Funktechnik

Wenn man Funk im Reisemobil erfolgreich einsetzen möchte, muss man bestimmte physikalische Eigenschaften beachten. Missachtet man diese, kommt es zu verringerter Reichweite und im dümmsten Fall zu einer verheitzten Endstufe. Nun sind Reisemobilbesitzer selten Menschen, für die etwas einfach "so ist, weil's so ist". Man möchte schon gern wissen weshalb!

Hier ein kleiner Streifzug durch die Funktechnik. Dies soll in keiner Weise ein "Amateurfunkkurs" darstellen, dieser wäre viel zu Umfangreich für eine Risemobilseite. Aber ein paar vereinfachte Grundlagen um die Thematik zu verstehen möchte hier erörtern:

Reichweite und Wellenausbreitung

Wie kriege ich mit einem VHF/UHF Handfunkgerät eine Verbindung über möglichst grosse Distanz hin?

Funkwellen breiten sich quasi-optisch aus, also "fast so wie Licht". Je höher eine Frequenz ist, desto mehr wird ihre Ausbreitung lichtähnlich. Bei tiefen Frequenzen, (Langwelle, Mittelwelle und Kurzwelle) spielen aber noch andere Faktoren eine Rolle. Mehr dazu weiter unten bei "Kurzwelle".

Grundsätzlich: Je weiter man sieht, desto weiter kann man Funken. Für eine gute Funkverbindung, die Position so weit oben wie möglich wählen! Mindestens aber bei einer Bergflanke oder Düne, auf die Seite die Richtung Gesprächspartner zeigt gehen. Allerdings breiten sich Funkwellen (wie auch Lichtstrahlen) nicht schnurgerade aus. Sie können gebrochen, gestreut oder auch reflektiert werden. Deshalb sind mit Funkgeräten auch Verbindungen möglich, die "theoretisch" gar nicht gehen.

Die verschiedenen Funkfrequenzen verhalten sich nicht alle gleich. Je höher die Frequenz, desto leichter werden sie reflektiert. Tiefere Frequenzen jedoch werden durch kleine Hindernisse (z.B. Blätter) zwar etwas gedämpft, nicht jedoch reflektiert. Das heisst, Funkwellen im 2-Meter-Band sind weniger Reflektierfreudig als 70 cm Funkwellen. Dafür durchdringen 2-Meter-Funkwellen z.B. einen lichten Wald besser als 70 cm Funkwellen.

Eigentlich wären für Reisefahrzeuge, die ja nicht oft in Innenstädten oder Schluchten unterwegs sind, Funkgeräte im 2-Meter-Band optimal. Bloss gibt es dort abgesehen vom Deutschen Freenet, keine lizenzlos zu betreibende Geräte. Wer legal Funken will muss auf die etwas weniger gut geeigneten PMR446 zurück greifen und halt ein paar Einschränkungen in Kauf nehmen. Der Nachteil der höheren Frequenz wird bei Handfunkgeräten allerdings (wenigstens ein Stück weit) durch die im Verhältnis zur Sendefrequenz längere Antenne ausgeglichen. Eine Antenne für das 2 Meterband müsste ca. 50 cm lang sein, eine für das 70cm Band etwa 17 cm. Mehr dazu weiter unten beim Thema Antennenlänge.

Weitere Tipps: Gerade kleinen Funkgeräte verleiten dazu, sie in eine Jackentasche zu stecken. Je näher am Körper ein Funkgerät ist, desto schlechter ist seine Empfangsleistung. Der menschliche Körper hat einen 'masseähnlichen' Effekt, er dient drum auch beim Senden mit Handfunkgeräten als 'Gegengewicht'. Besser ist es, das Gerät senkrecht z.B. an den Rucksack zu hängen. Auch beim Senden wichtig, das Gerät senkrecht halten! Funkwellen sind Polarisiert, sie verlassen die Antenne in einer auf- und ab- Welle. Hält man das Gerät wagerecht, erreichen sie das Gegenüber als links-rechts-Welle, was zu deutlich schlechterem Empfang führt.

