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Ausbreitungsarten elektromagnetischer Wellen

Bild 1: Raumwelle, Bodenwelle und direkte Welle

Bild 1: Raumwelle, Bodenwelle und direkte Welle

Man unterscheidet bei der Übertragung von elektromagnetischen Wellen im Bereich der Erdatmosphäre drei Arten der Ausbreitung

Bodenwelle

Verlaufen abgestrahlte Wellen parallel zur Erdoberfläche, bezeichnet man sie als Bodenwelle. Bodenwellen breiten sich mit zunehmendem Halbkugelradius in alle Richtungen aus. Da jedoch die Erdoberfläche keine unendlich gute Leitfähigkeit besitzt, entzieht der Boden dem Strahlungsfeld Energie (Erdverluste). Damit ist die Reichweite von Bodenwellen um so kleiner, je geringer die Leitfähigkeit der Erdoberfläche ist.

Über dem Meerwasser ist die Reichweite der Bodenwelle erheblich größer als über dem Erdboden, was aus der größeren spezifischen Leitfähigkeit des Meerwassers resultiert.

Ein weiterer wesentlicher Faktor für die Reichweite der Bodenwelle ist ihr Frequenzbereich. Mit steigender Frequenz nimmt die Eindringtiefe des elektrischen Feldes in den Erdboden ab, wodurch der für die Stromleitung zur Verfügung stehende effektive Querschnitt geringer wird. Deshalb verringert sich mit steigender Frequenz die Reichweite. Somit spielt die Bodenwelle in dem Frequenzbereich, der für Radargeräte in Frage kommt, keine Rolle.

Raumwelle

Als Raumwelle bezeichnet man den Teil der von der Antenne abgestrahlten Energie, der in den freien Raum abwandert und durch die Dämpfung und Krümmung des Erdbodens nicht beeinflusst wird.In einem Medium, das völlig gleichmäßig und störungsfrei aufgebaut ist (homogenes Medium), breiten sich Raumwellen geradlinig aus. In der weiteren Betrachtung sollen diejenigen Raumwellen behandelt werden, die durch Brechung oder Reflexion in der Erdatmosphäre zur Empfangsantenne gelangen. Dabei sind zu unterscheiden:

Brechung in der Troposphäre

Durch meteorologische Vorgänge kann es zu sprunghaften Änderungen der Luftfeuchte und der Temperatur kommen. Die bedeutet auch gleichzeitig eine abrupte Änderung der Luftdichte. Da warme Luft optisch dünner als Kaltluft ist, bildet sich eine Inversionsschicht aus.

Dieser Effekt ist die Ursache für eine mögliche Reflexion der Wellen. Da eine Warmluftschicht in großer Höhe ein optisch dünneres Medium darstellt, wird bei hinreichend flachem Einfall die Welle zur Erde zurückgestrahlt.

Inversionsschichten können in unterschiedlichen Höhen auftreten, so dass unterschiedliche Überreichweiten entstehen.

Reflexion an der Ionosphäre

Für Frequenzen von 3 MHz bis 30 MHz („Kurzwelle”) wirkt die Ionosphäre wie ein großer Reflektor. Höhere Frequenzen durchdringen die Ionosphäre, tiefere Frequenzen werden durch die D- und E-Schicht so gedämpft, dass sie nur zeitweise (überwiegend nachts) reflektiert werden.

Da die Übergänge der einzelnen Schichten fließend sind, trifft die Gesetzmäßigkeit „Einfallswinkel gleich Ausfallwinkel” nur bedingt zu. Außerdem sind die Schichten in Bewegung und schwanken in ihrer Intensität, so dass sich die Reflexionsbedingungen ständig ändern. Da die Raumwelle auch von der Erde reflektiert wird, ergeben sich durch Mehrfachreflexion für Kurzwellenfrequenzen sehr große Reichweiten. Für Radarverwendungen sind diese Frequenzen allerdings nicht verwendbar mit Ausnahme von wenigen sogenannten Over The Horizon Backscatter(OTH-B) Radaren.

Durch die bei Brechung und Reflexion auftretenden Gesetzmäßigkeiten kommt es zu Überreichweiten, bei denen sich die elektromagnetische Strahlung weiter ausbreitet, als durch normale Raumwellenausbreitung zu erwarten wäre.

Direkte Welle

Bei elektromagnetischen Wellen über 100 MHz tritt im Normalfall keine Reflexion mehr an der Ionosphäre auf. Es ist deshalb nur noch die direkte Welle von Interesse. Da sich Wellen ab dieser Wellenlänge relativ geradlinig ausbreiten und somit ein ähnliches Verhalten wie Lichtstrahlen aufweisen, werden sie als quasioptische Wellen bezeichnet. Theoretisch kann also nur eine geradlinige Verbindung zwischen Sender und Empfänger überbrückt werden. Auf Grund der Erdkrümmung ist die mögliche Reichweite auch von der Höhe der Antennen von Sender und Empfänger abhängig. Theoretisch ist die Reichweite auf die sogenannte Radiosichtweite (Radiohorizont) begrenzt.