EM Welle

Inhalt

  Seite NA  

1.  NA  

  Theorie  3

1.1  NA  

  Schwingkreise  3

1.1.1  NA  

  Geschlossener Schwingkreis  3

1.1.2  NA  

  Offener Schwingkreis  4

1.2  NA  

  Begriffserklärung  4

1.2.1  NA  

  Anregung  4

1.2.2  NA  

  Rückkopplung  4

1.2.3  NA  

  Dämpfung  5

1.3  NA  

  Die Geschichte der elektromagnetischen Welle  6

1.4  NA  

  Das E-MSpektrum  7

1.5  NA  

  Die gedämpfte Schwingung  7

2.  NA  

  Experiment  8

2.1  NA  

  Die Schaltung (geschlossener Schwingkreis)  8

2.1.1  NA  

  Eigenfrequenz  9

2.1.2  NA  

  Dämpfungsfaktor  10

2.1.3  NA  

  Induktivität  10

2.2  NA  

  Messreihen  10

2.2.1  NA  

  Berechnung der Größen aus 2 1  11

2.2.1.1  Eigenfrequenz  11

2.2.1.2  Dämpfungsfaktor  11

2.2.1.3  Induktivität  11

2.3  NA  

  Angleichen an eine bestimmte Frequenz  12

3  NA  

  Die E-MWelle  13

3.1  NA  

  Modulationstechniken  13

3.1.1  NA  

  Amplitudenfrequenz  13

3.1.2  NA  

  Frequenzmodulation  13

3.2  NA  

  Sende- und Empfangsantennen  14

3.3  NA  

  Das Radar  18

3.3.1  NA  

  Allgemeines  18

3.3.2  NA  

  Aufbau und Funktionsweise  18

3.3.3  NA  

  Frequenzbereiche des Radars  19

3.3.4  NA  

  Radar zur Flugüberwachung Graz-Thalerhof  20

4  NA  

  Quellennachweis  21

2  NA  

1. Theorie

Elektromagnetische Wellen kommen in der Natur überall vor, sie können aber auch künstlich erzeugt werden. Sie setzten sich aus einer elektrischen und einer magnetischen Schwingung zusammen. Sie sind Transversalwellen, das heißt sie stehen normal aufeinander.

(http://www.erz.uni-hannover.de/inst/naturw/emWelle.html)

Sie unterscheiden sich in ihrer Frequenz und in Folge dessen auch in ihrer Wellenlänge. Man unterscheidet zwischen zahlreichen Gruppen, die von Niederfrequenzwellen (10 3 Hz / λ=10 5 m) über Längstwellen, Langwellen, Mittelwellen, Kurzwellen, Ultrakurzwellen (10 8 Hz / λ=10 0 m), Dezimeterwellen, Zentimeterwellen, Millimeterwellen, Mikrowellen (10 12 Hz / λ=10 -4 m), Infrarot, sichtbares Licht (10 15 Hz / λ=10 -6 m), Ultraviolett, Röntgenstrahlung, Gammastrahlung (ab 10 19 Hz aufwärts / ab λ=10 -10 m abwärts) Der Bereich von 10 4 m Wellenlänge bis 10 -1 m Wellenlänge ist für uns interessant, da diese Wellen mit Schwingkreisen erzeugt werden können.

EM-Wellen breiten sich in Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit aus. (~300 000 km/s)

1.1 Der Schwingkreis

Ein Schwingkreis besteht aus einem Kondensator und einer Spule. Wird er einmal angeregt, schwingt der Strom darin hin und her, wie ein Federpendel. Auch hier gibt es Verluste, sodass die Schwingung gedämpft ist.

Die Grundform ist der geschlossene Schwingkreis. Diesen kann man immer weiter öffnen, bis man über den halb offenen Schwingkreis zum offenen Schwingkreis wird.

1.1.1 Geschlossener Schwingkreis

Legt man an einen geschlossenen Schwingkreis Strom an, lädt sich der Kondensator auf. Wird die Spannungszufuhr unterbrochen, kann sich der Kondensator entladen. Es fließt Strom durch die Spule. Dadurch baut sich ein magnetisches Feld in der Spule auf, welches der elektrischen Energie entgegenwirkt und durch Induktion den Kondensator gegengleich wieder auflädt und so ein elektrisches Feld zwischen den

3

Kondensatorplatten bildet. Danach wiederholt sich der Vorgang in umgekehrter Reihenfolge.

1.1.2 Offener Schwingkreis

Ein offener Schwingkreis besteht ebenso wie der geschlossene aus einer Spule und einem Kondensator. Doch die Windungen der Spule wurden so weit reduziert, dass sie zu einem geraden Leiterstück geworden ist, und die Kondensatorplatten wurden in ihrem Querschnitt auf den eines Leiters reduziert und auseinandergebogen. Ein solcher Schwingkreis nennt sich Dipol.

1.2 Begriffserklärung

1.2.1 Anregung

Um einen Schwingkreis zu betreiben, erfordert dies Energie, die im Schwingkreis schwingen kann. Sie muss dem Schwingkreis erst zugeführt werden. Dies erfolgt mittels Zuführen elektrischer Energie. Dieser Vorgang nennt sich Anregung. Führt man dem Schwingkreis nur einmal Energie zu, so reicht diese auf Grund der Dämpfung nur für einige Schwingungen mit abnehmender Amplitude aus. Für eine gleichmäßige Schwingung muss also fortwährend Energie im Richtigen Takt zugeführt werden. Eine Möglichkeit der Anregung ist die Rückkopplung.