Antennen an Handfunkgeräten sind fast immer verkürzt. Als Faustregel bei Handfunken gilt, je länger die Antenne ist, desto besser ist sie. Also beim Kauf eines Handfunkgeräts dieses mit der längeren Antenne wählen.

Und wie ist das mit der Kurzwelle? Also auch mit 11 Meter CB-Funk?

Bei tieferen Frequenzen, z.B. Kurz- und Mittelwelle, unterscheidet man zwei Arten der Wellenausbreitung. Die Bodenwelle, also der Teil der entlang der Erdoberfläche verläuft und die Raumwelle, dem Teil der an verschiedenen Ionisierten Schichten in der Atmosphäre reflektiert wird. Die Raumwelle, die weltweite Funkverbindungen zulässt, spielt für den Reisefahrzeugbesitzer kaum eine Rolle. Wir überlassen sie den Funkamateuren oder all den anderen Anwendern, die auf grosse Distanz kommunizieren müssen.

Die Bodenwelle auf Kurzwelle breitet sich nicht geradlinig wie Licht aus, sie wird gebeugt, "klebt am Boden" und folgt so der Erdkrümmung. Allerdings erfährt sie eine Dämpfung, ihre Energie wird je nach Bodenbeschaffenheit, immer geringer. Je höher die Leitfähigkeit des Bodens ist, über den man sendet, desto geringer ist die Dämpfung und desto weitere Verbindungen gelingen. Über das Meer (Salzwasser ist ein guter Leiter) oder nasse Regionen (z.B. Finnische Seenplatte) funkt man weiter als über felsige- oder sandige Gebiete. 

Tiefere Frequenzen erfahren eine geringere Dämpfung als hohe Frequenzen und sie "überspringen" leichter ein Hindernis (z.B. Hügel oder Sanddüne) als höhere Frequenzen. Dies ist einer der Gründe, weshalb eine flächendeckende Versorgung mit Mittelwellen-Rundfunksendern mit weniger Sendestationen auskommt (bzw. ausgekommen ist) als mit UKW-Radiosendern. Der Landessender Beromünster auf 531 kHz z.B. war bis weit über die Schweizer Grenze hinaus zu empfangen, wo es für die flächendeckende Versorgung im UKW-Radioband (87.5 - 108 MHz) über 300 Sendeanlagen braucht.

Der Grundsatz: Je weiter man sieht, desto weiter kann man Funken, hat bei Kurzwelle (und erst recht bei Mittel- oder Langwelle) also nicht den selben Stellenwert wie bei VHF oder UHF.  

Die Kommunikation über Raumwelle möchte ich nur der Vollständigkeit halber erwähnen. Sie spielt für Reisemobile kaum eine Rolle, wer will schon über z.B. 12'000 Km eine Verbindung herstellen.

Luft ist eigentlich ein guter Isolator. Durch Sonneneinstrahlung aber werden verschiedene Schichten der Atmosphäre ionisiert, sie werden leitend und können so für bestimmte Frequenzen (vorwiegend Kurzwelle) als eine Art "Reflektor" genutzt werden. Bei der Verbindung über Raumwelle (DX-Verbindung) wird diese reflektierende Schicht ähnlich wie beim Billard-Spiel genutzt um "über die Banden" ein Ziel zu erreichen. Die Frequenzen verhalten sich aber nicht gleich und die Ausbreitungsbedingungen ändern sich mit der Sonnenaktivität, der Tages- und Jahreszeit. Ab und zu, wenn die Sonne "spinnt" kann es auch vorkommen das die Reflektierfähigkeit völlig zusammenbricht und nur noch die Bodenwelle genutzt werden kann.

Da die Vorgänge auf der Sonne und in der Ionosphäre auch für die Funkverbindungen zu und von Satelliten enorm wichtig sind, (die Ionosphäre kann die Signale stark dämpfen) werden sie ständig überwacht und veröffentlicht. So gelangen auch Berufs- und Amateurfunker an die nötigen Daten um erfolgreich weltweite Verbindungen herstellen zu können.

