Schwund und Antennenwahl für Region und DX

Warum ein Signal schwankt

Eine DX-Station kommt mit S7 an, wenige Sekunden später ist sie kaum zu hören, dann ist sie wieder da. Das ist Schwund, im Funkbetrieb auch QSB. Die Schwankung kann flach sein, 10 bis 20 dB, das Signal kann aber auch ganz verschwinden^[2]. Die Ursachen gehen alle auf den sich ständig ändernden Zustand der Ionosphäre zurück^[2], nicht auf eine Änderung an den Antennen der beiden Stationen.

Mehrere Wege mit wechselnder Phase

Ein Kurzwellensignal läuft meist nicht auf einem einzigen Weg, sondern über einen und über zwei Sprünge an der F-Schicht, über die tiefer liegende E-Schicht oder über eine Mischung aus beiden^[1]. Auch eine Richtantenne beleuchtet einen großen Bereich der unregelmäßigen Ionosphäre, das Signal erreicht den Empfänger auf mehreren Wegen verschiedener Länge^[2]. Das ist Mehrwegeausbreitung, die einzelnen Anteile heißen Teilwellen.

Am Empfänger addieren sich die Teilwellen. Gleichphasig verstärken sie sich, gegenphasig schwächen sie sich. Die Höhe der Schichten steigt und sinkt, und ihre Unruhe verbreitert jede Teilwelle ein wenig in der Frequenz^[1]. So geraten die Teilwellen abwechselnd in Phase und außer Phase, und der Pegel schwankt stark^[2].

Ändert sich der Wegunterschied um eine halbe Wellenlänge, kehrt sich die Phasenlage um, aus Verstärkung wird Schwächung. Auf 20 m genügen dafür rund 10 m auf einem Weg von tausenden Kilometern.

Für den Test von Kurzwellenmodems setzt die ITU in mittleren Breiten Laufzeitunterschiede zwischen den Teilwellen von 0,5 bis 2 ms an und eine Frequenzverbreiterung (Doppler) von 0,1 bis 1 Hz^[1]. Sie beschreibt, wie schnell sich der Übertragungsweg ändert, einen festen Takt der Einbrüche legt sie nicht fest. Ihr Kehrwert gibt nur die Größenordnung: Der Pegel ändert sich innerhalb von einer bis zehn Sekunden deutlich, unregelmäßig (12db-Abschätzung).

Schon zwei Teilwellen erzeugen tiefe Einbrüche. Hat die zweite wie in der Grafik 70 % der Feldstärke der ersten, liegt die Summe gleichphasig 4,6 dB über der stärkeren Teilwelle allein, gegenphasig 10,5 dB darunter (12db-Rechnung). Je ähnlicher beide sind, desto tiefer die Einbrüche, bei gleich starken bis zur Auslöschung. Echter Schwund ist unregelmäßiger, weil mehr Teilwellen mit wechselnden Anteilen mitwirken.

Derselbe Laufzeitunterschied wirkt nicht auf jede Frequenz gleich. Bei 1 ms wächst der Phasenunterschied zweier Teilwellen mit jedem Kilohertz um 360°, bei 0,5 bis 2 ms wiederholt sich das alle 2 bis 0,5 kHz (12db-Rechnung), also innerhalb eines SSB-Signals. Einzelne Tonlagen werden schwächer und andere zugleich stärker^[2]. Das ist selektiver Schwund.

Die Polarisation ändert sich

Unter dem Einfluss des Erdmagnetfelds^[7] teilt sich die Welle in der Ionosphäre in die ordentliche und die außerordentliche Welle, die auf etwas verschiedenen Wegen laufen^[3]. Beide sind gegensinnig polarisiert, meist elliptisch, der allgemeine Fall, von dem lineare und zirkulare Polarisation (Lektion 2) Sonderfälle sind. Längs der Feldlinien sind sie nahezu zirkular, und weil sie verschieden schnell laufen, dreht sich ihre gemeinsame Schwingrichtung. Das ist die Faraday-Drehung aus Lektion 2^[7].

Von der laufend wechselnden Polarisation nimmt die Antenne mal mehr, mal weniger auf. Auch dieser Polarisationsschwund ist eine Überlagerung zweier Teilwellen mit wechselnder Phase.

