Funkwelle

Funkwellen (engl. radio waves) sind ein nicht scharf definierter Frequenzbereich technisch erzeugter elektromagnetischer Wellen, der die Bereiche der Radiowellen und der Mikrowellen bis zum Fernen Infrarot (FIR) umfasst.

Der Begriff „Funkwellen“ wird nur für technisch erzeugte, im wesentlichen der Nachrichtenübertragung dienende Radiowellen gebraucht, wohingegen Radiowellen auch natürlichen Ursprungs sein können.

Funkwellen umfassen Wellenlängen von vielen Kilometern bis herab zu Millimeterbruchteilen, was Frequenzen von mehreren Kilohertz bis zu 3000 Gigahertz entspricht. Mit diesen etwa zehn Größenordnungen stellen die Funkwellen den bei weitem größten Spektralbereich unter allen elektromagnetischen Wellen dar.

Prinzipiell unterscheiden sich Funkwellen (außer durch ihre niedrigen Frequenzen) nicht von anderen elektromagnetischen Wellen wie Licht, Ultraviolett- oder Röntgenstrahlen.

Funksignale werden in Sendern erzeugt, indem zunächst in Schwingkreisen durch Selbsterregung elektromagnetische Schwingungen erzeugt werden, diese dann ggf. im gewünschten Rhythmus moduliert und schließlich von einer Antenne in den Raum ausgestrahlt werden.
Im Unterschied zu Induktion und Influenz entstehen durch Ausbreitung der elektromagnetischen Felder als Welle im Raum auch in weit entfernten Empfangsantennen gleichartige, aber viel schwächere Schwingungen.

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Wortherkunft und Geschichte

Die Vorsilbe „Radio“ stammt vom lateinischen Wort „radius“ (Strahl) bzw. vom englischen „radiation“ (Strahlung).

Der Begriff „Funk“ kommt von Funke; bei einer elektrischen Entladung entstehen immer auch Funkwellen.
Die ersten Sender arbeiteten tatsächlich mit Funkenentladungen (Knallfunkensender).

Nach diesem bereits um 1800 bekannten Prinzip experimentierte man nach der Veröffentlichung der Abhandlung von James Clerk Maxwell („Treatise on Electricity and Magnetism“) und der Arbeiten von Heinrich Hertz, um Signale berührungslos über weite Strecken zu übertragen.

Hertz erregte einen Dipol durch elektrische Entladungen und wies die Existenz von diesem abgestrahlter elektromagnetischer Wellen nach, indem er an einem weiteren gleichartigen Dipol die durch den Empfang der Wellen hervorgerufenen Entladungen beobachtete.

Die erste technische Nutzung von Funkwellen gelang 1896 dem italienischen Physiker Guglielmo Marconi mit der Übertragung von Signalen über den Ärmelkanal.

Nikola Tesla versuchte später, mit Funkwellen auch Energie zu übertragen. Er benutzte die nach ihm benannte Teslaspule; diese erzeugt ebenfalls intensive Funkwellen.

Heutige Bedeutung

In der Technik sind Funkwellen bzw. Radiowellen von großer Bedeutung. Sie werden z.B. zur drahtlosen Übertragung von Informationen (Nachrichtentechnik), zur Ortung (Radar) und zur Navigation (GPS, Funkpeilung) verwendet. Das Spektrum der Funkwellen ist in verschiedene, international festgelegte Frequenzbänder unterteilt.

Es werden immer höhere Frequenzen genutzt, dadurch erhöht sich die verfügbare Bandbreite und damit die Menge der Informationen, die pro Zeit übermittelt werden kann (die Datenrate ist direkt proportional zur Bandbreite).

Das ist der Grund, warum der Rundfunk und heute die Mobiltelefonie zu immer höheren Frequenzen vorgestoßen sind.

Durch digitale Komprimierungs- und Modulationsverfahren gelingt es heute überdies, begrenzte Bandbreiten viel effektiver auszunutzen, als dies bei direkter Modulation mit Musik- oder Sprachsignalen möglich ist. Auf diese Weise werden vorhandene Frequenzbänder zur Übermittlung von wesentlich mehr Datenkanälen nutzbar.
Beispiele sind das im Aufbau befindliche digitale terrestrische Rundfunkprogramm sowie die durch digitale Übertragung wesentlich leistungsfähigeren Satelliten-Funkverbindungen (Kommunikationssatelliten, Satelliten zur Fernerkundung der Erde sowie Raumsonden).

