Funkwellen und Ausbreitung

Funkwellen und ihre Ausbreitung

Funknavigations-Systeme (VOR, NDB, ILS, GNSS, etc.) basieren auf der Übertragung elektromagnetischer Wellen zwischen Boden­sender und Flugzeug-Empfänger. Das Verständnis der Wellen­ausbreitung ist Grundlage für die korrekte Interpretation der Anzeigen.

Quelle: ITU-R (International Telecommunication Union, Radiocommunication Sector); ICAO Annex 10 Volume I Aeronautical Telecommunications — Radio Navigation Aids; FAA-H-8083-15 Instrument Flying Handbook §9.

Elektromagnetische Wellen — Grundgrößen

Geschwindigkeit

Die Ausbreitungs­geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen ist immer gleich der Lichtgeschwindigkeit (c = 300.000 km/s) ("the speed of propagation of electromagnetic waves is always equal to the speed of light (300,000 km/s)") — unabhängig von der Frequenz und dem Medium (näherungsweise im Vakuum).

Frequenz und Hertz

Die Frequenz eines Funksignals ist die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde einer elektromagnetischen Welle, ausgedrückt in Hertz (Hz) ("the frequency of a radio broadcast is the number of oscillations per second of an electromagnetic wave, expressed in Hertz (Hz)"). Allgemein gilt:

• Frequenz = Anzahl der Schwingungen pro Zeiteinheit.
• Einheiten: 1 kHz = 1000 Hz, 1 MHz = 1.000.000 Hz, 1 GHz = 1.000.000.000 Hz.
• Beziehung: c = λ × f (Wellenlänge × Frequenz = Lichtgeschwindigkeit).

Frequenzbänder in der Luftfahrt

Ausbreitungs­arten (Propagation Modes)

1. Bodenwelle (Ground Wave / Surface Wave)

• Beschreibung: Die Welle folgt der Erdoberfläche, durch Beugung um die Erdkrümmung.
• Stärkste Wirkung: bei LF und MF (NDB, Mittel­wellen-Rundfunk).
• Reichweite: bei NDB typisch 25-150 NM je nach Sender-Leistung.
• Tag-Nacht-Verhalten: bei Tag stabil, in der Nacht durch Sky-Wave-Interferenz beeinträchtigt.

2. Raumwelle / Himmels­welle (Sky Wave / Space Wave)

• Beschreibung: Die Welle wird vom Himmel (Ionosphäre) reflektiert und kehrt in größerer Distanz wieder auf die Erde zurück.
• Die Raumwelle der HF- und MF-Bereich-Wellen breitet sich aus als eine Welle, die in den Weltraum gesendet und durch die Ionosphäre reflektiert wird ("the space wave of HF and MF waves propagate as a wave that is transmitted towards space and is reflected by the ionosphere").
• Stärkste Wirkung: bei HF (3-30 MHz) — die Grundlage für Langstrecken-Funk (transozeanisch).
• Tag-Nacht-Verhalten: in der Nacht ist die Ionosphäre höher und reflektiert besser → größere Reichweiten möglich, aber auch Interferenz mit Bodenwelle.

3. Direkte Welle / Sicht­linien-Welle (Direct Wave / Line of Sight)

• Beschreibung: Die Welle breitet sich in einer geraden Linie vom Sender zum Empfänger aus — wie das Licht.
• Funkwellen im VHF-Bereich (z.B. VOR) breiten sich quasi-optisch (direkt) aus ("radio waves within the VHF range (e.g. VOR) propagate as quasi-optical waves (direct)").
• Stärkste Wirkung: bei VHF, UHF, SHF — VOR, COM, DME, Radar, GNSS.
• Limitierung: durch die Erdkrümmung — der Sender muss "sichtbar" sein. Reichweite hängt von Sender- und Empfänger-Höhe ab.

NDB-Wellenausbreitung

Elektromagnetische Wellen eines NDB breiten sich von der Sendeantenne in alle Richtungen aus, als Boden- und Raumwellen ("electromagnetic waves of a NDB propagate from the transmission antenna in all directions as ground and space waves"):

• Boden­welle ist die primäre Quelle für ADF-Peilungen am Tag.
• Raum­welle kann nachts zur Interferenz führen — Sky-Wave-Effekt → falsche Peilungen.

VHF-Reichweite — abhängig von Höhe

Die Reichweite einer VHF-Funkverbindung (VOR, COM) hängt von der Höhe des Senders und der Höhe des Empfängers ab. Faustregel:

Reichweite [NM] ≈ 1,23 × √(Höhe [ft])

Beispiel: Über flachem Gelände bei einer Höhe von 5000 ft AGL kann eine Reichweite von ungefähr 88 NM im VHF-Bereich (VOR, Funk­kommunikation) erwartet werden ("a range of about 88 NM can be expected in the VHF band (VOR, radio communication) over flat terrain at a height of 5000 ft AGL").

→ Höhe des Flugzeugs und Höhe des Senders beeinflussen die Reichweite von VHF-Wellen ("aircraft altitude and elevation of the transmitter affect the range of VHF waves").

Doppler-Effekt

Der Doppler-Effekt beschreibt die scheinbare Veränderung der Frequenz einer Welle, wenn sich Sender und Empfänger relativ zueinander bewegen:

• Wenn Sender und Empfänger sich voneinander entfernen, sinkt die wahrgenommene Frequenz (decreases) — und umgekehrt ("when transmitter and receiver are moving away from each other the perceived frequency decreases and vice versa").
• Anwendung in der Luftfahrt: Doppler-VOR (DVOR), Doppler-Navigations­radar.

