Höhlenkommunikation und -peilung, Höhlenfunk, Hey-Phones, 87kHz-Erd“funk“

1     Untergrund-Kommunikation, Allgemeines

John Hey, G3TDZ , hat das Prinzip des SSB-Höhlenfunkgerätes entwickelt und einige Dutzend Geräte wurden gebaut.

Meine Version hat einen Prozessor und eine stärkere Endstufe, kann damit auch als Bake bzw. Peilempfänger arbeiten. Gefertigt wurden in 2003-2004 drei Geräte, die u.a.  im Hölloch (Kleinwalsertal) zum Einsatz kamen. Als Kommunikationsgerät, wie auch als Peilgerät.

Aber erst mal, was es so alles gab/gibt:

1.1    Kommunikation im Untergrund

ist kein neues Thema. Zuerst gab es Melder in den Minen, die Informationen zu verteilen hatten, in Schäften wurden Sprachrohre verwendet, die sich bis heute zum Beispiel im Wismut-Bergbau erhalten haben. Und dann kam Graham Bell, der 1874/75 das Telefon erfand (eigentlich war es Antonio Meucci, der es bereits 1860 erfand und es sich von Bell stehlen ließ).

Der erste Satz, der per Telefon übermittelt wurde, hieß übrigends:
Das Pferd frißt keinen Gurkensalat“ (Phillip Reis).

Das Telefon wurde schon 1877 in den Kohlenminen von Cape Breton/Kanada einsetzte. Der damalige Mineninspektor hielt sie zuerst allerdings für „praktisch wertlos“, da diese Sprechgeräte keine Klingel besaßen. Sie sahen wie Butterfässer aus, die man abwechselnd an den Mund und ans Ohr halten mußte. Martel setzte bereits in 1889 Telefone in Schachthöhlen für die Höhlenforschung ein. Im Verlauf der Entwicklung wurden die Telefone in den Minen schwerer (explosionsgeschützt) und haben sich bis zum heutigen Tage erhalten.

Doch parallel wurde an neuen Methoden gearbeitet. Insbesondere der Einsatz von Rettungskräften nach einem Grubenexplosionsunglück erfordert andere, beweglichere Methoden der Kommunikation. Deshalb spaltete sich die Kommunikationsentwicklung unter Tage auf in

  1. a) feste Installation von Anlagen

Fest installierte Anlagen sind z.B. Telefon-Zweidraht-Anlagen, Schlitzkoax-Kabel-Anlagen und auch Mikrowellenstrecken und optische Fiberkabel.

  1. b) mobile Stationen für z.B. Rettungszwecke oder Vortrieb.

Mobile Anlagen sind z.B. Langwellen-Sender/Empfänger und Pager, Zweidraht-Telefone ohne Ortsbatterie (Heultelefone), Eindraht-Telefone mit angeschlossenen HF-Sende / Empfängern, vor der Einführung von Vollgesichtsmasken mit eingebautem Sprech/Hörgerät  gab es auch Piepser (Morsefunk) für Rettungskräfte mit „Mundstück“-Behinderung.

1.2    Kommunikation mit Hilfe des Untergrunds

ist auch nicht neu. Bereits 1809/1811 hat in München der preußische Anatomist Samuel T. Soemmerring Telegraphenströme durch Wasser geleitet und sie vor der bayerischen Aka­demie der Wissenschaften demonstriert. 1838 hat der Münchner Wissenschaftler Dr. C. A. Steinheil die Erde als Rückleiter „erfunden“ und versucht, die Schienen der Eisen­bahn­strecke Nürnberg-Fürth als Kommunikationsleitung zu benutzen, leider ging dieser Versuch da­neben, da die Isolation zwischen den Schienen zu gering war. Aber Steinheils großes Verdienst war die Erkenntnis, das aufgrund „galvanischer Effekte“ im Erdboden eine zukünf­tige Nachrichtenübermittlung im Erdboden möglich ist.


oder ‚Wasserfunk:

