US Marine Corps Antennen-Handbuch (1999) [pdf]
(marines.mil)- Ein Feldhandbuch, das das notwendige Wissen zusammenfasst, damit Bediener von Single-Channel Radio (SCR) die Antenne auswählen und betreiben können, um der Empfangsstation das möglichst stärkste Signal zu liefern; ein grundlegendes Kommunikationselement zur Unterstützung von Führung und Kontrolle der MAGTF
- Deckt den gesamten Bereich der Funkkommunikation ab – von den Prinzipien elektromagnetischer Strahlung und Wellenausbreitung (propagation) über die Eigenschaften der HF-/VHF-/UHF-Bänder, Übertragungsleitungen, Antennentypen, Feldreparaturen, SATCOM bis hin zu Antennenfarmen
- Die zwei wichtigsten Faktoren beim Aufbau einer Funkverbindung sind die richtige Antennenauswahl und die Anpassung des Ausbreitungswegs; ein falscher Ausbreitungsweg ist das schwächste Glied der Verbindung
- Nicht die Signalstärke allein, sondern das S/N-Verhältnis (Signal-Rausch-Verhältnis) bestimmt die Empfangsqualität, und die Antenne ist die Variable, die der Bediener am direktesten kontrollieren kann
- Mit einer geeigneten Antenne lässt sich eine grenzwertige Verbindung in eine zuverlässige Verbindung verwandeln; gedacht nicht nur für CIS-Offiziere und Funker, sondern für alle, die die Grundlagen von Antennen erlernen wollen
Kapitel 1. Funkprinzipien (Radio Principles)
- Elektromagnetische Strahlung umfasst Funkwellen, Mikrowellen, Infrarot, sichtbares Licht, Ultraviolett, Röntgenstrahlen und Gammastrahlen; alle bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit (ca. 186.000 Meilen/300 Mio. m pro Sekunde), der Unterschied liegt ausschließlich in der Wellenlänge — je kürzer die Wellenlänge, desto höher die Energie
- Die Einsatzgebiete unterscheiden sich je nach Band: HF eignet sich für große Entfernungen, VHF und UHF für Kurzstrecken-LOS-Kommunikation (Sichtverbindung)
- HF-Signale werden an der Ionosphäre (ionosphere), der äußersten Schicht der Atmosphäre, reflektiert und erreichen dadurch große Distanzen
- VHF ist HF stets vorzuziehen, wenn LOS möglich ist; UHF bildet mit geeigneten Antennen einen noch engeren Pfad als VHF
- Reichweite und erforderliche Leistung unter normalen Bedingungen: HF (Bodenwelle 0–50 Meilen, Himmelswelle 100–8000 Meilen, .5–5kW), VHF (Bodenwelle 0–30 Meilen, Himmelswelle 50–150 Meilen, unter .5kW), UHF (Bodenwelle 0–50 Meilen, unter .5kW)
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MAGTF-SCR-Ausrüstung
- HF: AN/PRC-104, AN/GRC-193, AN/MRC-138 (2–29.999 MHz, große Reichweite)
- VHF: AN/PRC-119, AN/VRC-88~92-Serie (30–88 MHz), AN/PRC-113·AN/VRC-83 (116–150 MHz und 225–400 MHz, kritische Boden-Luft-LOS)
- UHF: AN/PSC-3, AN/PSC-5 (SATCOM)
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Aufbau einer Funkverbindung
- Ein Funklink besteht aus sieben Elementen: Sender, Stromversorgung, Übertragungsleitung, Sendeantenne, Ausbreitungsweg, Empfangsantenne und Empfänger
- Ziel des Bedieners ist das stärkstmögliche Signal an der Empfangsstation, also ein maximales S/N-Verhältnis an der Empfangsantenne
- Selbst die besten Sender/Empfänger und Antennen sind nutzlos, wenn Frequenz oder Ausbreitungsweg falsch gewählt sind — entscheidend sind Antennenauswahl und Anpassung des Ausbreitungswegs
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Prinzipien der Wellenausbreitung
- Die Atmosphäre wird in Troposphäre (ca. 10 km, etwa -2,5 °C pro 300 m Höhe), Stratosphäre (10–50 km, konstant etwa -65 °C) und Ionosphäre (50–500 km und mehr, ionisiert) unterteilt
- Ausbreitungsarten sind die Bodenwelle (ground wave), die direkt vom Sender kommt, und die Himmelswelle (sky wave), die in der Ionosphäre gebrochen und zurückgelenkt wird
