Ausbreitung

Ein Spiegel aus Elektronen

Die Sonne reißt in 60 bis 500 km Höhe Elektronen von den Atomen der dünnen Luft. Wo genug freie Elektronen sind, werden Kurzwellen gebrochen: Ein schräg einfallender Strahl biegt sich immer weiter zur Erde zurück, bis er waagerecht läuft und wieder herunterkommt. Wie stark eine Höhe bricht, sagt ihre Plasmafrequenz. Liegt die Frequenz deines Signals darunter, reicht schon ein senkrechter Strahl zum Umkehren.

Die Elektronen sind nicht gleichmäßig verteilt, sondern in Schichten. Im Bild links ist jede Höhe so hell gefärbt, wie viele Elektronen dort sind. Fahr mit dem Zeiger hinein, dann steht unten die Plasmafrequenz dieser Höhe.

D, E, F2

D-Schicht (60 bis 90 km): nur am Tag. Sie bricht kaum, schluckt aber, weil die Elektronen dort oft mit Luftteilchen zusammenstoßen und die Energie als Wärme abgeben. Tiefe Frequenzen trifft das am härtesten, grob mit eins durch f². Darum ist 80 m mittags über weite Strecken tot und abends offen.

E-Schicht (um 110 km): am Tag eine Grenzfrequenz um 3 bis 4 MHz, nachts fast weg. Flache Strahlen auf 40 m kehren oft schon dort um. Dazu kommen im Sommer dichte Wolken in der E-Schicht, das Sporadic E, die 10 m, 6 m und manchmal 2 m über 1000 bis 2000 km bringen.

F2-Schicht (etwa 250 bis 400 km): die wichtigste für DX. Ihre Grenzfrequenz foF2 misst eine Ionosonde, die senkrecht nach oben funkt und auf das Echo hört. Je nach Tageszeit und Sonnenaktivität liegt sie zwischen 2 und über 12 MHz. Die Höhe hmF2 bestimmt, wie weit ein Sprung reicht.

Was das Modell weglässt

Gerechnet wird mit einer runden Erde und einer Ionosphäre, die überall gleich ist. Jeder Sprung ist darum gleich lang. In Wirklichkeit ändert sich die Ionosphäre entlang des Wegs, besonders an der Grenze zwischen Tag und Nacht. Das Erdmagnetfeld fehlt ebenfalls: In echt teilt es jedes Signal in zwei Wellen mit etwas verschiedenen Grenzfrequenzen. Für ein Gefühl, wie Winkel, Frequenz und Schicht zusammenhängen, reicht das.

Flacher geht weiter

Ein steiler Strahl braucht viele Elektronen, um umzukehren, ein flacher nur wenige. Darum kommt bei derselben Frequenz der flache Strahl zurück, während der steile durchgeht. Der Zusammenhang heißt Sekantengesetz: Die höchste Frequenz, die bei einem Einfallswinkel noch umkehrt, ist foF2 mal dem Sekans dieses Winkels. Wegen der Erdkrümmung trifft auch ein waagerecht abgestrahlter Strahl die F2-Schicht nicht ganz flach, mehr als das Drei- bis Vierfache von foF2 geht über einen Sprung nicht.

MUF

Die MUF (höchste brauchbare Frequenz) gilt immer für eine Strecke. Über 3000 km, etwa einen flachen Sprung über die F2-Schicht, ist sie ungefähr dreimal foF2. Die Ionosonden melden genau diesen Wert als MUF(3000). Im Modell mit 300 km Höhe kommt bei foF2 7,2 MHz eine MUF(3000) von 22 MHz heraus. Für kürzere Strecken sinkt sie bis auf foF2 hinunter, für längere braucht es mehrere Sprünge.

Knapp unter der MUF ist es oft am besten: Die Dämpfung in der D-Schicht ist dort am kleinsten. Die untere Grenze, unter der die Dämpfung alles schluckt, heißt LUF.

Tote Zone

Liegt deine Frequenz über foF2, geht jeder Strahl ab einem bestimmten Winkel durch. Der steilste, der gerade noch umkehrt, landet am nächsten. Davor kommt nichts an, nur die Bodenwelle reicht ein paar Dutzend Kilometer weit: Das ist die tote Zone. Je höher die Frequenz, desto größer wird sie. Mit den Werten der Vorgabe ist sie auf 20 m rund 1400 km groß, auf 30 m kleiner, und auf 40 m gibt es keine, weil 7 MHz unter foF2 liegt.

Interessant ist, dass dabei der steilste Strahl nicht unbedingt am kürzesten springt: Knapp unter dem Grenzwinkel läuft der Strahl lange in der Schicht entlang und landet wieder weiter weg. Im Fächer sieht man das gut.

