mini|Australische Soldaten nutzen einen Kurzwellenempfänger (1916) Als Kurzwellen (Abk. KW, engl. SW für short wave oder HF für high frequency), manchmal auch Dekameterwellen, bezeichnet man Radiowellen in einem höheren Frequenzbereich als die Lang- und Mittelwellen. Die Bezeichnungen Kurzwellen und Dekameterwellen beziehen sich auf die Wellenlänge im Bereich zwischen 10 m und 100 m, entsprechend einer Frequenz zwischen 3 und 30 MHz. Der KW-Frequenzbereich ist in Frequenzbänder eingeteilt, die für verschiedene Sende- und Funkdienste reserviert sind. So gibt es zum Beispiel spezielle KW-Rundfunkbänder und Amateurbänder.
Physikalische Eigenschaften Ausstrahlung von Kurzwellensignalen lang=de|mini|Abstrahlung einer oberflächennahen Bodenwelle und einer an der Ionosphäre gebrochenen Raumwelle (mit Multi-Hop)
Die Kurzwelle nimmt unter den Funkwellen einen besonderen Platz ein. Auf Grund ihrer großen Reichweite können Kurzwellensignale weltweit empfangen werden. Kein anderer Frequenzbereich weist eine solch große Reichweite auf. Von einer Sendeantenne breitet sich sowohl eine Bodenwelle als auch eine Raumwelle aus. Die Bodenwelle breitet sich entlang der Erdoberfläche aus und hat eine beschränkte Reichweite, die je nach Frequenz und Sendeleistung 30 bis etwa 100 km beträgt. Die Raumwelle verlässt die Erdoberfläche, erreicht die Ionosphäre und wird bei günstigen Bedingungen an ihr mehrfach gebrochen (Refraktion), bis sie sich wieder in Richtung zur Erde fortsetzt (Snelliusschen Brechungsgesetz). Die Wirkung ist somit näherungsweise wie bei einer Reflexion, auch wenn der physikalische Effekt ein anderer ist. Im Vergleich zu Radiowellen in anderen Frequenzbereichen, wie Langwelle (LW), Mittelwelle (MW) und Ultrakurzwelle (UKW), zeichnet sich die Kurzwelle durch ein sehr gutes Refraktionsverhalten ihrer Raumwellen aus. Sie werden an verschiedenen Schichten der Ionosphäre gebrochen und wieder zurück zum Erdboden gestreut. Von dort können sie je nach Leitfähigkeit des Bodens in den Raum reflektiert werden. So kann das Kurzwellensignal um die ganze Erde wandern (Multi-Hop). Transozeanische Funkverbindungen sind beispielsweise aufgrund der hohen Leitfähigkeit des Meerwassers besonders stabil, wenn sich günstige Refraktionsverhältnisse an der Ionosphäre und hervorragend gute Reflektionseigenschaften an der Erdoberfläche ergänzen.
Eine Anwendung sind die VOLMET-Berichte des Flugfunkdienstes. Dabei handelt es sich um Stationen, die auf festen Frequenzen zu bestimmten Zeiten Wetterberichte für den internationalen Flugverkehr aussenden. Flugfunk wird in der Umgebung von Flughäfen auf UKW betrieben, bei größeren Entfernungen wie Transatlantikflügen muss man Kurzwelle verwenden. Gesendet wird in Einseitenbandmodulation (SSB). Hauptsendesprachen sind Englisch und Russisch. Die Berichte enthalten Informationen über Sicht, Bewölkung, Bodentemperatur und Luftdruck.
Refraktion in an Schichten der Ionosphäre Terminologischer Hinweis: Obwohl in der älteren Fachliteratur sowie in populärwissenschaftlichen Darstellungen umgangssprachlich oft von der Reflexion an der Ionosphäre gesprochen wird, handelt es sich physikalisch um die Refraktion (Brechung). In modernen Fachprüfungen – wie der amtlichen Amateurfunkprüfung – wird begrifflich strikt zwischen Refraktion in der Ionosphäre und Reflexion an der Erdoberfläche unterschieden.
Die Refraktion von Kurzwellen an der elektrisch leitfähigen Ionosphäre ist verlustarm, funktioniert aber nur bis zu einer einfallswinkelabhängigen Grenzfrequenz (Maximum Usable Frequency – MUF). Die Ionosphäre wird in erster Linie durch kurzwellige Ultraviolett-Strahlung der Sonne erzeugt.
mini|Aufbau der Ionosphärenschichten in Abhängigkeit von der Jahres- und Tageszeit mini|Beziehung von Abstrahlwinkel und Refraktion an der Ionosphäre
Die Elektronen- und Ionen-Dichte ist in der Mesosphäre bis zu einer Höhe von etwa 60 km praktisch Null. Darüber nimmt sie zu und erreicht (bei Tag) in der E-Schicht ein erstes Maximum. Über dieser Schicht nimmt sie etwas ab, steigt aber ab etwa 200 km Höhe wieder deutlich an. Die unterschiedlichen Zonen in diesem Profil nennt man Ionosphärenschichten. Als erste sagten 1902 Arthur Edwin Kennelly und Oliver Heaviside unabhängig voneinander eine solche Schicht voraus, die 1924 von Edward Victor Appleton entdeckt und Kennelly-Heaviside-Schicht genannt wurde.