Störungs- und Verzerrungs­effekte

Absorption (Attenuation / Dämpfung)

• Die Dämpfung der gesendeten Energie (Umwandlung von elektrischer Energie in Wärme) wird Absorption genannt ("the attenuation of transmitted energy (conversion of electrical energy to heat) is called absorption").
• Funkwellen werden bei hoher Frequenz und feuchter Luft stärker absorbiert ("radio waves are absorbed to a higher degree at high frequency and moist air").
• Konsequenz: VHF und UHF sind in feuchter Luft (Niederschlag, Wolken) gedämpft → reduzierte Reichweite.

Interferenz (Interference)

• Wenn zwei oder mehr Funkwellen ähnlicher Wellenlänge sich überlagern, spricht man von Interferenz ("when two or more radio waves of approximately equal wave length superimpose, this is called interference").
• Konsequenz: Stärke-Maxima und -Minima entlang der Ausbreitung — Empfangs­schwankungen.

Fading

• Fading beschreibt eine Erscheinung von Interferenz- und Polarisations-Fehlern, z.B. bei der Überlagerung von Boden- und Raumwelle ("fading describes a phenomenon found with interference and polarisation errors, e.g. of ground and space waves").
• Fading im LF/MF-Frequenz-Bereich tritt hauptsächlich in der Nacht auf ("fading in LF/MF frequency range occurs mainly during the night") — wenn die Sky-Wave die Bodenwelle zu interferieren beginnt.

Reflexion und Refraktion (Coast / Mountain Effect)

• Verzerrungen in der Funkwellen-Ausbreitung, besonders im HF- und MF-Band, verursachen Peil­fehler — diese treten am häufigsten als Küsten- und Gebirgseffekt auf und können NDB sowie VOR beeinflussen ("distortions in the propagation of radio waves, especially in the HF and MF band, cause bearing errors. These errors occur most commonly as coast and mountain effect and can affect NDB as well as VOR").
• Coast Effect / Küsteneffekt: an der Küste werden NDB-Wellen durch unterschiedliche Leitfähigkeit Land/Wasser gebrochen → Peilfehler bis zu 10°. NDB ist am stärksten vom Coast Effect betroffen ("NDB is the most affected by the so-called shoreline effect"). Auch der ADF kann durch den Küsten­effekt falsche Peilungen liefern ("the ADF can deliver false bearings due to the coast effect").
• Mountain Effect / Gebirgseffekt: Berge reflektieren Funkwellen → mehrfache Empfangs­wege erzeugen Peilfehler in NDB-Empfangsanlagen.

Twilight Effect / Dämmerungs­effekt

• Funkkommunikation wird durch den Dämmerungs­effekt beeinflusst ("radio communication is affected by the twilight effect") — bei Sonnen­auf- und untergang ändert sich die Ionosphäre rasch.
• ADF kann während der Dämmerung ungenau arbeiten ("an ADF can operate inaccurately during twilight") — Sky-Wave-Interferenz mit Bodenwelle.

Lightning / Blitze

• Blitze, Berg- und Küsteneffekt beeinflussen die Anzeige des Radio-Kompasses (ADF) ("lightning, mountain and coast effect affect the indication of the radio compass") — Blitze erzeugen breite Frequenz-Strahlung, die im LF/MF-Band als Spitze auf der ADF-Anzeige erscheint und die Peilung stören kann.

Was NICHT Wellen-Effekte sind

"Erweiterung und Verstärkung" sind keine physikalischen Effekte, die eine Funkwelle beeinflussen ("extension and amplification are physical influences that do not affect a radio wave") — sie sind Begriffe aus der Sendetechnik, keine intrinsischen Wellen-Phänomene.

Modulation — wie Information auf die Welle aufgebracht wird

Modulation = Aufprägung von Informationen (Audio, Daten) auf eine Trägerwelle.

Amplituden­modulation (AM) wird für Funk­kommunikation und für die Identifier von Funk­navigations-Hilfen (NDB, VOR, ILS etc.) verwendet ("amplitude modulation is used for radio communication and for the identifier of radio navigation aids (NDB, VOR, ILS etc.)").

Polarisation

Funkwellen sind elektromagnetische Wellen mit einer bestimmten Schwingungsebene des elektrischen Feldes (Polarisation):

• Vertikal polarisiert: Antenne vertikal (z.B. NDB-Sendeantennen).
• Horizontal polarisiert: Antenne horizontal.
• Bei Empfänger-Antenne mit ungleicher Polarisation wird die Signal­stärke reduziert.

Voraussetzungen für gute Funk-Verbindung

Eine Voraussetzung für eine fehler­freie Funk-Verbindung ist u.a. eine ausreichende Höhe innerhalb der möglichen Sende-/Empfangs-Reichweite ("a prerequisite for flawless radio connection is, amongst others, a sufficient altitude within the possible range of transmission/reception"). Weitere Bedingungen:

• Sicht­linie zum Sender (für VHF/UHF).
• Kein starkes Wetter zwischen Sender und Empfänger.
• Antennen korrekt montiert und nicht beschädigt.
• Stromversorgung an Bord ok (siehe Subject 020 Ausfallanzeigen).