- Die Bodenwelle besteht aus Direktwelle, bodenreflektierter Welle und Oberflächenwelle; Letztere wird von der Leitfähigkeit und Dielektrizitätskonstante des Bodens beeinflusst
- Bodenleitfähigkeit: große Süßwasserflächen (sehr gut), Meerwasser (gut), Lehm (mittel), Fels und Wüste (schlecht), Dschungel (sehr schlecht)
- Die Ionosphäre besteht aus den Schichten D, E, F1, F2; tagsüber sind vier Schichten vorhanden, nachts verschmelzen F1 und F2 zu einer einzigen F-Schicht und D- und E-Schicht verschwinden
- Die D-Schicht existiert nur tagsüber und dämpft HF in sonnenbeschienenen Gebieten; die E-Schicht eignet sich tagsüber für Mittelstrecken bis 2.400 km, die F2-Schicht ist am nützlichsten für Fernverbindungen (über 2.400 km)
- Veränderungen der Ionosphäre werden in regelmäßige (Tages-, Jahreszeiten-, 27-Tage- und 11-Jahres-Sonnenfleckenzyklen) und unregelmäßige Veränderungen (anomale Sonnenaktivität wie Sporadic E) unterteilt
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Beugung, troposphärische Effekte und Rauschen
- Durch Beugung (diffraction) können Funkwellen teilweise über den Funkhorizont hinaus gelangen, doch schon eine Ablenkung von 5 Fuß über einen Bergrücken kann 30–40dB Dämpfung verursachen
- Troposphärische Brechung, ducting und Streuung ermöglichen bei VHF/UHF Kommunikation über mehrere hundert Kilometer; Streuwellen sind meist auf unter 500 km begrenzt (Sender über 1kW und Antennen mit über 10dB erforderlich)
- Rauschen wird in natürliches Rauschen (Gewitter = atmosphärisches Rauschen, dominant bei 0–5MHz; Sterne = galaktisches Rauschen, dominant bei hohen Frequenzen) und künstliches Rauschen (elektrische Lichtbogenquellen) unterteilt — das S/N-Verhältnis ist die wichtigste Größe im Empfangssystem
- Künstliches Rauschen ist in Quellennähe tendenziell vertikal polarisiert, daher nimmt eine horizontal polarisierte Empfangsantenne weniger Rauschen auf
- Im HF-Band sind Überbelegung, Interferenzen und Rauschen häufiger Ursache schlechter Kommunikation als die reine Signalstärke; schmalbandige Antennen sind vorteilhaft, um starke Störsignale zu unterdrücken
Kapitel 2. Antennengrundlagen (Antenna Fundamentals)
- Eine Antenne wandelt die RF-Ausgangsleistung des Senders in elektromagnetische Wellen um und strahlt sie ab; auf der Empfangsseite wandelt sie das elektromagnetische Feld wieder in RF-Energie um und führt sie dem Empfänger zu
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Grundkonzepte und Begriffe
- Wenn die Leiterlänge nahe bei einer halben Wellenlänge liegt, wird der Großteil der Energie als elektromagnetische Strahlung abgegeben
- Bei Einspeisung von RF-Leistung entstehen ein an gespeicherte Energie gekoppeltes Induktionsfeld und ein Strahlungsfeld; jenseits einer gewissen Entfernung bleibt nur das Strahlungsfeld, dessen elektrische und magnetische Komponenten rechtwinklig zueinander stehen
- Das Strahlungsmuster wird vom Antennentyp bestimmt — vertikale Antennen sind omnidirektional, horizontale Antennen bidirektional, unidirektionale Antennen strahlen in eine Richtung (dreidimensionales Donut-Muster)
- Die Polarisation wird durch die Richtung der elektrischen Feldlinien bestimmt und in vertikale Polarisation (senkrecht zur Erdoberfläche), horizontale Polarisation (parallel zur Erdoberfläche) und elliptische Polarisation unterteilt
- Satelliten und Satellitenterminals verwenden zirkulare Polarisation — vertikale und horizontale Wellen gleicher Größe werden mit 90° Phasenverschiebung kombiniert und rotieren um 360°
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Polarisationsanforderungen nach Frequenz