1.2.2 Rückkopplung

Beeinflusst der Ausgang eines Prozesses seine Ursache, so spricht man von Rückkopplung.

(Basiswissen 2; Seite 99, Spalte 1; Verlag Hölder-Pichler-Tempsky, Wien, 1992)

Wie jeder Schwingungsvorgang kommt auch die Schwingung der Ladungen im Schwingkreis durch innere Reibung rasch zum Stillstand. Schwingkreise in der Technik müssen daher im „richtigen Takt“ durch Energiezufuhr angeregt werden, um die Reibungsverluste auszugleichen. Dabei bedient man sich beispielsweise der Rückkopplung – der Schwingkreis steuert selbst den Moment des Energienachschubes.

(Basiswissen 3; Seite 85; Spalte 2; Verlag Hölder-Pichler-Tempsky, Wien, 1992)

4

Schaltplan zur Rückkopplung:

Der Kopplungstransformator verbindet die Spule des Schwingkreises mit dem Regelkreis. Er überträgt die Schwingung in den Regelkreis, sodass der Transistor synchron mit der Frequenz des Schwingkreises angesteuert wird. Bei positiver Spannung an der Basis schaltet er durch, und gibt so wieder einen Regelimpuls an den Schwingkreis.

Regelkreise werden in der Technik häufig verwendet (Drehzahlregler, Spannungsregler ...). Charakteristisch für Regelkreise ist, dass der Wert der Regelgrösse (Istwert) ständig mit dem Sollwert verglichen wird. Weicht der Istwert vom Sollwert auf Grund einer Störung ab, so führt diese Abweichung zu einer Stellgrösse, die auf die Regelstrecke so einwirkt, dass die Störung ausgeglichen wird. In Systemen mit Rückkopplung kann es zu einem „Aufschaukeln“ [findet bei der Erzeugung von Schwingungen im Schwingkreis Anwendung] oder „Abklingen“, zu einer Stabilisierung eines Vorganges nach einer bestimmten „Einschwingzeit“, aber auch zu unerwünschten Schwingungen um einen Sollwert kommen. (Basiswissen 2; Seite 99; Spalte 1/ 2; Verlag Hölder-Pichler-Tempsky, Wien, 1992)

Die Rückkopplung in unseren Schwingkreisen funktioniert auf die selbe Weise; die Istwert des Schwingkreises wird über den Kopplungstransformator mit dem Sollwert verglichen. Der einzige Unterschied ist, dass im Schwingkreis eine Sinusschwingung vorherrscht, dessen Amplitude sich lediglich etwas verringert. Sobald die Schwingung einen Schwellwert im positiven Bereich (NPN-Transistoren schalten bei positiver Spannung an der Basis durch) überschreitet, schaltet der Transistor durch und gibt einen Impuls an den Schwingkreis, um diesen erneut anzuregen und die Amplitude zu erhalten. Der Anregeimpuls dauert so lange, bis die Sinusschwingung des Schwingkreises den Schwellwert wieder unterschreitet.

1.2.3 Dämpfung

-0,35

Geht durch Reibung Schwingungsenergie in die Umgebung über, verringert sich die Amplitude der Schwingung – die Schwingung verläuft gedämpft. Je stärker die Dämpfung einer Schwingung ist, umso rascher klingt die Amplitude der Schwingung ab.

(Basiswissen 2; Seite 96; Spalte 1; Verlag Hölder-Pichler-Tempsky, Wien, 1992)

Im Schwingkreis geht jedoch nicht nur durch Reibung Energie verloren, sondern auch bei der Induktion, da es sich nicht um eine optimale geschlossene Spule handelt. Es wird magnetische Energie nach außen abgegeben. Ebenso wird auch kein optimales elektrisches Feld zwischen den Kondensatorplatten aufgebaut. Der Dämpfungsfaktor bei normalen Schwingkreisen ist daher relativ groß, sodass es bei einmaliger Anregung nur zu einigen wenigen Schwingungen kommt. (vgl. 1.5 und 2.2.4)

Ein vergleichbares Beispiel ist ein Federpendel, bei dem allerdings nur die Reibung zur Abnahme der Amplitude führt. Schwingt es in Luft, nimmt die Amplitude nur sehr langsam ab, dies entspricht einem kleinen Dämpfungsfaktor. Dieser nimmt mit zunehmender Dichte des umgebenden Mediums zu. In Wasser etwa ist die Dämpfung so hoch, dass das Pendel nur noch einige Schwingungen durchführt, bevor es zum Stillstand kommt.

