E4.6 Ionosphäre, Fading, Taumeln, Faraday
Niveau: K2 Anwenden
Zeitbedarf: ca. 25 Minuten
Einstiegsfrage:
Mitten im Überflug wird das Signal plötzlich leiser und kommt dann wieder. Hat der Satellit ein Problem – oder liegt es am Weg dazwischen?
Reflexion an der Ionosphäre
Hoch über der Erde ionisiert die Strahlung der Sonne die dünne Luft. Diese Schichten bilden die Ionosphäre. Für Funkwellen wirkt sie je nach Frequenz wie ein Spiegel oder wie ein Fenster.
Frequenzen unter etwa 50 MHz können an der F2-Schicht reflektiert werden. Das ist die bekannte Kurzwellenausbreitung über grosse Distanzen. Für den Kontakt zum Satelliten ist das hinderlich: Die Welle kommt gar nicht erst oben an.
Darum nutzt der Satellitenfunk vor allem Frequenzen ab 144 MHz. Sie durchdringen die Ionosphäre.
Eigene Prinzipskizze, nicht massstäblich. Die Grenzfrequenz für die Reflexion hängt von Tageszeit, Jahreszeit und Sonnenaktivität ab; «unter ca. 50 MHz» ist ein Richtwert.
Fading: Warum das Signal schwankt
Fading bedeutet, dass der Empfangspegel schwankt, obwohl Sender und Distanz sich kaum ändern. Beim Satellitenfunk gibt es drei typische Ursachen.
Mehrwegeausbreitung
Das Signal kommt auf mehreren Wegen an: direkt und über Reflexionen, zum Beispiel an Gebäuden oder am Boden. Die Wege sind verschieden lang. Darum haben die Anteile unterschiedliche Laufzeiten und Phasenlagen. Treffen sie gegenphasig aufeinander, löschen sie sich beim Empfänger aus.
Jürgen Donnevert, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
Taumeln
Viele kleine Satelliten haben keine aktive Lageregelung. Ihre Ausrichtung und damit die Richtung ihrer Antennen ist unbekannt oder nicht stabil. Man nennt das Taumeln (englisch tumbling). Zeigt die Antenne zeitweise von der Erde weg, sinkt der Pegel.
Faraday-Rotation
Beim Durchgang durch die Ionosphäre dreht sich die Polarisationsebene einer Welle. Das ist die Faraday-Rotation. Kommt eine linear polarisierte Welle verdreht an einer ebenfalls linear polarisierten Antenne an, fällt der Pegel ab.
Die Drehung ist proportional zu 1/f². Auf 145 MHz ist sie also neunmal so stark wie auf 435 MHz, denn (435/145)² = 9.
Eigene Prinzipskizzen. Die Striche bei «Faraday-Rotation» zeigen die Richtung des elektrischen Feldes (Polarisation) einer linear polarisierten Welle.
Fading: Ursachen im Überblick
| Art | Ursache | Typisches Merkmal |
|---|---|---|
| Mehrwegeausbreitung (Multipath) | Signale mit unterschiedlicher Laufzeit bzw. Phasenlage löschen sich beim Empfänger (teilweise) aus. | Hängt von der Umgebung der Station ab (Gebäude, Boden, Hindernisse). |
| Taumeln (Tumbling) | Die Ausrichtung des Satelliten und damit seiner Antennen ist unbekannt oder nicht stabil. | Der Pegel schwankt im Takt der Drehung des Satelliten. |
| Faraday-Rotation | Die Polarisationsebene dreht sich beim Durchgang durch die Ionosphäre. | Proportional zu 1/f²: auf 145 MHz neunmal stärker als auf 435 MHz. |
Spalte «Ursache» nach der Quelle (Folie 37); Spalte «Typisches Merkmal» ist eine didaktische Ergänzung von AMSAT-HB.
Hinweis: Gegen die Faraday-Rotation und gegen wechselnde Polarisation durch Taumeln hilft eine Antenne mit zirkularer Polarisation (z. B. RHCP). Eine linear polarisierte Welle kommt an einer zirkularen Antenne immer mit etwa 3 dB Verlust an, egal wie sie gedreht ist. Der Simulator rechnet diese Polarisationsverluste, die Faraday-Rotation selbst bildet er nicht ab.
Das Radiofenster
Unterhalb von etwa 1 GHz rauscht die Milchstrasse stark, oberhalb von etwa 20 GHz rauscht und dämpft die Atmosphäre. Dazwischen liegt das Radiofenster mit sehr kleinem Himmelsrauschen. Die Grafik dazu findest du in E4.4 Rauschen und SNR.
Merksatz:
Unter etwa 50 MHz kann die Ionosphäre reflektieren – Satellitenfunk beginnt in der Regel bei 144 MHz*. Fading entsteht durch Mehrwegeausbreitung, Taumeln und Faraday-Rotation; die Faraday-Rotation wächst mit 1/f².
*Das bedeutet nicht, dass Satelliten nicht auch auf tieferen Frequenzen arbeiten können.
Formelkasten: Faraday-Rotation
Drehwinkel der Polarisationsebene
Ω: Drehwinkel der Polarisationsebene (in Grad); f: Frequenz. Halbe Frequenz bedeutet vierfache Drehung. Der Absolutwert hängt vom Zustand der Ionosphäre ab.