- Für die Bodenwellenausbreitung bei niedrigen und mittleren Frequenzen ist vertikale Polarisation zwingend erforderlich (horizontale elektrische Feldlinien werden am Boden kurzgeschlossen)
- HF-Himmelswellen treffen nach Reflexion an der Ionosphäre elliptisch polarisiert ein; sowohl vertikal als auch horizontal ist möglich, bevorzugt werden jedoch horizontale Antennen mit hohem Abstrahlwinkel und Richtwirkung
- Bei VHF und UHF bleibt die ursprüngliche Polarisation der Direktwelle erhalten, daher müssen Sende- und Empfangsantenne in der Polarisation unbedingt übereinstimmen
- Vertikale Polarisation ermöglicht mit einfachen Halb- oder Viertelwellenantennen omnidirektionale Kommunikation und ist damit für mobile Fahrzeuge günstig, hat aber den Nachteil gleicher Abstrahlung in Richtung eigener und gegnerischer Kräfte
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Erdung, Länge, Richtwirkung
- Der Erdungseffekt hängt von der Art der Erdung ab, etwa counterpoise (leitendes Gegengewicht als Erdungsersatz) oder ground screen
- Die Berechnung der Antennenlänge und die richtungsbezogene Ausrichtung auf Basis des Azimuts helfen, grenzwertige Verbindungen zu verbessern und starken Sende-/Empfangsbetrieb einzustellen
Kapitel 3. Übertragungsleitungen (Transmission Lines)
- Die charakteristische Impedanz einer Übertragungsleitung wird als Verhältnis von Spannung zu Strom an einem bestimmten Punkt der Leitung definiert
- Impedanzanpassung bestimmt den Energieverlust — maximale Energieübertragung (minimaler Systemverlust) wird erreicht, wenn Sender, Übertragungsleitung und Antenne die gleiche Impedanz haben
- Weicht die Lastimpedanz von der Leitungsimpedanz ab, wird nur ein Teil übertragen und es entstehen stehende Wellen; bei exakter Übereinstimmung fließt nur die einfallende Welle und die Verluste sind minimal
- Die meisten USMC-Funkgeräte haben intern 50 Ohm Impedanz; bei Kombinationen wie 300-Ohm-Twin-Lead, 50-Ohm-Halbwellen-Dipol und 50-Ohm-Sender/Empfänger ist zur Anpassung die Nutzung stehender Wellen und wiederkehrender Impedanzänderungen erforderlich
- Dämpfung (attenuation) ist der Verlust übertragener Energie und hängt stark vom Isolationsmaterial ab
- Teflon hat sehr geringe Verluste, während Gummi und Holz hohe Verluste aufweisen; besonders bei hohen Frequenzen sind Verluste in Koaxialkabeln ausgeprägt
- Balun, Kabelstecker und der Anschluss symmetrischer Antennen unterstützen die optimale Kopplung von Sender/Empfänger und Antenne
Kapitel 4. Auswahl von HF-Antennen
- HF 3~30MHz ist das einzige Band, das vorhersehbar an der Ionosphäre reflektiert wird, und daher für die Kommunikation sehr wichtig; die optimale Höhe über elektrischer Erde liegt bei etwa 0.4λ
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Verfahren zur Antennenauswahl
- Bodenwellenausbreitung erfordert einen niedrigen take-off angle und vertikal polarisierte Antennen — die zu allen Funkgeräten gehörende Whip-Antenne eignet sich für omnidirektionale Bodenwellenkommunikation
- Schon der reine Austausch der Antenne kann auf derselben Verbindung große Gewinne bringen
- Wird die 32-Fuß-Whip des AN/MRC-138 für eine 200-Meilen-Verbindung verwendet, beträgt die Strahlungsleistung 300 Watt; ersetzt man sie durch einen 35-Fuß-Halbwellen-Horizontaldipol, steigt sie auf 5.000 Watt, also auf mehr als das 16-Fache
- Bei Himmelswellen wird zunächst anhand der Verbindungsdistanz der take-off angle bestimmt — eine 966-km-(600-Meilen-)Verbindung benötigt tagsüber etwa 25°, nachts etwa 40°
- Für mobile Stationen und Mehrfachrichtungen sind omnidirektionale Antennen geeignet, für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen bidirektionale oder gerichtete Antennen
