Funktechnik zur Übertragung von Nachrichten auf vielen Frequenzen. Technische Nachrichtenübertragung kann leitungsgebunden oder über Funk erfolgen, unsichtbare Funkwellen verbinden Sender und Empfänger. Informationen werden in großem Umfang weltweit zwischen verschiedenen Sendern und Empfängern unter Nutzung spezifischer Elektrogeräte und elektrotechnischer Anlagen hin- und hergeschickt. Zur Übertragung der Nachrichten dienen Kabelleitungen, Freileitungen und Funkverbindungen. In den Kabelleitungen werden Glasfasern oder Kupferleiter genutzt, für die Freileitungen Bronzedrähte oder auch oberirdisch an Masten befestigte Kabel mit Kupferdrähten oder Glasfasern. Funkverbindungen sind unsichtbar, zwischen den Sende- und Empfangsanlagen erfolgt die Nachrichtenübertragung mit Hilfe elektromagnetischer Wellen.
Elektromagnetische Wellen benötigen zur Ausbreitung kein Medium, sie bewegen sich im leeren Raum mit Lichtgeschwindigkeit. Auch in der Luft entspricht die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen praktisch der Lichtgeschwindigkeit, also annähernd 300000 Kilometer pro Sekunde.
Funkwellen sind regelmäßige Schwingungen elektrischer und magnetischer Felder
Elektromagnetische Wellen bestehen aus einem elektrischen Feld und einem dazu rechtwinklig wirkenden magnetischen Feld. Die Felder können mit den menschlichen Sinnesorganen nicht wahrgenommen werden. Absichtlich erzeugt werden elektromagnetische Wellen in Sendeanlagen und über zugehörige Sendeantennen abgestrahlt. Es werden dabei Gesetzmäßigkeiten genutzt, nach denen elektrische Ströme ein Magnetfeld um ihren Leiter aufbauen und zwischen unterschiedlichen elektrischen Ladungen ein elektrisches Feld entsteht. Wechseln die Stärke und die Richtung des Stromes, ändert sich das Magnetfeld in gleicher Weise. Das sich ändernde Magnetfeld ruft in einem Leiter eine wechselnde Spannung hervor, die zu einem sich entsprechend ändernden elektrischen Feld führt. Bei diesen Änderungen entsteht ein wellenförmiges Schwingen der zugeführten Energie, diese Energie kann über eine Antenne abgestrahlt werden.
Zur Erzeugung von Funkwellen ist also ein Schwingungserzeuger notwendig. Die zunächst noch leitungsgebundene Welle in der Sendeanlage wird ab einer bestimmten Schwingungsfrequenz durch die Sendeantenne in eine Freiraumwelle umgewandelt. Dadurch nimmt die elektromagnetische Welle die Form einer zeitlichen und räumlichen Änderung des elektrischen und des magnetischen Feldes im Raum an. Die Änderungen des elektrischen und des magnetischen Feldes im Freiraum erfolgen periodisch und zeitlich synchron. Für die gesamte Wirkung der elektromagnetischen Welle kommt es vorwiegend auf die Stärke des elektrischen Feldes an, jedoch ist das Magnetfeld unverzichtbar. Mit einer Empfangsantenne wird die Freiraumwelle wieder in eine leitungsgebundene Welle umgewandelt, die im Empfänger weiter verarbeitet werden kann.