1.3 Die Geschichte der elektromagnetischen Welle

(http://home.t-online.de/home/Karsten.Beuche/meile19.htm und Geschichte der Physik 2; Hansjörg Kunze, Verlag Hölder-Pichler-Tempsky, Wien, 1991)

6

1.4 Das EM-Spektrum

Das Spektrum der elektromagnetischen Wellen erstreckt sich über einen Bereich von

etwa 10 3 bis 10 22 Hz. Auch das sichtbare Licht und Wärmestrarhlung bestehen aus

EM-Wellen:

(Material aus dem Physik-Unterricht und „Technik im Alltag“; Seite 23; Hansjörg Kunze; öbv & hpt,

Wien, 1999

1.5 Die gedämpfte Schwingung

Die Amplitude einer gedämpften Schwingung nimmt mit der Zeit ab. Die Abnahme

der Amplitude ∆r ist proportional zur Amplitude r (t) und proportional zur Zeitspanne

∆t. Das negative Vorzeichen gibt an, dass die Amplitude abnimmt:

∆ − = ∆ δ t r r * * ) ∆r ...Abnahme der Amplitude

t (

Die sekundliche Abnahme der Amplitude ∆r / ∆t ist proportional zur momentanen

Amplitude r (t) :

∆ r

δ − = r * t

) (

t

Diese Beziehung schreiben wir als Differentialgleichung an:

dr

r

dr ∫ ∫ − = δ dt *

r

t

)

(

*

t

:

δ

k r

0

=

k

0

Die Abnahme der Schwingungsamplitude wird durch eine e-Funktion beschrieben:

... die momentane Amplitude

t

t ... die verstrichene Zeit

(Basiswissen 2; Seite 96; Spalte 2; Verlag Hölder-Pichler-Tempsky, Wien, 1992)

Da es sich bei der EM-Schwingung um eine Sinusschwingung handelt und die

Amplituden r mit U (Spannung) bezeichnet werden können, lautet die Gleichung für

die gedämpfte EM-Schwingung:

sin * *

t

0 ) (

2 Experiment

2.1 Die Schaltung (geschlossener Schwingkreis)

Für das Experiment verwenden wir den Schaltplan, aus

ihm einen kurzen Anregeimpuls. Während des negativen Teils der Anregeschwingung

hat der Schwingkreis Zeit, auf seiner Eigenfrequenz zu schwingen, bis er erneut

angeregt wird. Mit Hilfe des Oszilloskopes können wir verschiedene Einheiten

berechnen und den Schwingkreis auf eine vorgegebene Frequenz abgleichen. Der

Funktionsgenerator (FG) liefert uns eine Sinusschwingung, die den Schwingkreis

anregt. Die Diode sorgt dafür, dass die Anregung nur im Positiven Bereich stattfindet.

Der „negative Teil“ der Sinusschwingung wird abgeschnitten. In dieser Zeit hat der

Schwingkreis Zeit, auf seiner Eigenfrequenz zu schwingen. Da der Dämfungsfaktor

relativ groß ist, schwingt dieser nur einige Male, dann muss er wieder angeregt

werden.

8

Anregeschwingung und gedämpfte Schwingung:

Anregeschwingung mit gedämpfter Schwingung

2.1.1 Eigenfrequenz

Jeder Schwingkreis schwingt mit einer durch die Kapazität des Kondensators und die Induktivität der Spule bestimmten Eigenfrequenz, die unabhängig von der Anregefrequenz ist. Sie lässt sich mit der Formel

1 = f

0

π berechnen. Wir verwenden für dieses Experiment allerdings eine Spule mit uns unbekannter Induktivität. Wir müssen die Eigenfrequenz daher mit Hilfe des Oszilloskopes bestimmen. Wir wählen eine Anzahl von Schwingungen, die man am Oszilloskop noch gut erkennen kann und zählen die Einheiten, die die Schwingungen begrenzen. Dann lesen wir ab, welche Zeit eine Einheit der x-Achse zugeteilt ist. (Einstellpotentiometer; Die Feineinstellung muss dabei auf Null eingestellt sein.) Wir multiplizieren die Einheiten mit dem eingestellten Wert und rechnen ihn in Sekunden um, da er sich meist im Millisekundenbereich befindet. Das Ergebnis dividieren wir durch die Anzahl der Schwingungen. Wir erhalten die Zeit T, die für eine Schwingung nötig ist. Wir wissen, dass sich die Frequenz durch die Formel

9

1

= f

T

berechnen lässt. Somit erhalten wir die Eigenfrequenz des Schwingkreises.

2.1.2 Dämpfungsfaktor

Im Idealzustand würde ein Schwingkreis, der einmal angeregt wurde, immer weiter

schwingen. In der Realität wird er allerdings durch verschiedene Einflüsse wie etwa

den Widerstand der Leiter, Verlust bei der Induktion... gedämpft. Die Amplitude

nimmt dabei exponentiell ab. (siehe Abb. in 2.1) Die Abnahme hängt dabei von der

ab.

δ

e r r

0 ) (

Für die Spannungsmaxima gilt daher:

) sin( *

t

0 ) (

Da wir den Dämpfungsfaktor nicht kennen, müssen wir ihn berechnen. Durch

:

U f

= δ

Dieses Experiment haben wir im Rahmen des Physik-Labor-Unterrichtes durchgeführt. In der ersten Einheit haben leider viele Teilnehmer wegen Krankheit gefehlt, und wir wurden daher nicht fertig. In der nächsten Einheit haben wir die Messungen wiederholt. Erstaunlicher Weise haben wir beim zweiten Mal etwas andere Werte als beim ersten Mal erhalten. Wir führen dies auf die Verwendung etwas anderer Bauteile und Messgeräte zurück. Da die Werte aber den ersten Werten ähnlich waren, liegt kein Fehler in der Ausführung vor. Wir arbeiten mit den Werten der zweiten Einheit, da diese vollständig sind.

