen jedoch in der Regel keine Rolle. Wichtig sind die Inhalte.

Auch wenn es hier um die Entwicklung von Geräten mit Funkmodulen geht, müssen die physikalischen Eigenschaften von Funkwellen nicht besonders intensiv betrachtet werden. Einige grundlegende Kenntnisse sind schon ausreichend, um Funkgeräte entwickeln zu können.
Detaillierte Informationen zu den physikalischen Eigenschaften von Funkwellen finden Sie in der entsprechenden Literatur. Wir werden zunächst einige wesentliche Fakten darstellen.

Dies bezieht sich auf Funkmodule; die Reichweite der Datenübertragung beträgt mehrere Kilometer; die Frequenz der Funkwellen liegt zwischen wenigen Hundert MHz und dem zweistelligen GHz-Bereich.
 

Funkwellen sind elektromagnetische Wellen. Dazu gehören auch Röntgenstrahlen, UV-Licht, sichtbares Licht usw., obwohl Sie vielleicht meinen, dass Funkwellen ganz anders sind. Funkwellen sind länger als Infrarotstrahlen und werden im Funkgesetz als „elektromagnetische Wellen mit einer Frequenz < 3000 GHz (3 THz)“ definiert.
 

Funkwellen sind elektromagnetische Wellen. Zu den elektromagnetischen Wellen gehören auch Röntgenstrahlen, ultraviolettes Licht, das sichtbare Licht, Infrarotstrahlen usw. Die meisten Menschen stellen sich die Funkwellen jedoch ganz anders vor. Funkwellen haben eine größere Wellenlänge als Infrarotstrahlen. Sie werden als „elektromagnetische Wellen mit einer Frequenz unter 3000 GHz“ definiert. Im freien Raum entspricht ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit derjenigen des Lichts, ca. 300.000 km pro Sekunde. Die Entfernung zwischen Erde und Mond beträgt ca. 390.000 km, ein Signal vom Mond würde also nach ungefähr 1,3 Sekunden auf der Erde ankommen.
 

Denken Sie an die Experimente, die in der Schule im Physikunterricht durchgeführt wurden. Wird ein Kupferdraht auf einen Kompass gelegt und mit einer Batterie unter Strom gesetzt, schlägt die Kompassnadel aus. Wenn dagegen ein Stabmagnet schnell durch die Mitte einer Kupferdrahtspule bewegt wird, schlägt die Nadel des angeschlossenen Strommessers aus. Im ersten Fall wurde durch einen Strom (elektrisches Feld) ein Magnetfeld erzeugt, im zweiten Fall wurde durch die Änderung des Magnetfelds ein Strom (elektrisches Feld) erzeugt.
Wenn ein Hochfrequenzstrom durch eine Antenne fließt, ändert sich das elektrische Feld plötzlich, und in der Umgebung wird ein Magnetfeld erzeugt. Durch dieses Magnetfeld wird ein elektrisches Feld hervorgerufen. Dieser Vorgang wird wiederholt, wobei sich Materie im Raum entsprechend der Form der Funkwelle im rechten Winkel zur Richtung der Schwingung des elektrischen und des Magnetfelds bewegt. Das elektrische Feld (E) und das Magnetfeld (H) schwingen im rechten Winkel zueinander. Auf diese Weise sind elektrische Felder und Magnetfelder in Funkwellen notwendig miteinander verbunden, und keines besteht unabhängig vom jeweils anderen.
Die Eigenschaften von Funkwellen werden häufig mit denjenigen von Schallwellen verglichen; der wesentliche Unterschied besteht jedoch darin, dass Funkwellen auch in Abwesenheit von Materie (eines Mediums) übertragen werden. (Für die Übertragung von Schallwellen ist Luft erforderlich.)
Anders gesagt: Funkwellen können auch im Vakuum übertragen werden. Funkwellen werden auch mit Hilfe von Kommunikationssatelliten übertragen.
 

Möglicherweise haben Sie die Begriffe „Longitudinalwelle“ und „Transversalwelle“ schon einmal gehört. Wellen, die wie Klang in derselben Richtung wie ihre Ausbreitungsrichtung schwingen, werden als Longitudinalwellen bezeichnet, Wellen, die im rechten Winkel zu ihrer Ausbreitungsrichtung schwingen, als Transversalwellen. Funkwellen sind eine Art von Transversalwellen.
 