Hertz als Pionier der Funktechnik
Bereits 1873 formulierte der englische Wissenschaftler Maxwell in mathematischer Form in den nach ihm benannten Maxwellschen Gleichungen den physikalischen Zusammenhang zwischen elektrischen und magnetischen Feldern. Der deutsche Wissenschaftler Hertz hat die praktische Anwendung dieses Zusammenhangs erstmals 1887 in seinem „Funkenexperiment“ nachgewiesen. Als Sender diente dabei eine Induktionsspule, die elektrisch leitend mit 2 sich in kleinem Abstand gegenüber stehenden längs gestreckten leitfähigen Drähten verbunden war. Die beiden zusammen 3 Meter langen Drähte waren an ihren äußeren Enden jeweils mit einer Metall-Kugel abgeschlossen. Wurde in der Induktionsspule eine elektrische Spannung aufgebaut, führte dies zu Entladungen an den inneren Drahtenden, so dass der kleine Zwischenraum zwischen den beiden Drähten durch sichtbare Funken überbrückt wurde. Einige Meter von diesem Sender entfernt wurde ein Drahtring mit einem ebenfalls kleinen offenen Spalt als Empfänger aufgebaut. Wenn der Sender „funkte“, traten im Empfänger zur Überbrückung des dortigen kleinen Drahtspaltes gleichzeitig ebenfalls Funken auf. Hertz bezeichnete seine Sendeanlage als „Oszillator“, seinen Empfänger als „Resonator“. Diese Grundform der Sendeantenne wurde später als „Hertzscher Dipol“ bezeichnet, wegen der beobachtbaren Funken wurde das Übertragungsverfahren als „Funk“ bezeichnet. Die Bezeichnung wurde beibehalten, obwohl in modernen Sendern keine Funken mehr erzeugt werden wie in dem historischen Experiment von Hertz. Zu Ehren von Hertz wurde 1935 auf Vorschlag Deutschlands international die Einheit „Hertz“ mit der Abkürzung „Hz“ für die Frequenz eines periodischen Vorgangs eingeführt: 1 Hz bedeutet 1 Schwingung pro Sekunde.
Während bei den Experimenten von Hertz der Nachweis der elektromagnetischen Wellen im Vordergrund stand, prüften andere Forscher in jener Zeit die Anwendbarkeit der neuen Erkenntnisse. Insbesondere der Italiener Marconi kombinierte die vorliegenden Erkenntnisse verschiedener Forscher und entwickelte mit seiner 1897 gegründeten Marconi Wireless Telegraph Company erste kommerzielle Anwendungen für die Funkübertragung telegrafischer Signale über größere Entfernungen und im Verkehr mit Schiffen.
Nachrichten werden mit Trägerfrequenzen transportiert
Für die Nachrichtenübertragung über eine Funkverbindung wird die Nachricht in geeigneter Weise mit einer sie als Trägerfrequenz tragenden Funkfrequenz verknüpft. Unterschiedliche Trägerfrequenzen werden durch unterschiedlich dimensionierte Schwingkreise erzeugt. Dadurch können verschiedene Funknachrichten an die jeweils vorgesehenen Empfänger übermittelt werden. Diese auf der Sendeseite erforderliche Verknüpfung wird als Modulation bezeichnet, die empfängerseitige Trennung zwischen Nachricht und Trägerfrequenz wird Demodulation genannt.
Für die Aussendung elektromagnetischer Wellen werden Frequenzen zwischen 3 kHz und 3000 GHz als Trägerfrequenz genutzt, ab einer Frequenz von 16 kHz erfolgt eine Abstrahlung als elektromagnetische Welle in den freien Raum. Da die Ausbreitung der Funkwellen im leeren Raum und in der Luft mit Lichtgeschwindigkeit erfolgt, ergeben sich für das Frequenzspektrum Wellenlängen zwischen 100 km und 0,1 mm.
Verwaltung der Frequenzbereiche
Das gesamte nutzbare Spektrum ist nach internationaler Übereinkunft in 9 Frequenzbereiche aufgeteilt. Die Zuweisung eines bestimmten Frequenzbandes für die Nutzung durch einen oder mehrere Funkdienste oder durch andere Anwendungen elektromagnetischer Wellen erfolgt in Deutschland nach dem Telekommunikationsgesetz durch eine Rechtsverordnung des Bundes; Frequenzzuteilungen an die Nutzer erfolgen durch die Bundesnetzagentur für Elektrizität, Gas, Telekommunikation, Post und Eisenbahnen.