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Antennentypen
- Vertical Whip (2~30MHz): Bestandteil aller Funkgeräte, gut für omnidirektionale Bodenwellen, aber am wenigsten geeignet für Himmelswellenverbindungen
- Die Länge wird mit der Formel 234/Frequenz (MHz) berechnet (für WD-1/TT: 225.50/Frequenz); ein Reflektor (länger als die Whip) im Abstand von einer Viertelwellenlänge kann die Leistung verbessern, bei zu kurzer Länge wirkt er als Director
- Zusätzliche Erdspieße und ground radials (speichenförmig) verbessern die Abstrahlung
- Half-Wave Dipole (doublet): am häufigsten eingesetzte behelfsmäßige Feld-Drahtantenne, leicht zu entwerfen und zu bauen, für kurze und mittlere Himmelswellenverbindungen (bis etwa 1.200 Meilen)
- In einer Höhe von einer halben Wellenlänge über dem Boden bidirektional, in einer Höhe von einer Viertelwellenlänge mit hohem take-off angle und nahezu omnidirektionaler Abdeckung
- Enthält verschiedene Typen wie AS-2259/GR, Inverted Vee, Long Wire, Inverted L, Sloping Vee, Sloping Wire und Vertical Half-Rhombic
- Vertical Whip (2~30MHz): Bestandteil aller Funkgeräte, gut für omnidirektionale Bodenwellen, aber am wenigsten geeignet für Himmelswellenverbindungen
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NVIS-Kommunikation
- NVIS ist das wichtigste Verfahren der HF-Kurzstreckenausbreitung; auch Bodenwellen und Direktwellen (LOS) sind für kurze Distanzen nützlich
- Warnung: NVIS-Drähte führen beim Senden so starke RF-Energie, dass sie schwere Verletzungen verursachen können; der Zugang für Personen muss unbedingt verhindert werden
Kapitel 5. Auswahl von VHF-/UHF-Antennen
- VHF (30~300MHz) und UHF (300~3.000MHz, 3GHz) sind für Kurzstreckenkommunikation unter 50 km sehr nützlich, und durch die kurze Wellenlänge sind die Antennen deutlich kleiner
- Dank der kleinen Baugröße lassen sich mehrere strahlende Elemente zu einem Array kombinieren, um Gewinn in einer bestimmten Richtung zu erzielen
- Unterbänder: 118~136MHz (VHF-Luftfahrt), 225~400MHz (UHF-Luftfahrt), 148~174 und 450~470MHz (Mobilfunk, Polizei, Wetter usw.)
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Polarisation
- FM- und TV-Rundfunk verwenden horizontale Polarisation zur Verringerung von Zündstörungen, Mobilfunk nutzt wegen physischer Einschränkungen und zur Beibehaltung der Omnidirektionalität vertikale Polarisation
- Bei Antennenhöhen von unter etwa 10 m oder wenn omnidirektionales Senden und Empfangen erforderlich ist, sollte nur vertikale Polarisation verwendet werden
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Gewinn und Richtwirkung
- Mit steigender Frequenz werden Empfangssignale schwächer und die Verluste in der Übertragungsleitung steigen — bei 450MHz und 30m Koaxialleitung sind 10~20dB Verlust nicht ungewöhnlich
- Durch Breitbandsignale steigt das Systemrauschen, daher ist zusätzlicher Antennengewinn nötig; Richtwirkung reduziert unnötige Abstrahlung in unerwünschte Richtungen und trägt zur Sicherheit bei
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Antennentypen
- Enthalten sind Vertical Whip, OE-254, fahrzeuginnenliegende Antennen, HF-kompatible Antennen und Dual-Use-Antennen
- Yagi ist auch für HF eine beliebte Antenne; bei VHF/UHF werden mehr Elemente verwendet (bei HF sind mehr als 3–4 selten)
Kapitel 6. Feldreparatur und Behelfslösungen (Field Repair and Expedients)
- Beschädigte Whips können provisorisch repariert werden; auch Drahtantennen, Übertragungsleitungen, Abspannseile (guy) und Masten lassen sich reparieren oder ersetzen