Was langsamer schwankt und was nicht mitspielt

Nicht jede Änderung kommt aus der Überlagerung. Ziehen Wolken höherer Elektronendichte in der D-Schicht (Lektion 1) durch den Weg, wird ein Signal um 5 bis 10 dB schwächer, typisch über eine halbe bis eine Stunde^[2]. Nahe der höchsten nutzbaren Frequenz kann ein Signal schwinden, weil es zeitweise durch die Schicht hindurchgeht^[2]. Einbrüche im Abstand von Sekunden passen dagegen zur Überlagerung von Teilwellen.

Wetter und Bodenwelle tragen bei DX auf Kurzwelle nicht. Die Troposphäre, in der sich Wolken und Regen abspielen, wirkt oberhalb von etwa 30 MHz zunehmend auf Funkwellen^[5].

Was die Antenne dagegen tun kann

Eine einzelne Antenne verhindert den Schwund nicht, er entsteht unterwegs. Mehr Gewinn in Richtung der Gegenstation hebt alle Teilwellen ähnlich an, die Einbrüche bleiben meist.

Hilfreich ist ein zweiter Empfangsweg, der anders schwindet. Antennen, die einige Wellenlängen auseinander stehen, schwinden unabhängig voneinander. Diversitätsempfang mischt die Ausgänge getrennter Empfänger an solchen Antennen zu einem ziemlich gleichmäßigen Pegel^[4]. Bei NVIS lieferten in einer Fachveröffentlichung zwei Empfangsantennen, passend zur ordentlichen und zur außerordentlichen Welle polarisiert, um mindestens 13 dB getrennte Signale^[3].

Beim Senden hilft das nicht. Ob bei der Gegenstation ein Einbruch ankommt, hörst du an deinem Empfänger nicht sicher (12db-Folgerung), denn ankommende und abgehende Wellen können unter verschiedenen Winkeln laufen^[6]. Wichtiges wiederholst du deshalb.

Steil für die Region, flach für DX

Stationen in 100 bis 300 km erreicht die Welle unter rund 60 bis 80° (Lektion 4), DX über tausende Kilometer unter flachen Winkeln (Lektion 1). Welche Winkel ein waagerechter Dipol bevorzugt, entscheidet seine Höhe in Wellenlängen (Modul 1, Lektion 5). In einer 12db-Rechnung mit NEC für 7,1 MHz über mittlerem Boden, Gewinn bezogen auf die aufgenommene Leistung, ist quer zum Draht ein Dipol in $\lambda/8$ Höhe unter 70° rund 11 dB stärker als einer in $\lambda/2$, unter 10° liegt der in $\lambda/2$ rund 10 dB vorn. Wer die Höhe für flache Winkel wählt, nimmt der Region Strahlung weg, und umgekehrt. Gelegentlich bringt aber auch eine Antenne für kurze Strecken DX^[6].

Zwei Aufgaben, zwei Antennen

Auch eine Viertelwellen-Groundplane, vier Radials, Fußpunkt 2 m hoch, löst den Konflikt nicht. Nach oben hat sie eine Nullstelle (Lektion 4). Unter 10° liegt sie in derselben Rechnung quer zum Draht rund 5 dB vor dem Dipol in $\lambda/8$ und rund 5 dB hinter dem in $\lambda/2$, längs zum Draht rund 10 dB vor beiden.

Unterhalb des Pseudo-Brewster-Winkels schwächt die gespiegelte Welle die direkte Welle der Groundplane (Modul 3, Lektion 4). Den Dipol in $\lambda/2$ schwächt sie bei 10° kaum. Über Seewasser liegt der Pseudo-Brewster-Winkel unter einem Grad, dort liegt die Groundplane quer zum Draht bei 10° rund 2 dB vorn.

Eine Yagi bündelt in eine Himmelsrichtung (Lektion 3), ihre unterste Keule liegt in derselben Höhe ähnlich flach wie die des Dipols^[6]. Für die Region und DX auf demselben Band brauchst du deshalb zwei Antennen und einen Umschalter, oder du wählst die Höhe nach der Verbindung, die wichtiger ist.