Je kürzer die Wellenlänge der Funkwellen ist, desto ähnlicher werden ihre Eigenschaften denjenigen des Lichts, und desto geradliniger werden sie. Mit anderen Worten, ihre Energie konzentriert sich in eine Richtung. Man spricht von einer starken Richtwirkung. Außerdem gilt: Je höher die Frequenz, desto stärker ist die Dämpfung der Wellenenergie.
Im Allgemeinen betrachtet man die Ausbreitung der Funkwellen als geradlinig. Doch was geschieht, wenn sich physische Hindernisse wie Berge, Gebäude, Wände oder Menschen auf ihrem Weg befinden?
Nehmen wir das Beispiel einer städtischen Umgebung, in der sich viele Gebäude befinden: Es gibt direkte Wellen, die ungehindert ankommen, reflektierte Wellen, die ankommen, nachdem sie auf Gebäude und andere Hindernisse gestoßen sind, gebeugte Wellen, die Gebäudeschatten umgehen, gesendete Wellen, die ankommen, nachdem sie Glas, Wände oder Gebäude passiert haben, usw. Die Art der Welle, richtet sich nach der Art (dem Material) des Hindernisses. Funkwellen können Glas und Keramik passieren (Permeation), werden aber von Metall und Beton reflektiert. Des Weiteren werden Wellen mit Frequenzen, die über einigen GHz liegen, durch Regen, Schnee, Nebel und Ähnliches zerstreut und absorbiert und ihre Leistung so tendenziell abgeschwächt.
 

Die Wellenlänge λ (Lambda) von Funkwellen lässt sich folgendermaßen berechnen: Wenn die Frequenz der Funkwelle f und die Geschwindigkeit der Funkwelle im Vakuum C ist, dann
 

Da die Geschwindigkeit einer Funkwelle im Vakuum ca. 300.000 km pro Sekunde (ca. 3 × 108 m/s) beträgt, ist die Wellenlänge λ bei 433 MHz: λ = (3 × 108 m/s) / (433 × 106 Hz) = 0,693 m. 

< Klicken Sie hier, um zum Berechnungsfenster zu gelangen.>

Es besteht eine enge Beziehung zwischen der Wellenlänge der Funkwelle und den Eigenschaften der Antenne.

Es versteht sich von selbst, dass es dort, wo eine menschliche Stimme von einem Mobiltelefon empfangen wird, Funkwellen geben muss. Allerdings hängt es im wesentlichen mit der Entfernung von der Sendeantenne zusammen, ob es dort Funkwellen gibt oder nicht. Die Stärke der Funkwellen wird von der elektrischen Feldstärke an diesem Ort angezeigt.
 

 Elektrische Feldstärke an einem beliebigen Ort 

Wenn man die Eigenschaften von Funkwellen und Antennen theoretisch betrachtet, nimmt man eine virtuelle Antenne, eine sogenannte isotrope Antenne, als Referenz. Solche Antennen sind punktförmig und können mit einer gewissen Feldstärke Funkwellen in alle Richtungen aussenden und von überall empfangen.

Wie im folgenden Diagramm zu sehen ist, bezeichnet man die Flächenleistung am Ort D [m] entfernt von einer isotropen Antenne mit P [W] Leistung als Leistungsdichte [W/m2]. Das ist der Wert, der unter (2) dargestellt ist.

Außerdem ist der Wert für den Poynting-Vektor* PV [W/m2] an diesem Ort (1), wobei man von einer elektrischen Feldstärke E [V/m] ausgeht. Da die Leistungsdichte und der Poynting-Vektor gleich sind, vorausgesetzt (1) = (2), ist die elektrische Feldstärke am entfernten Ort D [m] (3).

* Die Bezeichnung „Poynting-Vektor“ stammt von John Henry Poynting.
 

 Elektrische Feldstärke an einem beliebigen Ort mit einer Antenne mit absolutem Gewinn G_i 

Den oben erwähnten Formeln entsprechend nimmt man im allgemeinen eine Antenne mit absolutem Gewinn Gi zur Feststellung der Feldstärke des Ortes D [m]. Ersetzen Sie Gi durch den wahren Wert.
 

Die Empfangsleistung einer Antenne kann aus der elektrischen Feldstärke am Aufstellungsort der Antenne ermittelt werden. Im folgenden finden Sie die Berechnung der Empfangsleistung im freien Raum. Es gibt eine Reihe von Faktoren für den Ausbreitungsverlust und man kann ihn nicht einfach berechnen; es ist jedoch möglich, annähernde Werte und Tendenzen festzustellen.