- Enthält Beispiele für provisorische Isolatoren aus Kunststoff, die Reparatur gerissener Abspannseile mit Draht sowie Notfallreparaturen an Abspannungen und Masten mit Löffeln
- Bei Behelfsantennen ist es wichtig, sie in derselben Länge wie das Original zu bauen; bei Verwendung des Frequenzsprungmodus von SINCGARS-Funkgeräten gibt es zusätzliche Überlegungen für behelfsmäßige VHF-Feldantennen
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Behelfsmäßige Richtantennen im Feld
- Enthält Bauanleitungen für endgespeiste Halbwellenantennen (Donut-Muster) und mittengespeiste Doublets aus verfügbaren Materialien
- Vertical Half-Rhombic, Long Wire, Yagi, Vee und Sloping Vee können als behelfsmäßige Richtantennen im Feld verwendet werden
Kapitel 7. Satellitenkommunikationsantennen (Satellite Communications Antennas)
- Das wichtigste LOS-/SATCOM-Funkgerät des Marine Corps, AN/PSC-5, bietet Daten- und Sprachkommunikation und ersetzt alle tragbaren und fahrzeugmontierten UHF-SATCOM-Funkgeräte
- Unterstützt LOS-Kommunikation mit AS-3566 und SATCOM über große Entfernungen mit AS-3567 und AS-3568
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Standortwahl für SATCOM-Antennen
- Bei LOS-Ausrüstung ist der Höhenwinkel der Antenne relativ zum Gelände des Pfads am wichtigsten; natürliche Anhöhen sollten genutzt werden
- Bei Over-the-Horizon-Systemen ist der Horizontwinkel (Maskierungswinkel) entscheidend; je größer dieser Winkel, desto höher die Übertragungsverluste — Standorte mit dem stärksten negativen Winkel sind zu bevorzugen
- Der Horizontwinkel wird mit einem Transit gemessen und ist als Winkel zwischen der Tangente am exakten Antennenstandort und der LOS zum Horizont definiert (der Funk-Horizontwinkel weicht leicht vom visuellen Horizontwinkel ab)
Kapitel 8. Antennenfarmen (Antenna Farms)
- Eine Antennenfarm (radio hill, Antennenpark) ist der Bereich, in dem der Großteil der elektromagnetischen Abstrahlung stattfindet
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Gefechtsstand (CP) und Standortwahl
- Der Kommandeur übt Führung und Kontrolle über den CP aus, und Hauptquartiere werden korrekt in tactical, main und rear unterteilt
- Die Entfernung zwischen Antennenfarm und CP wird durch doktrinäre, taktische und technische Überlegungen bestimmt (einschließlich Kommunikation, EW und taktischer Lage)
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Interne Anordnung und Interferenzen
- Frequenzband, Antennenauswahl und -platzierung sowie die Bewertung von cosite-Interferenzen sind zentral für die interne Anordnung
- Um cosite-Interferenzen zu vermeiden, werden Antennen je nach Frequenz und Sendeleistung getrennt aufgestellt (10%-, 5%- und 2,5%-Trennkriterien); zur Verringerung der Kopplung ist mindestens ein Abstand von einer Wellenlänge der niedrigsten Frequenz erforderlich
- Die mit Vegetation verbundene Polarisation hängt vom Waldtyp ab; in Laubwald ist horizontale Polarisation vorteilhaft
- Strom- und Signalleitungen sollten Kreuzungen vermeiden; wenn sie unvermeidbar sind, sollten sie im rechten Winkel gekreuzt werden
Anhang
- Anhang A: Glossar, Anhang B: Referenzen und verwandte Veröffentlichungen
1 Kommentare
Meinungen auf Hacker News
Erwähnenswert ist auch die US Navy Electricity and Electronics Training Series (NEETS)
Über das Menü oben findet man dort auch weitere interessante Dokumente
https://maritime.org/doc/#neets
Wer über grundlegende Mathematikkenntnisse auf Bachelor-Niveau verfügt, sollte sich Antenna Theory: Analysis and Design von Constantine Balanis ansehen, ein Standardwerk auf dem Gebiet der Antennen
https://www.amazon.com/Antenna-Theory-Analysis-Constantine-B...