Morse hat 1842 mit vergrabenen Erdplatten auf beiden Seiten des Susquehanna Rivers eine galvanische Morseverbindung aufgebaut. Kurz nach der Erfindung des Telegraphen und dann nochmals nach der Erfindung des Telefons wurden also vielfältige Experimente durch­geführt, eine Verbindung auch ohne Kabel (schnurlos) herzustellen. Die Kom­muni­ka­tion über Erdstrom ist also schon lange bekannt. Sie wurde insbesondere in den Kriegen genutzt (Schützengraben zu Schützengraben, FullerPhone, Power Buzzer, GB, WWI, wobei die Ab­hörgefahr ein Problem darstellte und durch vielfältige Maßnahmen zu verhindern versucht wurde).

Insbesondere in den USA gab es ständig Neuerungen: Nathan B. Stubblefield mit seinen Erdstrom-Telephonen, ca. 1902 und Nicola Tesla, aber auch James H. Rogers, ca. 1918, der für die U-Boote der US-Army im ersten Weltkrieg ein weltumspannendes Langwellenkom­munikationsnetz baute und diverse, geheimgehaltene amerikanische Patente besaß, die mir jetzt vorliegen.

1.3    Energieübertragung mit Wellen

Auch dieses, schulwissenschaftlich nicht abgesicherte Thema, sei erwähnt. Nikola Tesla war einer der führenden Köpfe bei der Erzeugung und Verwendung von Wechselstrom und ver­kaufte viele seiner Patente an Westinghouse und lag in tiefem Streit mit Thomas A. Edison, der die Gleichstromtechnik präferierte. Seiner Überzeugung nach breiten sich in der Erde Longitudinalwellen aus, die zum Energietransport an beliebigen Punkten auf/in der Erde ge­nutzt werden können. Zwischen 1901 und 1905 baute er in Wardenclyffe auf Long Island ein Sendesystem auf, mit dem er Information und Energie weltweit übertragen wollte, das jedoch nie in Betrieb ging. Ein 200 kW Westinghouse Wechselstrom-Dampfgenerator sollte mit ei­nem Erdleitersystem mit Erdströmen einen fast verlustfreien (5% Verlust) Energietransfer ermöglichen. Seinem Geldgeber war dieses Projekt zu wenig gewinnbringend und wurde, da eine Energieverteilung über Leitungen mehr Gewinn bei den Geldgebern versprach, fallen gelassen. Tesla machte 1899 ein Experiment, indem er 200 50-Watt-Lampen in Colorado Springs über eine Entfernung von 40 Kilometern schnurlos zum Leuchten brachte. Mit stehenden Wellen in der Nähe der Schuhmannresonanz (7,92 Hz) wollte er eine universelle Energieversorgung in alle Haushalte realisieren. Er erzeugte riesige Felder, die letztendlich den Generator der Energieerzeugungsanlage, der ihn mit Strom versorgte, zum Abbrennen brachte. Diese Experimente beeinträchtigten möglicherweise Teslas Gehirn, da er nach diesen Experimenten als „verändert“ bezeichnet wurde.

                    

 

2 Untergrund-Kommunikation, Technikübersicht

2.1    Zweidraht-Telefone

(mit Ortsbatterien): Hierüber gibt es sicherlich nicht viel neues zu berichten. Solange die Drähte nicht beschädigt sind und die Batterien immer frisch gewechselt werden, ist dies die einfachste Methode einer (festen) Kommunikationsstrecke. Die einfachste Form ist z.B. das Murphy Phone von John Halleck. Da ich dieses Telefon bereits vor 40 Jahren zwischen mir und meinem Freund benutzte, sind mir die „Geheimnisse“ genauestens bekannt 😉 :

Man nimmt einen Telefonhörer mit Hör- und Sprechkapsel, schließt ihn über ein langes Kabel an einen weiteren Hörer an, schaltet noch eine Batterie (4,5 V bis 12 V) in Serie in die Leitung und das ist alles, was man für eine Sprechverbindung benötigt. Leider fehlt eine Klingel.

