Funkwellen und das EM-Spektrum

Einführung

Seit der Entdeckung der Radiowellen und des elektromagnetischen Spektrums in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts sind wir in vielen Bereichen auf sie angewiesen, von der industriellen Nutzung bis hin zum täglichen Gebrauch im Haushalt und im Leben des Einzelnen.

Dieser Artikel stellt den grundlegenden Aufbau von elektromagnetischen Wellen und seine Parameter vor.

Was ist eine elektromagnetische Welle?

Im Jahr 1867 sagte Maxwell voraus, dass oszillierende magnetische und elektrische Felder, die miteinander gekoppelt sind, eine Welle bilden können, die sich im Raum ausbreitet. Erst 1887 wurden die ersten Funkwellen von Heinrich Hertz im Labor produziert. Die Abbildung unten zeigt die Struktur der elektromagnetischen Welle.

Es gibt zwei oszillierende Felder – ein magnetisches (blau) und ein elektrisches (rot), die beide im rechten Winkel zueinander stehen. Beide Komponenten ergeben die elektromagnetische Welle (EM-Welle). Ein Hauptunterschied zwischen EM-Wellen und normalen Schallwellen ist, dass Schallwellen ein Medium wie Luft oder Holz brauchen, um sich auszubreiten; EM-Wellen dagegen können sich in einem Vakuum ausbreiten. Außerdem breiten sich alle EM-Wellen mit Lichtgeschwindigkeit c durch ein Vakuum aus.

Parameter der EM-Welle

Es gibt verschiedene Parameter, aus denen sich die EM-Welle zusammensetzt.

Die Amplitude ist die maximale Feldstärke der elektrischen und magnetischen Wellen (Der Einfachheit halber zeigen wir nur das elektrische Feld.). Je größer die Feldstärke ist, desto höher sind die Wellenberge.

Die Wellenlänge (m) in der Abbildung oben ist die horizontale Entfernung von einem Wellenberg zum nächsten. In der Regel wird dies mit dem Symbol λ (ausgesprochen “Lambda”) gekennzeichnet.

Die Frequenz f [Hz] ist der Kehrwert der Wellenperiode T. Da die elektrischen und magnetischen Felder zwischen Minimal- und Maximalwerten zyklisch wechseln, hat ein Zyklus eine Dauer von T Sekunden.

Die Frequenz in Hz wird also wie folgt ermittelt:

Die Phasengeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, in der sich die Welle durch das Medium ausbreitet. Da sich die Phasengeschwindigkeit aller EM-Wellen im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit c ausbreitet und per Definition von der Zeit abhängt, die ein Punkt auf der Welle benötigt, um eine Wellenlänge zurückzulegen, können wir sie wie folgt ausdrücken:

$$c = \frac{λ}{T} = {λ}f$$

wobei c = 300.000.000 m/s. Da dies der feste Wert für Wellen ist, die sich im Vakuum ausbreiten, steht die Beziehung zwischen Wellenlänge und Frequenz in direktem Zusammenhang. Ein Beispiel:

100 kHz (100.000 Hz): Wellenlänge = 3 km

145 MHz (145.000.000 Hz): Wellenlänge = 2 m

430 MHz (430.000.000 Hz): Wellenlänge = 70 cm

868 MHz (868.000.000 Hz): Wellenlänge = 35 cm

2.4 GHz (2.400.000.000 Hz): Wellenlänge = 12,5 cm

Beachten Sie, dass der Wert “c” die Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum ist. Unter verschiedenen Medien, z. B. Koaxialkabel, kann dieser Wert leicht variieren.

 

Die Polarisation gibt an, in welcher Richtung oder Ebene sich die Welle ausbreitet. Üblicherweise wird die Orientierung des elektrischen Feldes zur Bestimmung der Polarisation verwendet. Die Polarisation ist wichtig, da die Ausrichtung der Empfangsantenne mit der Wellenpolarisation übereinstimmen muss. Normalerweise wird sie mit “H” (horizontal) oder “V” (vertikal) bezeichnet. Eine andere, weniger häufige Art der Polarisation ist die zirkulare, die bei einigen Satellitenkommunikationssystemen verwendet wird. Wir beschränken uns hier aber vorerst auf die horizontale und vertikale Polarisation.