Auch das ARRL Antenna Book ist die Zeit wert: https://www.arrl.org/arrl-antenna-book
Was man auch über den US-Militarismus sagen mag: Die einzelnen Teilstreitkräfte erstellen in den meisten Fällen sehr gründliche, klare und praktische Ausbildungsunterlagen
Persönlich habe ich dasselbe bei der FAA erlebt
Als ich bei der Navy mit Funkkommunikation und Nachrichtendienst zu tun hatte, wurde mir schnell klar, dass es viel wichtiger ist, das praktische Wissen aus solchen Handbüchern zu lernen und anzuwenden, als die Maxwell-Gleichungen, Informationstheorie oder Fourier-Reihen perfekt zu beherrschen
Für Leute, die über Übertragungsleitungen diskutieren, halte ich die Telegrafengleichungen für ein nützliches Werkzeug
Früher habe ich gern mit Longwire-Antennen (Abschnitt 4-22) herumgespielt
Je länger sie waren, desto stärker wurde die Richtwirkung, was das Experimentieren spannend machte; das war noch zu Zeiten, als Copperweld billig war
Später lebte ich einige Jahre auf einem Bauernhof, hatte aber weder die Zeit noch die Bäume in der Umgebung, um wirklich lange Drähte auszuprobieren
Man kann die Richtung zwar nicht frei wählen, aber wenn es in der Nähe einen Zaun gibt, schadet es nicht, einen empfindlichen Empfänger anzuschließen und zu sehen, was man hereinbekommt
Der Text ist wirklich gut geschrieben und überraschend zugänglich
Obwohl ich von Kommunikationssystemen überhaupt keine Ahnung habe, konnte ich ihn ziemlich leicht lesen
Deshalb sind die Ränder auch so breit, damit nach dem Binden und Zuschneiden noch genug Platz bleibt, um mit halb aufgegessenen Wachsmalstiften Notizen zu machen
Spaß beiseite: Viele Militärhandbücher haben gemeinsam, dass sie ein Thema so einführen, dass die Nutzer zumindest eine ziemlich solide Grundlage zum „Was“, „Warum“ und „Wie“ bekommen
Idealerweise würde das in der Ausbildung behandelt, aber die Autoren der Handbücher scheinen nicht davon auszugehen, dass die Leser zwingend ausgebildet wurden
Dadurch werden sie oft zu äußerst nützlichen Ressourcen, egal welches Thema sie behandeln
Ehrlich gesagt fallen mir für uns Software Engineers deutlich schlechtere Vorbilder für technische Dokumentation ein
Kurz bevor Frank Wilczek in Princeton zu lehren begann, rief ihn sein Freund und Mentor Sam Treiman in sein Büro, um ihm einen Rat zu geben
Sam zog ein altes Taschenbuch-Handbuch hervor und sagte: „Im Zweiten Weltkrieg musste die Navy Rekruten schnell darin ausbilden, Funkkommunikation einzurichten und zu betreiben. Viele von ihnen kamen direkt von Farmen, daher war es eine große Herausforderung, sie auf das nötige Niveau zu bringen. Dank dieses hervorragenden Buches gelang es der Navy. Es ist ein Meisterwerk der Didaktik, besonders das erste Kapitel. Sieh es dir an.“
Der Titel des ersten Kapitels lautete Ohm's Three Laws, und das vertraute Ohmsche Gesetz V = IR war als erstes Gesetz aufgeführt
Aus Neugier sah er sich die beiden anderen Gesetze an: Das zweite war I = V/R, und das dritte war, wie zu erwarten, R = V/I
Sie werden oft innerhalb eines größeren Systems zusammengefasst, weshalb manche Leute beides behandeln, aber abgesehen von Grundlagen wie Analysis macht Kompetenz in dem einen Bereich das Verständnis des anderen nicht wirklich leichter
Ich habe zwei Beobachtungen, eine kleine und eine ernstere
Die kleine ist, dass Menschen selbst in Funk-/Elektromagnetik-Nachschlagewerken aus irgendeinem Grund offenbar nicht anders können, als bei Graphen von Sinusfunktionen Halbkreise statt der korrekten Funktionsform zu zeichnen. Siehe Figure 1-2