Besser ging es mit kompletten Analog-Telefonen (W48 z.B., aus dem Fernmeldezeughaus der Bundespost), Schaltung wie oben, jedoch konnte man durch Drehen an der Nummernwahlscheibe ein Klingeln erzeugen.

2.2    Zweidraht-Telefone, Heultelefone [Howl Call]

(ohne Ortsbatterien): Verbindet man zwei hochempfindliche dynamische Hör/Sprechkapseln über eine Drahtleitung miteinander, dann bewirkt die Beschallung auf der einen Seite einen Stromfluß zur anderen Seite, der akustisch hörbar wird. Die hierbei erzeugte Sprechspannung beträgt ca. 2Vss bei ca. 10 mA Sprechstrom. Ergänzt man das Ganze noch durch jeweils eine weitere Hör/Sprechkapsel und einen Tonfrequenz-Dynamo als Klingelersatz, der nach Aktivierung eine Tonfrequenz von ca. 1540 Hz abgibt, dann erhält man eine Sprecheinrichtung, die über mehrere Kilometer zuverlässig ohne jegliche Batterien funktioniert. Mehrere Sprechgeräte können parallel geschaltet werden. Mittels PhonePatches können auch andere Telefonsysteme eingebunden werden oder Verstärker/Lautsprecher angesteuert werden, wenn man diese externen Geräte in 600-Ohm-Technik ankoppelt.

Als Kommandostation wurde ein Durchsageverstärker gebaut, der Mikrofoneingang und Lautsprecherausgang (transformiert auf 600 Ohm) über ein Relais umschaltbar auf die Leitung legt. Ergänzt wurde es durch eine elektronische Sirene, die als Ruftonerzeuger dient.

        

2.3    Eindraht-Telefone (SWT, SingleWireTelephone), ohne Trägerfrequenz.

Im übrigen ist hier nicht das Kordel gemeint, mit dem man zwei Joghurtbecher miteinander verbindet und den Schall entlang der Schnur laufen lässt (übrigends erfunden in China durch Ching-Fu im Jahr 970).  Das sind Longitudinalwellen!

Es gibt eine Unzahl von Entwicklungen, stellvertretend für die einfachste Form dieser Kommunikationsart sei hier das MichiePhone von Neville Michie (1974) genannt. In etwa Streichholzgröße ist es das zentrale Kommunikationsgerät der australischen Höhlenrettung. Es benutzt die Erde als Rückleiter und kann daher nur mit „Arm im Lehm“ betrieben werden. Eine weitere Ergänzung mit einem Verstärker und Lautsprecher macht man das System auch als „Kommandostation“ einsetzbar. Mehrere Stationen können sich gleichzeitig auf das Kabel einschalten, doch hier müssen dann Kommunikationsregeln eingeführt werden, um ein allzu grosses Sprachdurcheinander auf dem Draht zu verhindern (dies gilt natürlich für alle Mehrfachnutzungen). Die ursprüngliche Entwicklung hatte „nur“ einen Eingangswiderstand von ca. 50 kOhm. Nigel Lovell aus UK verbesserte das MichiePhone, indem er ihm eine Eingangsimpedanz von ca. 10 MOhm gab, K. Walraven verbesserte es nochmals und gab ihm 50 Mohm. Damit wurden die Geräte empfindlicher, der Erdkontakt musste nicht mehr „Arm dick“ sein, aber Kurzschlüsse nach Masse (Erdboden) können einer Station hinter einem Masseschluss große Empfangsprobleme bereiten, so daß ein Mittelwert von ungefähr 1 MOhm ein guter Kompromiß ist.