Der deutsche Physiker Hans LassenLassen, H., I. Zeitschrift für Hochfrequenztechnik, 1926. Volume 28, pp. 109–113 entdeckte 1926 in großer Höhe eine wesentlich stärker ionisierte Schicht, die später F-Schicht genannt wurde und für die Refraktion von Kurzwellensignalen entscheidend ist. Das Höhenprofil der Schichten, vor allem die Stärke der Ionisierung hängen stark von der Tageszeit ab, aber auch von der Jahreszeit. Den Höchstwert der Elektronen-Dichte beschreibt die kritische Frequenz foF2, deren weltweite Veränderung mithilfe der Messergebnisse vieler Stationen in Ionisationskarten erfasst wird. Alle Daten sind von der Sonnenaktivität abhängig, die langfristig bedeutende Änderungen bewirkt. Im Verlauf ihres (etwa) 11-jährigen Zyklus verschieben sich die nutzbaren Frequenzbereiche ganz erheblich.
Nachts entfällt die Sonneneinstrahlung als Ionisationsquelle. Dann lösen sich verschiedene Schichten durch Rekombination von Ionen und Elektronen zu ungeladenen Atomen auf. Die D-Schicht verschwindet nach Sonnenuntergang sehr schnell, weil die hohe Luftdichte viele Zusammenstöße bedingt. Die E-Schicht verschwindet einige Stunden nach Sonnenuntergang. Die am Tage gebildeten F1- und F2-Schichten verschmelzen zur F-Region, deren Ionisation in den Nachtstunden zwar abnimmt, jedoch nicht vollständig verschwindet. In der Funkliteratur ist hier die Rede von den „toten Nächten“.Das Funkmagazin, Wien, Oktober 1929, S. 905
Kurzwellensignale müssen die D- und E-Schicht passieren, bevor sie an der F2-Schicht gebrochen werden können. Sie werden bei Tag in diesen unteren Schichten oft erheblich geschwächt durch Zusammenstöße der schwingenden Elektronen mit Luft-Molekülen. Nachts, wenn sich die unteren Ionosphärenschichten aufgelöst haben, tritt diese Dämpfung nicht ein.
Die Refraktion elektromagnetischer Wellen an der F2-Schicht kann mit dem Brechungsgesetz von Snellius erklärt werden, wenn der Brechungsindex des Plasmas bekannt ist. Nach diesem, in der Optik oft benutzten Gesetz, wird eine elektromagnetische Welle beim Eintritt in ein optisch dichteres Medium zum Einfallslot hin gebrochen und beim Austritt aus einem optisch dichteren Medium vom Lot weg gebrochen. Funkwellen oberhalb der Plasmafrequenz werden in den ionisierten Schichten vom Einfallslot weg gebrochen, ihre Bahnkurven sind in diesem Bereich gekrümmt. In der Schicht wird die Strahlrichtung immer flacher, dann horizontal und verläuft schließlich wieder abwärts. Aufgrund der Höhenabhängigkeit der Plasmafrequenz werden in tieferen Schichten niedrigere Frequenzen gebrochen als höhere; andererseits erleiden Erstere aber tagsüber eine stärkere Dämpfung in den tiefen Schichten (vgl. den dort stattfindenden Effekt der „Tagesdämpfung“).
In einer Höhe von 90 bis 120 km tritt sporadisch die Es-Schicht (Sporadic-E) auf; in Mitteleuropa geschieht dies meist tagsüber in den Sommermonaten. Es wird vermutet, dass langlebige Metall-Ionen, die von Meteoriten-Einschlägen stammen, zur Entstehung dieser Schicht beitragen. Ist die Ionisation der Es-Schicht sehr stark, können Kurzwellen daran gestreut, reflektiert bzw. absorbiert werden und gelangen somit nicht mehr zur F2-Schicht (Abdeckung). Im UKW-Bereich können dagegen Überreichweiten auftreten, wenn UKW-Signale an der Es-Schicht refraktiert werden.