Das EM-Spektrum

Wellen unterhalb 3 kHz	Funkwellen	Infrarot	Sichtbar	Ultraviolett	Röntgenstrahlen	γ-Strahlen
3 kHz und tiefer	3 kHz bis 3 THz	3 THz bis 380 THz	380 THz bis 790 THz	790 THz bis 100.000 THz	100.000 THz bis 10.000.000 THz	10.000.000 THz und oberhalb

Das EM-Spektrum ist ein kontinuierliches Spektrum, das von niederfrequenten Wellen bis zu hochfrequenten Wellen reicht. Es ist möglich, das Spektrum in Wellentypen zu unterteilen, je nachdem, wie sie mit der Natur interagieren.

< 3 kHz: Wellen in diesen niedrigen Frequenzen treten natürlicherweise als Teil von physikalischen Prozessen auf der Erde und im Weltraum auf.

3 kHz bis 3 THz: verwendet als Bezeichnung für HF-(„Hochfrequenz“) Wellen

3 THz bis 380 THz: Dies ist der Infrarotbereich. Er liegt knapp außerhalb des sichtbaren Bereichs und ist daher für das bloße Auge unsichtbar, kann aber als Wärme wahrgenommen werden.

380 THz bis 790 THz: Dies ist der Teil des EM-Spektrums, der für den Menschen als gewöhnliches Licht sichtbar ist.

790 THz bis 100.000 THz ist der ultraviolette (UV) Bereich etwas außerhalb des sichtbaren Bereichs

100.000 THz bis 10.000.000 THz: Röntgenstrahlen, entdeckt durch den deutschen Wissenschaftler Wilhelm Röntgen

> 1000 THz: Gammastrahlen

HF-Applikationen

Für den HF-Teil des EM-Spektrums können wir diesen Bereich wie folgt unterteilen:

HF-Bereich	Frequenz	Wellenlänge	Hauptapplikationen
VLF (Very Low Frequency)	3 kHz bis 30 kHz	100 km bis 10 km
LF (Low Frequency)	30 kHz bis 300 kHz	10 km bis 1 km	Schiffs-/Flugzeugbaken
MF (Medium Frequency)	300 kHz bis 3 MHz	1 km bis 100 m	AM-Rundfunk, Schiffsfunk, Amateurfunk
HF (High Frequency)	3 MHz bis 30 MHz	100 m bis 10 m	KW-Rundfunk, Schiffs-/Flugzeugfunk, Amateurfunk
VHF (Very High Frequency)	30 MHz bis 300 MHz	10 m bis 1 m	Funk mit geringer Leistung, FM-Funk, Kommunikation Feuerwehr/Polizei, Katastrophenschutz
UHF (Ultra High Frequency)	300 MHz bis 3 GHz	1 m bis 10 cm	Kleinleistungsfunk, Wireless LAN, Bluetooth, Mobiltelefone, Fernsehen, MCA, Amateurfunk
SHF (Super High Frequency)	3 GHz bis 30 GHz	10 cm bis 1 cm	Satellitenkommunikation, Radar
EHF (Extremely High Frequency)	30 GHz bis 300 GHz	1 cm bis 1 mm	Satelliten, Funkastronomie, Radar
Sub-Millimeter	300 GHz bis 3 THz	1 mm bis 0.1 mm

Kleinleistungsfunk

Das ist der Hauptschwerpunkt der Funkmodule von Circuit Design, die die Frequenzbereiche 150 / 300 / 400 / 800 / 900 / 1200 / 2400 MHz (Datenkommunikation) und 800 MHz (Audio- und Sprachkommunikation) nutzen. Der HF-Leistungspegel von Circuit Design-Funkmodulen liegt im Allgemeinen nicht über 10 mW.