Die ernstere ist der Eindruck, dass die meisten nützlichen militärischen Lehrtexte aus der Zeit vor den 1990er-Jahren stammen, als das Militär auch als Forschungs-, Entwicklungs-, Ausbildungs- und Vertragsorganisation kompetent war
Heute sind die meisten dieser Fähigkeiten an Rüstungsunternehmen ausgelagert, und die Leute, die solche Texte schreiben oder innerhalb des Militärs Flugzeuge richtig entwerfen konnten, sind meiner Ansicht nach längst gegangen
Flugzeuge, Fahrzeuge, Schiffe und alle möglichen Ausrüstungen wurden schon immer in der zivilen Industrie entwickelt, natürlich oft in sehr enger Zusammenarbeit mit dem Militär
Die Fertigungskapazitäten im direkten Besitz der US-Regierung waren immer extrem spezialisiert. Man denke an Los Alamos oder Oak Ridge im Gegensatz zu Boeing
Das erinnert mich an einen Artikel, den ich vor einiger Zeit über Militärflugzeuge gesehen habe, die eine 5 Meilen lange Antenne verwenden, um mit U-Booten zu kommunizieren
https://www.thedrive.com/the-war-zone/31477/heres-why-an-e-6...
Bei solchen Anleitungen finde ich es immer ein wenig schade, dass sie als Beispiel stets eine Drahtschleife nehmen, die ein elektromagnetisches Feld erzeugt.
Mit Alltagserfahrungen zu Gleichstrom und Leitern kann man sich das bis zu einem gewissen Grad vorstellen, aber bei einer normalen Monopolantenne bricht diese Erklärung zusammen. Ein Ende hängt in der Luft – wie soll der Leiter da leiten? Muss wohl Wechselstrommagie sein.
Ebenso fehlen Details dazu, was genau passiert, wenn ein elektromagnetisches Feld entsteht.
Es scheint aus Photonen zu bestehen, aber ich frage mich, wo diese Photonen genau herkommen und wie sie in manchen Fällen mit nur wenigen Milliwatt Leistung erzeugt werden können.
Das elektromagnetische Feld existiert immer und durchdringt das gesamte Universum.
Beschleunigende Elektronen stören das elektromagnetische Feld, bringen Energie und Impuls hinein, und diese Störung breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit durch das Feld aus.
Bei ausreichend hohen Energieniveaus ist diese Störung räumlich gut lokalisiert und verhält sich wie ein Teilchen; das nennt man dann Photon.
Auch bei niedriger Energie kann man es Photon nennen, aber das kann etwas irreführend sein. Bei den hier gemeinten sehr niedrigen Energien im Bereich von Funkwellen ist es räumlich weit ausgedehnt, die Wellenlänge liegt im Meterbereich, und es verhält sich eher wie eine Welle als wie ein Teilchen.
Bei Wechselstrom bewegen sich Elektronen über kurze Strecken vor und zurück; vereinfacht, aber als nützliches Bild, hat das denselben Effekt.
Es ist ähnlich wie wenn man im Wasser die Hand auf und ab bewegt und damit Wellen erzeugt.
Stell dir ein langes Rohr vor, bei dem ein Ende offen und das andere geschlossen ist. Wenn du das Ende mit dem Mund abdichtest und hineinbläst, steigt der Druck schnell an.
Wenn du aber einen Lautsprecher dicht daran befestigst und die Frequenz durchfährst, siehst du, dass sich die Lautstärke ändert, je näher du der Resonanzfrequenz des Rohrs kommst.
Die Elektronen einer Monopolantenne stehen in einer elastischen Beziehung zueinander, und diese Wirkung breitet sich nicht mit Schall-, sondern mit Lichtgeschwindigkeit aus.
Außerdem können sie sich im Leiter ziemlich frei bewegen, ähnlich wie Gasmoleküle in einem Rohr.
Wenn man in eine 2 Meter lange Antenne mit einem Gerät, das dem Lautsprecher entspricht, einen 150-MHz-„Ton“ einspeist, gerät die Röhre aus Elektronen in Resonanz.