Da in einer Höhe von 1m über dem Boden viele Mobilfunkgeräte im Einsatz sind, stellen wir die Berechnung des Ausbreitungsverlusts für zwei einfache Wellenarten über flachem Gelände dar.
 

Berechnung der Empfangsleistung mit Hilfe der Friisschen Ãœbertragungsformel

Die Friissche Übertragungsformel zeigt das Verhältnis zwischen der Sendeleistung und der Empfangsleistung der Antenne am Ort D [m]. Die Empfangsleistung kann von der Leistungsdichte PD (1) der empfangenden Station und von der Wirkungsfläche AR (2) der Empfangsantenne ermittelt werden. Da PR = PD * AR, ergibt sich die Empfangsleistung wie bei (3) dargestellt.
 

Berechnung der Empfangsleistung mit Hilfe des Poynting-Vektors und der Antennenwirkungsfläche

Die Empfangsleistung kann durch den Poynting-Vektor PV (1) der Empfangsstation und die Wirkungsfläche der Empfangsantenne AR (2) wie bei (3) dargestellt ermittelt werden. Wenn die Feldstärke der Empfangsstation und der absolute Gewinn der Empfangsantenne bekannt sind, kann man die Empfangsleistung feststellen.
 

Berechnung der elektrischen Feldstärke und der Empfangsleistung im freien Raum

Die ungefähren Werte der elektrischen Feldstärke und der Empfangsleistung im freien Raum können mit der folgenden Berechnungshilfe ermittelt werden.
 

Berechnung der elektrischen Feldstärke und der Empfangsleistung über flachem Gelände

Die ungefähren Werte der elektrischen Feldstärke und der Empfangsleistung über flachem Gelände können mit der folgenden Berechnungshilfe ermittelt werden.
 

Im freien Raum (Raum, in dem der Ausbreitung der Funkwellen nichts im Weg steht) nimmt die Stärke der Funkwellen proportional zum Quadrat der Entfernung und umgekehrt proportional zum Quadrat ihrer Wellenlänge ab. 
Wenn das Verhältnis der effektiven Empfangsleistung Wr, die Sendeleistung Wt, der Ausbreitungsverlust im freien Raum L genannt wird, die Frequenz f [Hz], die Entfernung d [m], die Wellenlänge λ [m] und der absolute Gewinn der Sende- und der Empfangsantenne Gt und Gr (in Dezibel), erhalten wir 
 

Wenn die verwendeten Sende- und Empfangsantennen isotrope (oder sphärische) Antennen sind, wird der Ausbreitungsverlust im freien Raum LB genannt.
Da der ermittelte Wert eine Verlustberechnung ist, ist das Vorzeichen immer Minus.
 

Beispiel:
Bei einer Frequenz von 400 MHz und einer Entfernung von 500 m ergibt sich LB [dB] = 78,5 dB.
Bei einer Frequenz von 2400 MHz und einer Entfernung von 500 m ergibt sich LB [dB] = 94,0 dB.
Der Unterschied im Ausbreitungsverlust abhängig von der Frequenz ist leicht zu erkennen.
 

(1) Was geschieht mit der Empfangsleistung?

Unter der Annahme, dass keine anderen Verluste als bei der Ausbreitung im freien Raum auftreten, wird zur Berechnung der Empfangsleistung an der Empfangsantenne in Dezibel die folgende Formel verwendet. 
Es ist jedoch zu beachten, dass die Sendeleistung die Leistung ist, die direkt auf die Antenne einwirkt. Für die Ausgänge oder Eingänge von Funkgeräten muss auch der Verbindungsverlust durch Kabel, Anschlüsse und dergleichen in Betracht gezogen werden.

(2) In dieser Berechnung nicht berücksichtigter Ausbreitungsverlust

Diese Berechnung des Ausbreitungsverlusts im freien Raum kann fast ohne Korrekturen auf die Ãœbertragung von der Erde zu einem Kommunikationssatelliten oder auf die wechselseitige Kommunikation mit Sichtverbindung zwischen zwei hoch gelegenen Orten angewendet werden. In den Umgebungen, in denen Funkmodule eingesetzt werden, ergeben sich jedoch Auswirkungen durch Gelände, Gebäude sowie Wetterbedingungen und Ähnliches. Darüber hinaus werden die Nutzungsbedingungen in niedriger Höhe von ca. 1 m stark durch die Umgebung beeinflusst, und die Berechnungen gelten nicht unbedingt. 
Bei 400 MHz und einer Entfernung von 200 m ist die Umgebungsbeeinflussung sehr groß. Es wurde festgestellt, dass der Unterschied gegenüber dem freien Raum 20 dB beträgt. Daher ist vor dem Einsatz ein praktischer Übertragungstest notwendig.