2.2.1 Berechnung der Größen aus 2.1

2.2.1.1 Eigenfrequenz

Der Kondensator, den wir hier verwenden, hat eine Kapazität c von 15,6 µF. Von der Spule haben wir keine Werte. Als erstes bestimmen wir die Eigenfrequenz. Wir stellen das Oszilloskop so ein, dass wir eine schöne stehende Schwingung erhalten. Wir verschieben sie dann in x-Richtung so, dass wir die Anzahl der Schwingungen pro Einheit genau abzählen können. Eine Einheit entspricht bei unserer Einstellung einer Zeit von 0,5 Millisekunden. Wir wählen 3 Schwingungen, da die dritte Schwingung die letzte gut erkennbare Schwingung ist. Diese drei Schwingungen ziehen sich über 3,2 Einheiten. Wir erhalten dadurch eine Schwingungsdauer T von 0,00053 s. Da

1 = f

1875 Hz.

2.2.1.2 Dämpfungsfaktor

Der Dämpfungsfaktor berechnet sich durch die in 2.1.2 beschriebene Formel

= δ

1

=

2 ) ( L

π

2 C f

Wir müssen nun nur noch die zuvor berechnete Frequenz und die bekannte Kapazität

des Kondensators einsetzen und erhalten die Induktivität.

Unsere Spule hat eine Induktivität L von 0,000461863 Henry, das sind

4 -

H 10 * 4,61863 .

2.3 Angleichen an eine bestimmte Frequenz

Der letzte Teil unseres Experiments besteht darin, mit einigen uns zur Verfügung

gestellten Kondensatoren, den Schwingkreis auf eine Frequenz von 1500 Hz

abzugleichen. Die Kondensatoren, die wir erhalten sind alle unipolar und haben

folgende Werte:

Wir wurden darauf aufmerksam gemacht, dass wir mindestens zwei dieser

Kondensatoren verwenden müssten, um die richtige Kapazität zu erhalten.

Kondensatoren verhalten sich ähnlich wie Widerstände. Bei einer Serienschaltung

mehrerer Kondensatoren, muss man mit den Kehrwerten rechnen.

1 1 1

+ + = ...

( )

ges

1 1

Sind die Kondensatoren parallel geschaltet, kann man einfach mit der Summe

rechnen.

Wir haben versucht, die benötigte Kapazität zuerst theoretisch zu berechnen. Das

kann man durch Umformen der Gleichung zur Berechnung der Induktivität. Sie lautet

dann:

1

=

C

Wir setzen die Induktivität der Spule für L, die wir vorher berechnet haben, und für f

die gewünschte Frequenz 1500 Hz ein. Als Sollwert erhalten wir eine Kapazität von

Wir versuchen also, durch parallel- und seriell-schalten der

Kondensatoren einen Gesamtwert zu erhalten, der sich an den theoretischen

möglichst annähert. Diese Anordnung bauen wir nun in den Schwingkreis ein. Zu

unserem Erstaunen weicht die Frequenz aber deutlich von 1500 Hz ab. Sie liegt

12

darunter, wir müssen also die Kapazität verringern. Nun versuchen wir durch Auswechseln verschiedener Kondensatoren, die Frequenz an 1500 Hz anzunähern. Den besten Wert von etwa 1481 Hz erreichen wir mit folgender Anordnung.

Der Kapazitätswert dieser Anordnung beträgt 19 µF.

3 Die EM-Welle

3.1 Modulationstechniken

Zur Übertragung von akustischen Frequenzen (Senden von Tonsignalen wie im Rundfunk) bedient man sich eines Tricks: Man verändert beispielsweise die Amplitude der Sendewellen synchron mit der Tonfrequenz. Die hochfrequente Sendewelle (Trägerwelle) weist eine mit Niederfrequenz (Tonfrequenz) schwankende Amplitude auf.

(Basiswissen 3; Seite 90; Spalte 2; Verlag Hölder-Pichler-Tempsky, Wien, 1992)

3.1.1 Amplitudenmodulation

Das oben beschriebene Verfahren nennt man Amplitudenmodulation. Aufgabe eines Empfängers dieser Art von amplitudenmodulierten elektromagnetischen Wellen ist es, den Niederfrequenzanteil der Schwankung der Amplitude der Trägerwelle zu verstärken. Dazu wird im einfachsten Fall der empfangene hochfrequente Wechselstrom mit einer Diode „gleichgerichtet“. Damit erhält man einen „pulsierenden Gleichstrom“. [...] Die Stromschwankungen werden verstärkt, wobei durch die Art der Verstärkerschaltung der Hochfrequenzanteil unterdrückt wird. Die niederfrequenten Schwingungen in Tonbereich werden durch einen Lautsprecher hörbar gemacht.