Der Mögel-Dellinger-Effekt (englisch sudden ionospheric disturbance SID) ist eine plötzlich auftretende, massive Störung des gesamten Kurzwellen-Verkehrs auf der sonnenbeschienenen Seite des Globus, die eine Viertelstunde oder etwas länger andauert [tote Viertelstunde]. Sie wird von einer harten Strahlung hervorgerufen, die die Sonne bei einer Eruption abstrahlt und kommt nur wenige Male im Jahr vor.
+ Aufbau der Ionosphärenschichten Schicht Höhe (ca.) Bemerkung D 70…90 km tagsüber vorhanden, Ionisation entsprechend dem Sonnenstand E 110…130 km tagsüber vorhanden, Ionisation entsprechend dem Sonnenstand Es 110 km dünn, oft lückenhaft, sporadisch, vor allem im Sommer F1 200 km tagsüber vorhanden, geht nachts mit F2-Schicht zusammen F2 250…400 km Tag und Nacht vorhanden
mini|Das Frequenznutzungsfenster für Funkwellen liegt zwischen der LUF und MUF. Schließt sich das Fenster, tritt ein so genannter Shortwave Fadeout auf.
Das Frequenznutzungsfenster für Funkwellen liegt zwischen der LUF und MUF. Physikalisch ist die LUF durch Dämpfung im Plasma tieferer Schichten bestimmt, die MUF dagegen durch Brechung, fast immer in der F2-Schicht. Tritt ein sogenannter Shortwave Fadeout auf, so schließt sich das Fenster kurzzeitig. Eine hohe Sendeleistung verschiebt die LUF abwärts und macht so das Frequenzfenster größer; sie beeinflusst aber die MUF nicht, abgesehen von Verbindungen über Streustrahlung, die nur bei sehr hohen Sendeleistungen verwendbar werden (Troposcatter-Verbindungen).
Die MUF (maximum usable frequency) ist deutlich größer als die kritische Frequenz foF2, weil bei schrägem Einfall schon eine geringere Richtungsänderung zur Totalreflexion ausreicht. Die minimale Grenzfrequenz, unterhalb derer die Dämpfung zu stark ist, wird als LUF (lowest usable frequency) bezeichnet. Sie hängt von der Ausrüstung (Sendestärke, Antennen, Empfindlichkeit des Empfängers) ab. Zu bestimmten Zeiten kann für gewisse Verbindungen die LUF über der MUF liegen, sodass kein Kurzwellenempfang möglich ist. So ist beispielsweise im Minimum des Sonnenflecken-Zyklus zur Mittagszeit in Mitteleuropa kein Empfang von südamerikanischen Sendern möglich. (PDF; 1,4 MB)
Ähnlich wie in der Meteorologie gibt es für die Ausbreitungsbedingungen der Kurzwellen einen Funk-Wetterbericht sowie Ausbreitungsvorhersagen, die nach Frequenz, Tageszeit, Jahreszeit und geografischem Zielgebiet aufgeschlüsselt sind.
Das Refraktionsverhalten ist vom Winkel der eintreffenden Strahlung des Senders abhängig. Sendeantennen werden auch unter Berücksichtigung dieses Aspektes entworfen und gebaut. Der niedrigste Abstrahlwinkel einer Kurzwellenantenne sollte nicht über 5 Grad liegen. Die F2-Schicht wird in einer Entfernung vom Sender von etwa 1500 bis 2000 km getroffen. Nach der Refraktion kann das Signal in einer Entfernung von 3000 bis 4000 km am Erdboden empfangen werden. Durch diese große Sprungdistanz entsteht ein Bereich – auf der Erdoberfläche ringförmig um den Sender, in dem das Signal nicht empfangen werden kann – die so genannte Tote Zone. Ist die Entfernung zwischen Sender und Empfänger größer als die einfache Sprungdistanz, sind mehrere Ionosphären-Reflexionen erforderlich, um diese Distanz zurückzulegen (Multi Hop).
Geschichte der Kurzwelle Erste Funkverbindungen Aufgrund der Zunahme der Funkübertragungen fand vom 3. Oktober bis zum 3. November 1906 in Berlin die erste Konferenz der Internationalen Fernmeldeunion (ITU) statt, auf der Grundsätze und Verhaltensregeln im Kommunikationsverkehr festgelegt wurden.
Im November 1923 gelang den beiden Amateurfunk-Pionieren Léon Deloy, 8AB, und Fred Schnell, 1MO, das erste Transatlantik-Funkgespräch in Morsezeichen mithilfe von Kurzwellen. Überraschend für alle Welt, insbesondere auch für die „Funk-Profis“, war, dass ein „schlappes“ halbes Kilowatt (500 W) und relativ kompakte und kostengünstige Hochfrequenztechnik ausreichten, um drahtlose Fernverbindungen zu etablieren – eine neue Erkenntnis, die anschließend die professionelle Funktechnik revolutionierte.
Feste und mobile Kommunikationsdienste