Beispiel:
Es gibt mehrere Formeln zur Berechnung des Ausbreitungsverlusts über flachem Gelände, die von uns verwendete ist nur eine davon.


Wenn die Übertragungsdistanz im Bezug auf die eingestellte Höhe ausreichend groß ist, erhält man mit dieser Formel die folgenden Annäherungsergebnisse.



Mit den folgenden Bedingungen lässt sich die Empfangsleistung [dBm] am Empfänger berechnen.
Bedingungen: hT und hR sind die Höhen der Sende- und der Empfangsantenne, wobei hT = hR = 1,2 m. d ist die Übertragungsentfernung, wobei d = 500 m. Die Sendeleistung ist PT = 10 mW. Der Gewinn der Sendeantenne ist GTA = 0 dBi. Der Gewinn der Empfangsantenne beträgt GRA = 0 dBi. Die Übertragungsfrequenz ist 400 MHz.



Die Sendeleistung wird in Dezibel ausgedrückt: PT = 10 mW, also PT = 10 dBm



Die von der Antenne empfangene Empfangsleistung ist sehr gering: –95 dBm oder 0,316 pW (Picowatt)
 

Wahrscheinlich haben Sie schon einmal von „Mehrwegeempfang“ und „Fading“ gehört, aber was bedeuten diese Begriffe? 
Die vom Sender ausgesendeten Funkwellen kommen auf verschiedenen Wegen beim Empfänger an. Daher variiert die Stärke des Empfangsfelds mit den unterschiedlichen Routen und Distanzen. Dieses Phänomen wird als Signalschwund bezeichnet.
Je nach Ursachen gibt es viele Arten von Schwund; eine repräsentative Variante ist „Multipath Fading“. Mehrwegeempfang bedeutet, dass die Funkwellen den Empfänger über unterschiedliche Wege erreichen und dass die von der Antenne empfangene resultierende Funkwelle Interferenzen ausgesetzt ist und stark fluktuieren kann. Wenn die Signale gleichphasig sind, ist die Feldstärke hoch; sie wird jedoch schwach, wenn die Signale gegenphasig sind. Mikrowellen haben eines sehr kurze Wellenlänge, daher sind die Auswirkungen eines Mehrwegeempfangs bei ihnen besonders intensiv.

Warum treten Kommunikationsfehler auf?    <Menü>

Bei der Funkdatenübertragung können aus zahlreichen Gründen Interferenzen auftreten.
Bei Bildern und Ton können geringfügige Fehler aufgrund von Rauschen und Ähnlichem auftreten, so dass die Daten nicht korrekt beim Empfänger ankommen, doch stellt dies nicht wirklich ein Problem dar. Eigentlich stört es nicht besonders, wenn beim Fernsehen leichte Schatten auftreten, und auch bei Mobiltelefonen fallen kleine Unterbrechen oder Verzerrungen kaum ins Gewicht.
Geht es dagegen um die Steuerung von Maschinen und Geräten über Funkwellen in der Industrie, kann es aufgrund von Datenfehlern, die durch Rauschen entstehen können, zum Ausfall der Steuerung und damit zu größeren Unfällen kommen. Oder wenn ein Programm an einen Computer gesendet wird, kann beim Ausführen dieser Datei, wenn auch nur 1 Bit falsch übertragen wurde, das System abstürzen, und wichtige Daten können verloren gehen.
Die Ursachen solcher Fehler sind Probleme wie Rauschen und Interferenzen. Es folgt eine Übersicht über die möglichen Ursachen.

 Gibt es Auswirkungen auf den menschlichen Körper oder auf andere Geräte?   <Menü>

Seit der massenhaften Verbreitung der Mobiltelefone wird möglichen Auswirkungen von Funkwellen auf den menschlichen Köper und auch Effekten auf andere Geräte eine große Aufmerksamkeit geschenkt.
Natürlich muss dieser Aspekt auch bei der Entwicklung von Funkgeräten und der Verwendung von Funkmodulen berücksichtigt werden.