Amplitudenmodulation wird beim Rundfunk im Mittelwellenbereich verwendet. Auf Empfangsgeräten (Tuner) ist dies häufig durch AM gekennzeichnet. (Basiswissen 3; Seite 91; Spalte 1; Verlag Hölder-Pichler-Tempsky, Wien, 1992)

Die Abstimmung der Empfangsantenne (Empfangsschwingkreis) mit der Frequenz der Sendeantenne führt man beim Radio durch Einstellen des „Senders“ durch. Dabei wird die Frequenz des Empfangsschwingkreises durch einen veränderbaren Kondensator mit der Frequenz des Senders abgeglichen.

13

3.1.2 Frequenzmodulation

Die Frequenz des modulierten Niederfrequenzsignals bestimmt, wie oft die Frequenz der Trägerwelle geändert wird, die Amplitude des modulierten Niederfrequenzsignals bewirkt eine verschieden starke Veränderung der Frequenz der Trägerwelle. (Basiswissen 3; Seite 91; Spalte 2; Verlag Hölder-Pichler-Tempsky, Wien, 1992)

Beim Radio ist dies meist durch FM gekennzeichnet.

3.2 Sende- und Empfangsantennen

(http://www.2cool4u.ch/grundlag/wellenau/textwell.htm)

Antennen bestehen aus Metall, sie sind geradlinig oder parabolisch gekrümmt ausgebildet.

(Technik im Alltag; Seite 22; Spalte 2; Hansjörg Kunze; öbv & hpt, Wien; 1999)

Um eine optimale Empfangsleistung zu erzielen, muss die Antenne sehr genau ausgerichtet werden. Die empfangbaren Frequenzen sind auch von der Länge der Antenne abhängig. Antennen sind nur für gewisse Frequenzbereiche ausgelegt. Für UKW-Empfang genügt ein Stab oder ein einfacher Draht (Wurfantenne), für MW- Empfang benötigt man eine Ferritstabantenne (Draht auf Ferritkern gewickelt). [...] Die Zuleitung von der Antenne zum Empfänger muss auf die elektrischen Eigenschaften der Antennenanlage abgestimmt werden (Widerstand), sonst kommt es zu Leistungsverlusten. Bei der Aufstellung einer Antennenanlage muss berücksichtigt werden, dass elektromagnetische Signale durch andere elektromagnetische Vorgänge beeinflusst werden, was meist zu Störungen führt. Eine dieser Störquellen sind elektrische Leitungen als Quellen elektromagnetischer Felder. Weiters kann es zu Störungen durch Reflexionen an Metallwänden kommen. (Technik im Alltag; Seite 23; Spalte 1; Hansjörg Kunze; öbv & hpt, Wien; 1999)

14

Die zu empfangenden elektromagnetischen Wellen bringen die Elektronen der Antenne bei entsprechender Frequenz (Resonanzfrequenz) durch Induktion zum Mitschwingen. Dadurch entstehen Induktionsströme, die über eine Leitung zum Empfänger geführt werden.

(Technik im Alltag; Seite 22; Spalte 2; Hansjörg Kunze; öbv & hpt, Wien; 1999)

Alle Typen von Antennen können sowohl als Sender als auch als Empfänger verwendet werden. Nur gewisse Empfangsantennen können auf Grund ihrer geringen Leistung nicht als Sender gebraucht werden.

Die einfachste Antenne hat die Form eines Metallstabes (Dipolantenne). Theoretisch muss die Länge des Stabes in einem ganzzahligen Verhältnis zur Wellenlänge der gesendeten Trägerwelle stehen (Resonanz). In der Praxis wird im Radio oder TV ein Drehkondensator eingebaut, der eine Abstimmung auf verschiedene Resonanzfrequenzen ermöglicht.

Der Dipol ist ein Schwingkreis, bei dem der Stab der Spule (Induktivität L) entspricht. Die Stabenden bilden den Kondensator (Kapazität C). Aus den Abmessungen der Antenne ergibt sich ihre Aufnahmefrequenz nach der Formel

1 = f

0

[...] Den besten Empfang erhält man, wenn der Dipol parallel zum elektrischen ρ liegt.

Feldstärkekvektor E (Technik im Alltag; Seite 22; Spalte 2; Hansjörg Kunze; öbv & hpt, Wien; 1999)

Die meisten Dipole entsprechen der halben Wellenlänge der EM-Wellen des jeweiligen Empfangsbereiches. Sie heißen daher Halbwellendipole.

Nur eine Kugel würde die HF-Energie gleichmäßig rundum in den Raum abstrahlen. Eine langgestreckte Antenne hat eine bestimmte Richtcharakteristik. Wird beispielsweise ein waagerecht aufgehängter Halbwellendipol von oben betrachtet, so ergibt das Horizontaldiagramm die Form einer Acht. Diese Charakteristik entsteht, wenn man in den verschiedenen Richtungen die Feldstärke misst

Horizontaldiagramm eines waagerecht aufgehängten Halbwellenstrahlers (http://www.oscar-tango.de/L5.htm)

Nicht nur ein gestreckter Dipol kann Hochfrequenzenergie abstrahlen. Es gibt hunderte verschiedener Bauformen von Antennen, die alle irgendwelche Vor- und Nachteile gegenüber dem Dipol haben.