Mehrere Sprünge

Der Boden spiegelt den Strahl wieder nach oben, und es geht noch einmal. Jeder Sprung kostet: zweimal durch die D-Schicht und etwas am Boden (Meer spiegelt besser als trockenes Land). Darum sind wenige lange Sprünge besser als viele kurze, und flache Abstrahlwinkel sind für DX so wichtig.

Am Tag

Die Sonne steht hoch, foF2 steigt, die hohen Bänder gehen auf. Gleichzeitig ist die D-Schicht da und schluckt die tiefen: Auf 80 m kommt mittags nur steil Abgestrahltes über kurze Strecken an, auf 40 m kostet ein flacher Sprung im Modell um 40 dB. Auf 20 m sind es bei derselben Sonne nur um 13 dB.

In der Nacht

Ohne Sonne verschwindet die D-Schicht in Minuten, die E-Schicht fast ganz. Die F2-Schicht bleibt, aber foF2 fällt langsam ab, im Winter oft auf 2 bis 4 MHz, und die Schicht steigt höher. Jetzt sind 160, 80 und 40 m dran: kaum Dämpfung, große Reichweite. Die hohen Bänder gehen zu, weil auch der flachste Strahl durchgeht.

Nur die D-Schicht weg?

Der Haken „D-Schicht dämpft“ nimmt nur die Dämpfung weg, nicht die Nacht. Die D-Schicht in 60 bis 90 km bricht die Strahlen kaum, sie schluckt sie nur: im Bild werden gedämpfte Strahlen blasser, der Weg bleibt derselbe. Steht die Sonne noch hoch, ist auch die E-Schicht da. An ihr kehren 80 und 40 m schon in rund 100 km um und machen kurze Sprünge, statt bis zur F2-Schicht hochzugehen. Die langen Nachtsprünge gibt es erst, wenn die Sonne tief unter dem Horizont steht (unter −12°): dann sind D und E weg. Stell dafür die Sonnenhöhe herunter oder nimm „Nacht“.

Dazwischen

Morgens und abends ändert sich die Ionosphäre am schnellsten. Entlang der Grenze zwischen Tag und Nacht (der Grauzone) ist die D-Schicht schon weg, die F2-Schicht aber noch dicht: Auf 160 bis 40 m gehen dann oft Wege, die sonst nicht gehen. Das Modell hier rechnet mit einer Ionosphäre für den ganzen Weg und zeigt die Grauzone deshalb nicht.

Sonnenflecken

Mit vielen Flecken auf der Sonne steigt foF2 deutlich, im Maximum des elfjährigen Zyklus geht 10 m tagsüber weltweit. Die D-Schicht wird dann aber auch etwas stärker. Im Feld Sonnenflecken stellst du ein, wie stark sie dämpft. Wie es gerade steht, zeigt das Funkwetter mit gemessenen Werten der Ionosonden.

Wohin die Antenne strahlt

Welche Strahlen aus dem Fächer wirklich Leistung tragen, bestimmt die Antenne. Ein waagerechter Dipol strahlt nach oben und nach unten, und was nach unten geht, spiegelt der Boden. Direkter und gespiegelter Strahl überlagern sich, je nach Winkel verstärken sie sich oder löschen sich aus. Das Erhebungsdiagramm zeigt, was dabei herauskommt.

Höhe in Wellenlängen

Über idealem Boden hat ein Dipol in λ/2 Höhe sein Maximum bei 30°, in λ Höhe hat er zwei gleich starke Keulen bei 14,5° und 49°, und in λ/4 Höhe strahlt er fast senkrecht nach oben. Ein 40-m-Dipol in 10 m Höhe hängt nur bei etwa λ/4: gut für Verbindungen innerhalb von DL (NVIS), schlecht für DX. Dieselbe Antenne auf 20 m liegt bei λ/2 und hat ihr Maximum um 30°.

Boden

Echter Boden spiegelt schlechter als Metall, besonders flache Winkel. Unter einem waagerechten Dipol geht dadurch etwas verloren, das Maximum bleibt ungefähr, wo es ist. Bei einer Vertikalantenne entscheidet der Boden alles: Auf Salzwasser liegt ihr Maximum unter 10°, über trockenem Sand erst bei gut 25°.

Hier ist das Diagramm vereinfacht gerechnet: Antenne und Spiegelbild, Reflexion nach Fresnel, ohne Einfluss des Bodens auf die Speisung. Genauer mit Gewinn, Fußpunkt und Rundumdiagramm geht es im Antennensimulator.