Wie weit denn nun wirklich?

Funkamateure und seriöse Händler sind sehr vorsichtig bei der Angabe von Reichweiten. Da werden gerne Angaben in einem grossen von- bis Bereich gemacht. Aber ist eine Reichweitenangabe von z.B. 5 Km bis 50 Km wirklich sinnvoll?

Ja, sie ist es, weil sie eben stimmt!

Steht ein Funker auf einem Berg mit guter Sicht, erreicht er mit einem 5 Watt UHF-Handy (70 cm- Band, 430 - 440 MHz)  problemlos einen Gesprächspartner in 30 Km Entfernung. Der selbe Funker, mit gleichem Gerät funkt in den Strassenschluchten einer Innenstadt jedoch nur wenige Km weit.

Aber diese "wagen Angaben" nützen dem Reisenden nichts, er möchte wissen, was ist damit möglich! Auf welche Distanz kann ich meine Mitreisenden erreichen! 

Hier ein paar praxisbezogene maximale* Reichweitenangaben für Funkgeräte in Reisefahrzeugen, bzw. für Funkhandy's, bei denen noch eine gut verständliche Verbindung hergestellt werden kann. Die Angaben beziehen sich auf zwei etwa gleichwertige Funkanlagen, ordentliche Standorte und natürlich auf gute, moderne Funkgeräte mit korrekten Antennen und Montage!

*Unter bestimmten Umständen kann es auch deutlich weiter gehen!

Bei ungünstigen Standorten (Innenstadt, Senken, zwischen Hügeln, dichter Wald, enges Tal oder mit Handfunkgeräten aus Fahrzeugen heraus usw.) können sich diese Reichweiten gut halbieren! Wenn wir von ca. 50% der obigen Angaben aus gehen, haben wir eine Distanz, auf die wir unter fast allen Umständen eine stabile Verbindung herstellen können!

Sendeleistung, viel hilft viel ??

Je grösser die Leistung, desto weiter kann man Funken. Das stimmt zwar, aber...

Im Gegensatz zu Rundfunk ist Sprechfunk ein partnerschaftliches Erlebnis. Beide Teilnehmer müssen abwechselnd Senden und Empfangen, also sollten beide auch etwa über gleich gute Empfangs- wie auch Sendeleistung verfügen.

Sind wir mit Reisenden unterwegs die z.B. mit 4 Watt CB-Geräten ausgerüstet sind, nützt ein Amateurfunkgerät mit 100 Watt Sendeleistung nicht viel. Dort wo ich meine 25-fache Leistung ausnützen könnte, bei Verbindungen über weitere Strecken, können mich die anderen zwar hören, ich jedoch nicht sie. Von Funkamateuren werden solche Stationen als Krokodilstationen (grosse Klappe, kleine Ohren) bezeichnet.

Anders schaut dies bei Antennen aus. Eine gute Antenne mit Gewinn, bringt diesen Gewinn nicht nur beim Senden, sondern auch beim Empfangen! Also ist ein Funkgerät mit wenig Leistung aber guter Antenne einem Funkgerät mit viel Leistung und schlechter Antenne überlegen.

Digital- oder Analog?

Oft wird davon ausgegangen, dass mit digitalen Funksignalen auf VHF und UHF höhere Reichweiten bei Sprachübertragungen erreicht werden, als mit FM Modulation. Dies stimmt nicht, denn wenn es bei schwachen digitalen Funksignalen zu Übertragungsfehlern kommt, stockt die Auswertung bei den Empfangsstationen. Dem gegenüber ist bei analoger Übertragung auch bei schwachem Signal meist noch eine Verständigung möglich.

Erst wenn das digitale Funksignal "grundstabil" ist, kann gegenüber FM ein besseres Audiobild erreicht werden. Für die reine Handfunk-zu-Handfunk Sprachkommunikation (also ohne Digitale Zusatzfunktionen) empfiehlt z.B. YAESU weiterhin die analoge FM Modulation.