(http://www.oscar-tango.de/L5.htm)

(http://www.oscar-tango.de/L5.htm)

A: gestreckter Dipol,

B: Inverted Vee mit 120° Spreizwinkel, C: Inverted Vee mit 90° Spreizwinkel

Durch das Herunterziehen der Dipolenden wird das horizontale Richtdiagramm der Antenne verändert. Bei einem Spreizwinkel von 90° entsteht aus der typischen Achtercharakteristik [s. o. (Horizontaldiagramm)] des Dipols nahezu eine Rundcharakteristik, d.h. diese Antenne strahlt in alle Richtungen. Durch die gleichmäßige Verteilung in alle Richtungen strahlt diese Antenne quer zur Aufhängerichtung nicht mehr so viel Energie ab wie ein gestreckter Dipol. [...] In den Richtungen aber, in die der gestreckte Dipol schlecht strahlt, hat die Inverted Vee einen hohen Gewinn.

(http://www.oscar-tango.de/L5.htm)

Wenn man die Senderenergie, die bei den meisten Antennen ungleichmäßig verteilt in viele Richtungen gleichzeitig abgestrahlt wird, in die gewünschte Richtung bündelt, erzielt man genau wie beim Licht eines Scheinwerfers eine größere Feldstärke in dieser Richtung. Man nennt dies Antennengewinn. Der Gewinn ist um so größer, je stärker die Bündelung erfolgt, d.h. je kleiner der Öffnungswinkel ist. Allerdings müssen diese Antennen dann in die gewünschte Richtung gedreht werden. Diese Antennen heißen Drehrichtstrahler oder Beam.

(http://www.oscar-tango.de/L5.htm)

Die häufigste Richtantenne ist die Yagi-Antenne. Sie besteht aus einem Strahler, der die elektromagnetischen Wellen aussendet, einem Reflektor und einem Direktor. Der Reflektor reflektiert einen Teil der Wellen, sodass die Wellen nur in eine Richtung ausgestrahlt werden. Der Direktor bündelt diese nochmals. Dadurch kann eine sehr große Flussdichte erreicht werden.

16

(http://www.oscar-tango.de/L5.htm)

In der Skizze erkennt man den Unterschied der Reichweite von einem einfachen Dipol und einer Yagi-Antenne.

(A) horizontal polarisierte Yagi

(B) vertikal polarisierte Yagi (C) Kreuzyagi

(D) zirkular polarisierte X-Yagi (http://www.oscar-tango.de/L5.htm) Für FM-Feststationen werden Groundplane-Antennen oder λ /2-Antennen mit einer speziellen Anpassung als Sperrtopf verwendet. Für Handfunkgeräte werden meist Wendelantennen verwendet. Der Antennendraht wird dabei zu einer Spule aufgewickelt. Diese Antennen sind zwar sehr klein, haben aber einen geringeren Wirkungsgrad als eine λ /4-Antenne. (http://www.oscar-tango.de/L5.htm)

UKW-Vertikalantennen:

(http://www.oscar-tango.de/L5.htm)

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Eine ebenso häufige Richtantenne ist die Parabolantenne.

Ein parabolisch geformter metallischer Spiegel empfängt elektromagnetische Wellen und bündelt (fokussiert) sie im Brennpunkt. Je größer der Spiegel ist, desto größer ist die Empfangsleistung. Im Brennpunkt befindet sich ein hohler Metallkörper (Hohlraumresonator), von dem die gebündelten Wellen zum Empfänger geleitet werden.

(Technik im Alltag; Seite 23; Spalte 2; Hansjörg Kunze; öbv & hpt, Wien; 1999)

3.3 Das Radar

3.3.1 Allgemeines

„Radar“ war ursprünglich ein Code-Name von der amerikanischen Marine im Zweiten Weltkrieg. Das Wort stand ursprünglich für die Abkürzung Radio Aircraft Detecting And Ranging, also Radio-Flugzeug Entdeckung und Ortung. Später wurde Aircraft weggelassen, da das Gerät offensichtlich mehr als nur Flugzeuge entdecken und orten kann.

[...] Radargeräte werden heute vielfältig verwendet. Sie sind in der Luft- und Schifffahrt eine unverzichtbare Ausstattung geworden. Schiffe vermeiden damit bei Nebel und in der Nacht Kollisionen und Flugzeuge werden beim Start oder bei der Landung von einem Radar geleitet. Radargeräte werden auch in vielen anderen zivilen Bereichen verwendet. In der Meteorologie verwendet man sie, um Wolkenformationen zu detektieren, um Unwetter vorherzusagen und evtl. Gegenmassnahmen zu ergreifen. Viele Erderkundungssatelliten sind mit Radargeräten ausgestattet. Sie untersuchen Erdformationen oder Meeresoberflächen.

18

[...] Normalerweise breiten sich Radarwellen wie Lichtwellen aus, das heißt, sie laufen entlang einer geraden Linie. Jedoch kann eine Radarwelle, genau wie eine Lichtwelle, durch Dichteänderung der Luft gebrochen (gebogen) werden.[...] [Reflektiert werden sie von ziemlich allen Objekten.] Wo immer eine Grenzschicht herrscht, wird ein Teil der Radarwellen reflektiert, der andere Teil gebrochen. [...] [Außerdem werden sie von der Ionosphäre reflektiert.] Je mehr Fläche ein Objekt zur Reflexion von Radarwellen hat, desto besser reflektiert sie. Eine Ebene zum Beispiel reflektiert besser als ein Zylinder oder eine Kugel. Am schlechtesten reflektieren Objekte mit spitzen Ecken oder Kanten, wie zum Beispiel ein Kegel.