So wie Resonanzhohlräume gleicher Frequenz über die Luft gekoppelt werden können, werden Antennen über das elektromagnetische Feld so gekoppelt, dass sie bei derselben Frequenz resonieren.
Dadurch bekommt die Energie am Ende der „Röhre“ gegenüber anderen, nicht resonanten Frequenzen einen gewissen Gewinn, und ein Ohr oder Verstärker empfängt etwas, das sich vom Rauschen unterscheiden lässt.
Stell dir nun vor, du hältst dein Ohr an ein anderes Rohr, das genauso ist wie das Lautsprecherrohr, und hältst dir das andere Ohr zu. Du würdest Umgebungsgeräusche hören, aber größtenteils als Obertöne dieser Resonanzfrequenz.
Wenn ein Freund sagt: „Hörst du mich?“, würde es wie ein dröhnendes „mwaa mwoo mwee mwee?“ klingen.
Wenn der Freund aber auf der anderen Seite des Zimmers das Lautsprecherrohr einschaltet, sticht es zwischen den anderen Geräuschen deutlich hervor.
Und wenn er dir eine Papierrolle gibt und dich bittet, entsprechend der Lautstärke nach oben und unten zu zeichnen, während er am Lautstärkeregler dreht, sieht die Zeichnung auf dem Papier wie eine Schallwelle aus.
Damit weißt du jetzt, wie AM-Radio funktioniert.
Statt „Wechselstrommagie“ würde ich es eher RF-Magie nennen.
Um solche Schaltungen zu verstehen, braucht man ein anderes mentales Modell.
Bei Gleichstrom und niederfrequentem Wechselstrom reicht es, sich vorzustellen, dass Spannung und Strom im Leiter sofort anliegen, aber das ist nur eine nützliche Vereinfachung.
Grob gesagt braucht die von der Stromquelle gelieferte Energie Zeit, um sich entlang des Drahts auszubreiten [0].
Mit diesem Gedanken im Hinterkopf ergibt das animierte GIF auf dieser Seite mehr Sinn: https://en.wikipedia.org/wiki/Dipole_antenna
Dieses mentale Modell hilft auch zu verstehen, warum eine magnetische Schleife nicht einfach ein kurzgeschlossener Draht ist. In Gleichstrom- oder niederfrequenten Wechselstromschaltungen ist sie tatsächlich ein Kurzschluss, in RF-Schaltungen jedoch nicht [1].
[0] https://en.wikipedia.org/wiki/Velocity_factor
[1] Mit diesem mentalen Modell allein lässt sich nicht jede Antenne vollständig verstehen. Viele Designs hängen auch von anderen Phänomenen ab, etwa elektromagnetischen Wechselwirkungen zwischen Komponenten oder Wechselwirkungen mit der Umgebung. Aber mit diesem Modell hat man eine Grundlage, um bei Interesse tiefer einzusteigen.
Und das gilt nicht nur für Antennen. Wenn man sich Computer anschaut: Bei 3 GHz (DDR4+-RAM) beträgt die Wellenlänge etwa 10 cm. Selbst wenn man nur eine einzelne Sinuswelle betrachtet, hat man am CPU 1,8 V, 2,5 cm vom CPU entfernt 0 V, bei 5 cm -1,8 V, bei 7,5 cm 0 V und bei 10 cm wieder 1,8 V.
Dazu muss man noch den Abstand zwischen CPU und RAM berücksichtigen, die anderen Frequenzen, die mit einer Rechteckwelle einhergehen, und die ganze Mathematik, die dafür sorgt, dass grundlegende RAM-Lese- und Schreibvorgänge funktionieren.
Selbst ein ganz normaler Draht oder ein Kabel ist in der Gleichstromelektronik nur die einfachste Leitung, die nichts weiter tut; hier dagegen verändert sie alles.
Wenn man ein Spannungssignal einspeist, muss irgendein Strom fließen, bevor dieses „Signal“ (Feld) das andere Ende des Kabels erreicht und „sieht“, ob es offen, verlötet oder mit einem Widerstand abgeschlossen ist.
[0] https://catalog.hathitrust.org/Record/001617948