Eine Antenne braucht Masse

auch Gegengewicht, Ground oder Gegenpol genannt. Ohne funktioniert es zwar auch so halbwegs, aber eben nicht richtig.

Bei einer Lampe weiss jeder, es braucht zwei Leitungen damit Strom fliessen kann und sie leuchtet. Bei einer Funkantenne ist es genau gleich, ein Strom muss fliessen können, damit die Antenne ihre Arbeit verrichten kann. Allerdings kann ein Wechselstrom auch "durch die Luft" fliessen.

Hier veranschaulicht als Schwingkreis: Links der "Generator" also unser Funkgerät, daneben die Antenne. Wenn wir nun die beiden Platten weiter auseinander ziehen, (Bildmitte) haben wir eine Antenne und diese gibt elektromagnetische Wellen an die Umgebung ab, also sie sendet "Funkwellen". Aber was, wenn wir den Gegenpol abschneiden, wie rechts im Bild?

Der Gegenpol muss in einem bestimmten Verhältnis zum Pol, also dem für uns sichtbaren Teil der Antenne liegen. Stimmt dieses Verhältnis nicht, weil die Masse zu weit weg, zu nahe an der Antenne oder zu klein ist, ändert sich die Impedanz (Wechselstromwiederstand) der Antenne und wir können nicht die gesamte Sendeenergie an sie abgeben. Trotzdem können wir damit senden, aber nur einen Bruchteil der möglichen Sendeleistung wird an die Umgebung abgegeben. Der Rest wandert entlang des Kabels zurück in unser Funkgerät und muss dort "verbrannt" werden, die Endstufe wird heiss und unsere Reichweite ist lausig!

Verhindern kann man dies nur, indem man die Antenne an ihrem Antennensockel mit einer genügend grossen Metallfläche verbindet und auch dafür sorgt, dass Massekontakt existiert. Nur so stimmt die Impedanz (bei Fahrzeugantennen idr. 50 Ω) und das Sendegerät kann die gesamte Energie an die Umgebung abgeben und unser Reichweitenpotential auch ausnützen.

Das Verhältnis zwischen abgegebener und zurückwandernder Listung kann mit einem SWR-Meter gemessen werden. Das SWR (Standing Wave Ratio) wird in X zu 1 angegeben, meist mathematisch nicht ganz korrekt als X:1

Ein typisches SWR bei einer Antennenanlage an Fahrzeugen ohne korrekter Masseverbindung (Stecker, Kabel oder Antennensockel) liegt bei etwa 6 zu 1. Das meint, dass  etwa die Hälfte der durch das Funkgerät abgegebenen Leistung "verheizt" wird. Bei zu hohem SWR (grösser als 3 zu 1) regeln gute, moderne Funkgeräte ihre Sendeleistung so weit herunter, dass sie von der Endstufe verkraftet werden kann. Ist die Antenne dann erst noch stark verkürzt, hat also einen schlechten Wirkungsgrad, bleibt nicht mehr all zu viel übrig. Unsere Reichweite ist lausig und der Funker frustriert!

Spezialfall "radial-less-antenna": Es gibt Antennen, die gemäss Werbeprospekten keinen "Gegenpol" brauchen. Man nennt sie radial-less-antennas. Damit ist nicht "masselos" gemeint, sondern sie brauchen keine abgestimmte Radiale. Für die benötigte Masse wird die Abschirmung des Antennenkabels und das Gehäuse des Funkgerätes, beim Einbau in ein Fahrzeuge das gesamte Fahrzeug als Masse genutzt. Solche Antennen sind recht lang und so gibt es sie als Mobilantenne nur für die UKW-Bänder. Ihr Wirkungsgrad ist im Vergleich zu einer gleich langen "normalen" Antenne etwas geringer! Trotzdem sind radial-less-antennen oft die einzige funktionable Lösung für Kunststoffboote oder aus GFK-Sandwichplatten gebaute Reisefahrzeuge.