[Die Radarwellen an der Erdoberfläche zu verwenden, bringt Probleme mit sich,

denn] erstens reflektieren Bäume, Gebäude, Hügel und andere Objekte das Radarsignal und verstecken das eigentliche Ziel. Zweitens ist die Luft in Bodennähe auch etwas turbulenter, an der Grenze unterschiedlicher Luftdichte und –temperatur kann die Radarwelle gebogen werden.

[Radarwellen werden allerdings nicht nur durch direkte Reflexion zurückgeworfen, sondern an nicht senkrechten Körpern durch Beugung zum Empfänger zurückgeworfen.] [...] Beugung tritt immer dann auf, wenn die Wellenlänge der einfallenden Welle in der Größenordnung der Kantenlänge oder des Durchmessers der Reflexionsfläche liegt.

(http://members.aol.com/aunkelbach/schulcd/physik/radar.htm bzw. „Principles of Modern Radar“)

3.3.2 Aufbau und Funktionsweise

Ein Radarsender wird genauso aufgebaut, wie ein normaler Radiosender. Die drei wichtigsten Blöcke eines Senders sind der Oszillator, der Verstärker und der Modulator. Der Oszillator erzeugt die Trägerfrequenz des Signals. Der Modulator überlagert auf der Trägerfrequenz ein Signal (meistens pulsförmig). Der Verstärker schließlich liefert genug Energie für das Signal, damit es auch genügend weit gesendet werden kann.

[...] Für Radar ist es wichtig, dass die Antenne eine schmale Sende- und Empfangsrichtung hat. Verwendet wird eine parabolische Antenne (wie die Satelliten- Schüssel) oder ein Antennenfeld (mehrere parallelstehende Antennenmasten nebeneinander).

(http://members.aol.com/aunkelbach/schulcd/physik/radar.htm bzw. „Principles of Modern Radar“)

Auch der Radarempfänger gleicht im Aufbau einem Radioempfänger, es werden jedoch wesentlich höhere Anforderungen gestellt.

Ein leistungsstarker Sender strahlt über eine Richtantenne hochfrequente elektromagnetische Impulse, das sind kurzdauernde [...] Wellenzüge [mit einer Frequenz von etwa 3*10 10 Hz], in die gewünschte Richtung aus. Die Impulse werden von dem Messgegenstand reflektiert, von der Antenne des Radargeräts wieder aufgenommen und jetzt dem Empfänger zugeführt. Nach Verstärkung erscheint der empfangene Impuls neben dem Sendeimpuls auf dem Schirm der Braunschen Röhre des Empfangsgeräts. Aus dem Abstand der beiden Impulse, der der Laufzeit des Impulses zwischen Radargerät und Messobjekt proportional ist, kann man sofort die

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Entfernung angeben. Zu Panoramaaufnahmen wird (mit Hilfe von rotierenden Antennen) ein größeres Gebiet abgetastet. (CD-Rom Lexikon ’99: „Radar“; Bertelsmann Electronic Publishing GmbH, München 1997 & Retrievalsoftware: TEXTware A/S, Kopenhagen 1997)

Die Form der reflektierten Radarwelle (Amplitude, Phase und Frequenz) hängt mit der Form und Größe des Objektes zusammen. Daraus kann man Rückschlüsse auf das Zielobjekt schließen [wichtig bei Flugzeugen, Schiffen, Panzern etc.]. (http://members.aol.com/aunkelbach/schulcd/physik/radar.htm bzw. „Principles of Modern Radar“)

3.3.3 Frequenzbereiche des Radars

Radargeräte arbeiten nicht nur mit einer bestimmten Frequenz. Je nach Gebrauch, werden verschiedene Frequenzbereiche verwendet:

(http://members.aol.com/aunkelbach/schulcd/physik/radar.htm bzw. „IEEE Standard 521-1976“, 30. Nov. 1976)

3.3.4 Radar zur Flugüberwachung Graz-Thalerhof

Zur Flugüberwachung befinden sich in Österreich einige verschiedene Radartypen. Auf der Koralm befindet sich zum Beispiel ein Mittelbereichsradar. Die Reichweite eines solchen Radargerätes beträgt 250 bis 300 nautische Meilen (Diese Einheit wird bei der Flugüberwachung normalerweise eingesetzt.). Das sind etwa 450 bis 550 km. Das in Graz stationäre Radar hat eine Reichweite von 80 nautischen Meilen, also

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etwa 150 km. Es ist ein Anflugsradar. Das bedeutet es überwacht die Flugzeuge während des Start- beziehungsweise Landevorganges am Grazer Flughafen Thalerhof. Es dient ausschließlich der Überwachung der zivilen Luftfahrt. Das Militär verfügt über ein eigenes Radar.

Die Radarantenne besteht aus einem parabolischen Teil, dem Primärradar, und einer zweiten darüber liegenden Antenne, dem Sekundärradar.

