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Freiraumdämpfung

Die Freiraumdämpfung beschreibt die Reduzierung der Leistungsdichte bei der Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen im freien Raum, also ohne Störeinflüsse von zusätzlich dämpfenden Medien (wie zum Beispiel der Luft) oder Störungen durch Reflexionen. Idealerweise wird eine Freiraumdämpfung nur im Vakuum auftreten, beispielsweise im Weltraum bei Richtfunkverbindungen von oder zu Satellitenpositionen. Jedoch ist sie auch wichtiges Kriterium zur Berechnung notwendiger Sendeleistungen und Empfängerempfindlichkeiten bei der Anwendung der Radargleichung.

Entstehung der Freiraumdämpfung

Wird von einem isotropen Kugelstrahler hochfrequente Energie abgestrahlt, so verteilt sich diese gleichmäßig in alle Richtungen. Demzufolge bilden Flächen gleicher Leistungsdichte Kugeln um den Strahler. Bei größer werdendem Kugelradius verteilt sich die Energie auf eine größere Fläche um den Strahler herum. Oder anders ausgedrückt: Bezogen auf eine angenommene und gleichgroß bleibenden Fläche wird die Leistungsdichte mit steigendem Abstand geringer.

Der Ausschnitt der Kugeloberfläche kann bei den relativ kleinen Abmessungen gegenüber einer sehr großen Entfernung als eine ebene Wellenfront betrachtet werden. Eine Empfangsantenne entnimmt aus dieser Wellenfront Energie. Der empfangenen Energie kann bei bekannter Leistungsdichte eine bestimmte Fläche (Wirkfläche A_W) zugeordnet werden. Die Wirkfläche der Empfangsantenne ist proportional zum Antennengewinn und auch abhängig von der Wellenlänge. Es gilt für jede theoretisch verlustfreie Antenne unabhängig von der Bauform:

Diese Fläche A_W ist unabhängig von der Entfernung der Empfangsantenne von der Sendeantenne. Da sich die Leistungsdichte mit der Entfernung verringert, wird die Empfangsantenne weniger Energie aufnehmen können, wenn sie zur Sendeantenne eine größere Entfernung hat. Diese Verringerung der Empfangsenergie kann als eine Dämpfung und als Funktion von der Entfernung betrachtet werden und wird dann Freiraumdämpfung genannt. Sie gibt an, wie stark sich die Leistung elektromagnetischer Wellen im Vakuum auf dem Weg vom Sender zum Empfänger mit zunehmendem Abstand durch Strahldivergenz verringert.

Berechnung

Praktisch ist die Freiraumdämpfung das Verhältnis der gesamten Oberfläche der Kugel mit der Entfernung zur Empfangsantenne als Radius zur Wirkfläche der Empfangsantenne. Wenn der Antennengewinn nicht berücksichtigt wird, also allgemein als 1 angenommen wird, dann kann die Oberfläche der Kugel A_r = 4πr² mit der Wirkfläche A_W = λ²·G / 4π ins Verhältnis gesetzt werden und dann erhält man die allgemeine Formel der Freiraumdämpfung:

Außer der Freiraumdämpfung treten in der Erdatmosphäre bei hohen Frequenzen durch molekulare Absorption (abhängig von den Resonanzfrequenzen des Wasserdampfs, Sauerstoffs und anderer Gase) sowie abhängig vom Luftdruck und der Luftfeuchtigkeit zusätzliche Dämpfungen auf. Das heißt, die reale Dämpfung nimmt sehr viel größere Werte an, als hier durch die Freiraumdämpfung berechnet wurde.