Wohin mit der Antenne

Der Grundsatz beim Antennenbau "Möglichst viel Draht, so weit oben wie möglich" gilt auch für Mobilantennen. Dazu kommt, dass der Sockel einer Antenne mit einer möglichst grossen Metallfläche verbunden sein muss.  

Beim PKW ist dies einfach; wir setzen die Antenne in die Mitte des Daches. Beim Reisefahrzeug ist das allerdings schwierig bis unmöglich. Der Wohnaufbau ist meist aus Kunststoff, das Dach des Fahrerhauses mit einem Alkoven oder Dachträger überbaut oder (wie beim T-Rex) aus Kunststoff. Unsere Antenne würde zudem eine gefährliche Höhe erreichen! Wir müssen die Antenne also weiter unten platzieren. Und genau damit handeln wir uns gern einige Schwierigkeiten ein. Die Leistung der Funkanlage wird schlechter und die Distanzen die wir überbrücken können wird geringer. 

Um dies zu vermeiden, müssen wir uns etwas mit Antennentechnik auseinandersetzen:

Die Referenzantenne beim Funk ist der Dipol. Auf diesem Prinzip bauen viele Antennen auf. Der Dipol besteht aus zwei Elementen, dem Pol und dem Gegenpol. (Ground, Gegengewicht)  

Der Strom fliesst durch die Luft vom Pol zum Gegenpol, wir geben die Sendeleistung an die Umgebung ab. Die Strecke die der Strom durch die Luft zurück legt ergibt einen Wiederstand, man nennt dies Wechselstromwiederstand oder Impedanz und wird in Ohm (Ω) angegeben. So ein gestreckter Dipol hat eine Impedanz von 75Ω. Damit sind wir bereits beim ersten Problem. Unser Funkgerät und das Koaxialkabel sind auf eine Impedanz von 50Ω ausgelegt. Beim Übergang vom Kabel zur Antenne kann nicht die gesamte Energie fliessen. Wir haben eine Fehlanpassung, also ein "schlechtes" SWR (1.5 zu 1). 

Diese geringe Differenz in der Impedanz könnten wir vernachlässigen, oder mit Anpassgliedern leicht ausgleichen. Aber so ein Antennengebilde können wir nicht an ein Fahrzeug bauen. 

Wenn wir den Winkel mit dem diese beiden Pole zueinander stehen verkleinern, muss der Strom weniger weit durch die Luft fliessen und die Impedanz am Fusspunkt der Antenne wird geringer. Ersetzen wir den unteren Dipolarm durch mehrere Drähte, Radials oder eine Blechfläche, erhalten wir eine der meist verwendeten Vertikal-Antennenbauformen, die Groundplane, Monopol-, Marconi- oder Viertelwellen-Vertikalantenne. Wenn die Radials im Winkel von 45° stehen, hat die Groundplane eine Fusspunktimpedanz von um die 50Ω.

Wenn wir einen PKW mit Antennenmontage in Dachmitte betrachten, erkennen wir weshalb dieser Einbauort ideal ist. Wir montieren lediglich den Strahler, das Fahrzeug selber wirkt als Gegenpol.

Das klappt gut bei einem PKW, oder einem Reisefahrzeug mit einer kurzer Antenne, also z.B. für das 2 m oder 70 cm Band. Mit Antennen für den CB-Funk hingegen, kriegen wird entweder eine problematische Gesamthöhe, oder wir müssen auf eine stark verkürzte Antenne zurückgreifen, die dann aber einen schlechten Wirkungsgrad hat.

Also bleibt oft nur der untere Bereich des Fahrzeugs, um eine Antenne mit gutem Massekontakt und "ungefährlicher" Gesamthöhe anbauen zu können. Dabei müssen wir aber darauf achten, dass der Abstand des Antennenstrahlers zur Karosserie so gross wie möglich ist! Denn wenn wir die Antenne z.B. entlang der A-Säule führen, ist der Abstand zum Gegenpol zu gering, die Impedanz weit unter 50Ω und die Leistung der Funkanlage schlecht! Bei einer Impedanz von 17Ω haben wir ein SWR von 3 zu 1. Gut 25% der Sendeleistung werden verheizt.