Gespeist wird das Radar über zwei verschiedene Stromnetzte, um einen Ausfall zu vermeiden. Jedes dieser Netzte liefert 380 Volt, die über einen Trafo auf 11 kV transformiert werden. Über weitere Spulen wird eine Betriebsspannung von 20 kV erreicht. Diese Spannung ist nötig, um Ausgangsspitzten beim Primärradar von bis zu 600 Kilowatt zu erreichen. Als zusätzliche Absicherung gibt es einen Batterieraum, der bei Ausfall beider Netzte das Radar weitere 4 Stunden betreiben kann.

Das primäre Radar dient zur Auffindung der Flugobjekte. Thyristoren (4-Schichtdiode) schalten den Strom, sodass man eine hochfrequente elektromagnetische Schwingung erhält. Das Signal wird über ein Magnetron (Elektronenröhre) moduliert. Das Radar läuft über zwei Systeme, die mit etwas unterschiedlichen Frequenzen arbeiten. Die beiden Signale mit 2750 MHz und 2850 MHz werden über Hohlleiter weitergeleitet und zusammengeführt. Über einen Hohlleiter werden die Signale dann weiter in die Antenne geleitet, wo sie über vier Hörner in die Parabolantenne ausgestrahlt werden.

Das ausgestrahlte Radarsignal wird von allen metallischen Körpern mit einer Fläche von etwa 20 bis 30 m² reflektiert und über dieselbe Antenne empfangen und in den Kontrollraum geleitet. Das zurückkommende Signal ist nur sehr schwach (nur einige Nanowatt). Es muss herausgefiltert und in die beiden Frequenzen aufgeteilt werden. Diese Signale werden dann verstärkt und von einem Datenprozessor verarbeitet. Ein Winkelencoder stellt die genaue Position der Radarantenne, die sich 15 mal pro Minute dreht, fest. Der Prozessor verbindet die beiden Signale und kann so am Bildschirm die erfassten Körper an der richtigen Position darstellen. Da die Umgebung von Graz nicht eben ist, werden auch große Objekte wie etwa der Schöckel vom Radar erfasst und er würde eine ständige Störung darstellen, daher kann der Computer solche „Fixsignale“ digital ausfiltern. Zur Eichung des Gerätes wurde außerdem an einigen Stellen (z.B. am Schöckel) ein Sender aufgestellt, der ein Dauersignal an das Radargerät sendet. Verändert sich seine Position am Bildschirm weiter als toleriert, wird sofort ein Alarmsignal abgegeben.

Da die Frequenz der Radarwelle sehr hoch ist, wird ein Flugzeug nicht nur einmal bei jeder Umdrehung von den Radarwellen getroffen, sondern mehrmals, daher ist am Bildschirm nicht nur ein Punkt, sondern meist ein kleiner Strich zu erkennen.

Das sekundäre Radar dient der Bestimmung des Flugobjektes. Sobald ein Flugobjekt von Radarwellen getroffen wird, wird dies registriert und der Computer sendet ein Signal zurück. Dieses Signal dient zur Datenübertragung. Es werden verschiedene Modi verwendet. In Österreich gibt es allerdings nur den A und den C Mode. Der C Mode gibt Auskunft über die Flughöhe des Flugzeuges und der A Mode gibt die Flugnummer bekannt. Diese Informationen werden ebenfalls über den Prozessor verarbeitet und am Bildschirm neben dem Flugzeug angezeigt, sodass der Fluglotse ohne Funkkontakt bereits weiß, um welches Flugzeug es sich handelt, und ob es am richtigen Kurs und in der richtigen Flughöhe ist.

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Die Grazer Radaranlage kostet etwa 40 bis 50 Millionen Schilling (ohne Bau) und ist auf dem technischer Stand von etwa 1975. Pro Tag wird das Radar etwa 4 Stunden lang überwacht und eine halbe Stunde technisch kontrolliert. Die erhaltenen Daten werden über ein Netzwerk mit den anderen Flugüberwachungszentralen in Österreich, aber auch mit anderen Ländern ausgetauscht, sodass eine sichere Überwachung des europäischen Luftraumes möglich ist.

(Informationen erhalten während eines Besuches der Grazer Radaranlage von Herrn Marterer und Ing.Halbwirt [technischer Leiter])

4. Quellennachweis

Internet:

http://members.aol.com/aunkelbach/schulcd/physik/radar.htm http://www.2cool4u.ch/grundlag/wellenau/textwell.htm http://www.erz.uni-hannover.de/inst/naturw/emWelle.html http://www.oscar-tango.de/L5.htm http://home.t-online.de/home/Karsten.Beuche/meile19.htm http://www.atcnea.at/bigfotos/radar.jpg http://www.conrad.at

Principles of Modern Radar

Basiswissen 2; Verlag Hölder-Pichler-Tempsky, Wien, 1992 Basiswissen 3; Verlag Hölder-Pichler-Tempsky, Wien, 1992 Technik im Alltag; Hansjörg Kunze; öbv & hpt, Wien, 1999 Geschichte der Physik 2; Hansjörg Kunze, Verlag Hölder-Pichler-Tempsky, Wien, 1991 Material aus dem Physik-Unterricht Material aus dem Physik-Laborunterricht CD-Rom Lexikon ’99; Bertelsmann Electronic Publishing GmbH, München 1997 & Retrievalsoftware: TEXTware A/S, Kopenhagen 1997 Informationen von Herrn Marterer und Ing.Halbwirt [technischer Leiter] am Flughafen Graz-Thalerhof

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