Erzeugung von Funkwellen

Zur Erzeugung von Funkwellen benötigt man zunächst hochfrequente Ströme bzw. Spannungen entsprechender Leistung. Zu deren Erzeugung benutzte man früher:

• Knallfunkensender
• Teslaspulen
• Maschinensender (Generatoren hoher Frequenz (Langwellen)
• Elektronenröhren (hohe Leistungen bis in den Megawattbereich, auch heute noch bei hohen Frequenzen verwendet, auch Wanderfeldröhren)
• Magnetrons (etwa ab dem zweiten Weltkrieg, ab etwa 1 GHz bis Mikrowellen, auch heute vor allem für Radar angewendet)
• Tunneldioden (kleine Leistung, hohe Frequenz)

Heute setzt man Sender mit Transistoren oder bei Mikrowellen Klystrons und Magnetrons ein. Bei kleinen Leistungen und sehr hohen Frequenzen werden Gunndioden eingesetzt.

Das Hochfrequenzsignal muss anschließend mit einer Antenne abgestrahlt werden. Diese erzeugt elektrische und magnetische Wechselfelder im Raum, wodurch sich elektromagnetische Wellen bilden, die sich ausbreiten.
Je größer die Wellenlänge der abzustrahlenden Funkwellen ist, desto größer müssen elektromagnetische Felder anregende Antennen sein.

Ausbreitung von Funkwellen

Die Ausbreitung von Funkwellen ist nicht wie bei Schallwellen an ein Medium gebunden. Im Gegensatz zu letzteren breiten sie sich auch im Vakuum aus. Die Geschwindigkeit beträgt im Vakuum 299.792,5 Kilometer pro Sekunde (Lichtgeschwindigkeit) und sinkt in dielektrischen Medien ähnlich dem Licht in Glas ab.

Natürliche Radiowellen sowie tiefreichende Ionisierung der Erdatmosphäre (z.B. nach Sonneneruptionen) können den Funkverkehr stören.

Die Radioastronomie widmet sich nicht nur der Erforschung außerirdischer (extraterrestrischer) Radioquellen, sondern setzt auch Funkwellen (Radar) ein, um z.B. Asteroide und Meteoroide zu orten sowie um die Oberfläche der Nachbarplaneten der Erde zu erkunden.

Natürliche Gegebenheiten können Funkverbindungen jedoch auch verbessern:

• Mehrfachreflexionen zwischen der Ionosphäre und der Erdoberfläche ermöglichen bei bestimmten Frequenzen Funkverbindungen um die ganze Erde
• Meteore reflektieren ebenfalls Funkwellen (Meteorscatter), sodass die Reichweite steigt
• der Mond kann als Reflektor für Funkwellen dienen (EME-Funkverkehr)

Funkwellen mit Wellenlängen kürzer als etwa 3 m breiten sich jedoch quasioptisch aus, sie werden nur von der Erdoberfläche und von Gebäuden, nicht jedoch von der Ionosphäre reflektiert.
Gelegentlich treten jedoch auch hier Überreichweiten auf, die auf Brechung und Totalreflexion an verschieden dichten Luftschichten entstehen (Inversionswetterlage bzw. Inversionsschicht).

Vor der Einführung von Kommunikationssatelliten verwendete man metallisierte Ballons oder auch ballonartige Erdsatelliten zur Erhöhung der Reichweite von Funkwellen mittels Reflexion.

Empfang von Funkwellen

Der Empfang kann mit gleichartigen Antennen wie denjenigen zum Senden geeigneten geschehen. Die Funkwelle erzeugt ein elektrisches Hochfrequenzsignal, welches vor der Weiterverarbeitung meist verstärkt werden muss.
Hierzu dienten anfangs:

• bei ersten Experimenten und der frühen Telegrafie Kapseln mit Kohlegrieß oder Metallspänen; diese ändern aufgrund mikroskopischer hochfrequenter Entladungen ihre Leitfähigkeit, siehe Fritter
• Detektorempfänger (Amplitudendemodulation mit einer Diode, keine Verstärkung, direkter Anschluss eines Kopfhörers)
• Elektronenröhren und - auch heute noch teilweise - Wanderfeldröhren zur Verstärkung

Um ein einzelnes Funksignal aus mehreren Frequenzen zu selektieren, werden Schwingkreise, Bandfilter, AOW-Filter oder eine digitale Signalverarbeitung (DSP) eingesetzt. Damit ist es möglich, ein schmales Frequenzband zu verstärken, benachbarte Frequenzen jedoch zu unterdrücken.

Heute arbeitet man selbst bei Frequenzen bis zu einigen 10 GHz mit Transistoren als Verstärker und mit Dioden und Schottkydioden zur Demodulation.
Tiefere Frequenzen bis etwa zum UKW-Bereich (Wellenlänge ca. 3 m) können mit einem Integrierten Schaltkreis, einem mikroelektronischen Bauteil mit nur wenigen externen Komponenten, verstärkt, selektiert, demoduliert und weiterverarbeitet werden.

Siehe auch

• Funktechnik, Funkgerät, Fernsehen, Sprechfunk, Telekom
• Fernmeldetechnik, Frequenzband, Modulationsart, Telekommunikation
• Datenübertragung, GPS, Radiointerferometrie, Zeitzeichen