Band, *Name*band, Welle

Diesen Bezeichnungen begegnet man ständig. Aber was bedeuten sie eigentlich?

Ein Band oder Frequenzband bezeichnet einen festen Bereich von Funkfrequenzen. Ein von-bis Bereich. Also z.B. das 2-Meter-Band, auch VHF genannt, liegt um 150 MHz und reicht von 100 MHz bis 200 MHz. Je nach Anwendersicht wird in diesem von-bis-Bereich ein  Funkband benannt, dass den unterschiedlichen Funkdiensten zugewiesen ist: Im 2-Meterband tummeln sich unter anderen: Flugfunk 118 MHz bis 137 MHz, Amateurfunk 144 MHz bis 146 MHz, Betriebsfunk 148 MHz bis 164 MHz, Seefunk 156 MHz bis 162 MHz,  BOS-Funk 165 MHz bis 174 MHz. Unterhalb, dazwischen und darüber sind aber auch weitere Benutzer, wie Rundfunk, Armee und diverse Behörden.

Nur Flug- See- und Amateurfunk sind Weltweit (mehr oder weniger !!!) auf den gleichen Frequenzen. Die Frequenzen für andere Anwendungen werden National zugeteilt. 

Man sieht, das 2-Meterband ist sehr gut belegt, teilweise sogar doppelt belegt! Weil es sich auch sehr gut für die mobile Nutzung eignet. Die Geräte sind klein, die Ausbreitung der Funkwellen gut für mobile Anwendungen geeignet und, sehr wichtig, die Antennen haben bei guter Leistung eine noch sinnvolle Abmessung.

Antennenlänge

Elektromagnetische Wellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus (v = 300.000.000 m/s). Dabei gibt es einen fundamental wichtigen Zusammenhang zwischen der Ausbreitungsgeschwindigkeit c (in m/s), der Frequenzf (in 1/s = Hz) und Wellenlänge λ (lambda, in m):

c = f ∙ λ

Damit ein Funkgerät seine Sendeleistung bestmöglich abgeben kann, braucht es eine zur Arbeitsfrequenz passende Antenne. Diese Antenne muss eine bestimmte elektrische Länge aufweisen, damit gesendet werden kann. Die Mindestlänge einer Antenne beträgt 

L = λ / 2 (=halbe Wellenlänge)

Bei Vertikalantennen an Fahrzeugen oder Antennen die in Funkhandy's eingebaut werden, sorgt man mit einem "Trick" dafür, dass die Antenne nur halb so lange sein muss, also λ / 4. (=ein viertel der Wellenlänge) Bei Fahrzeugantennen dient die metallene Carosserie als zweite Hälfte der Antenne, bei Handy's ist es der Funker der als Ground (=Minuspool der Antenne) dient.

Je höher die Frequenz, desto kürzer ist die Wellenlänge. Je kürzer die Wellenlänge, desto kürzer kann auch die Antenne sein. Hier ein paar Masse in Bandmitte:

• 70 cm, 445 MHz Band, Antennenlänge 17 cm

• 2 Meter,  145 Mhz, Antennenlänge 51 cm

• 11 Meter, 27 Mhz, Antennenlänge 272 cm

Antennen an Handfunkgeräten für das 2 Meterband wären mit ca. 50cm schon recht unhandlich und für das 11 Meterband (CB-Funkband) würden Antennen auch für Fahrzeuge sehr lang! Lediglich für PMR oder das 70 cm Band haben Antennen eine gut handhabbare Länge.

Glücklicherweise lassen sich Antennen verkürzen! Wenn eine Antenne für die Sendefrequenz zu kurz ist, wird sie Kapazitiv (wie ein Kondensator). Dies lässt sich durch Einfügen einer Serieninduktivität (eine Spule) kompensieren. Dabei sinkt aber der Wirkungsgrad der Antenne, ihre Empfangsleistung wird schlechter und ein Teil der Sendeenergie wird in Wärme umgewandelt.