2.4    Eindraht-Telefone (Guide-Wire), mit Trägerfrequenz

Dieses Prinzip unterscheidet sich völlig von obenstehendem Prinzip. Bereits 1911 hat ein gewisser Major Squir mit diesem Trägerfrequenzverfahren 5 km überbrückt. Dieses Prinzip wurde Anfang des letzten Jahrhunderts z.B. entlang von Förderseilen in tiefen Schächten angewendet Es wird ein Draht durch die Höhle gezogen und auf diesen Draht werden Funkgeräte eingekoppelt, so dass die Wellenleitung entlang diesem Draht erfolgt. Insbesondere kommerzielle Minenrettungstrupps benutzen eine solche Drahtverbindung untereinander beim Vormarsch. Im amateurmäßigen Höhlenfunk wurde das mit CB-Funkgeräten bereits durchgeführt..  Es ist völlig ausreichen, ein CB-Gerät in der Nähe einer solchen Eindrahtleitung zu plazieren, Einkopplungswindungen (z.B. Rubber Duck Antennen, Koaxschleifen etc.) sind nicht nötig, können den Effekt aber wesentlich verbessern.
Eine weitere Ausbildung ist die Verwendung von Doppelleitungen, dies ist jedoch wieder eher eine induktive Kopplung:

2.5    Eindraht-Telefone, Leacky Cable

Eine andere Variante ist das Verspannen eines „leacky cables“, also eines leckgeschlagenen, weil teilweise aufgeschnittenes Koaxkabel, als Kommunikationsstrecke, an die „normale“ UKW-Funkgeräte angenähert werden. Dies ist eher ‚Tunnelfunk’ und wird dementsprechend von z. B. Betreibern von Bahnen in Tunneln benutzt.

2.6    Geschlossene Koaxkabel

Auch das Ankoppeln von z. B. LPD-Funkgeräten an ein Koaxkabel über eine induktive Koppelspule ist eine Möglichkeit, längere Distanzen im Untergrund zu überbrücken.

              

2.7    Induktive Kopplung von Antennen und/oder Sendeempfänger

Obige Ankoppelschleife kann auch dazu benutzt werden, um „über Eck“ mit z.B. PMR 446 Funkgeräten zu kommunizieren. Man verwendet Antennen als passive Relaisstationen (reradiation antenna, parasitische Reflektoren, passive repeater)

 

2.9    „Funk“geräte

Und schon kommen wir zum Nulldraht-Schnurlos-Telefon, auch Funkgerät genannt, obwohl es im eigentlichen Sinne im Höhlenfunkgebrauch nur eine induktive Hörhilfe im Nahbereich ist.

Viele andere Funkgeräte (Amateurfunk, CB, Kommerzielle, LPD, PMR) etc. können auch für den Höhlenfunk verwendet werden, wenn … ja, … wenn man Mittel findet, die Dämpfung des Signals im Gestein zu verringern. Durch die richtige Wahl der Mittel ergeben sich hier vielfältige Möglichkeiten.

Induktive Kommunikation wird heute auf vielfältigen Gebieten benutzt. Schwerhörige haben im Hörgerät eine induktive Kopplungsmöglichkeit zum Einkoppeln von z.B. Handy-Lautsprecher-Information. Bühnenkommunikation wird meist induktiv durchgeführt. RFID’s  (Transponder) haben induktive Kopplung, also die nicht „einfach“ abtrennbaren Diebstahlschutzfolien oder kontaktlose Chipkarten. Induktive Energieübertragung wird bei Zahnbürsten angewandt (Fa. Braun) aber auch beim Induktionsofen in der Küche (ca. 25 kHz). … warum jault mein Hund, wenn ich den Ofen anschalte? … Lauschangriffe werden oft auf induktivem Weg durchgeführt (Telefon, Fax, Bildschirm).

Wie anfänglich berichtet, ist die Kommunikation durch die Erde nicht neu. Der erste bekannte Höhlenfunkversuch fand am 18. August 1922 in Mammouth Cave statt. Erst ab 1929 bestätigten sich die Erfolge mit induktiver Kopplung. In den 60er Jahren gingen die Versuche weiter, obwohl schon während des WWII Japaner wie Russen und Amerikaner aus unterirdischen Bunkern heraus mittels Induktion Nachrichten übermittelten.

Die ersten brauchbaren Höhlenfunk-Ent­wick­lung­en waren das Ogofone (Bob Wil­liams, Ian Todd, 1987, GB) und das  Mole­fone (Bob Mackin, GB; kommerziell, > 2500 US$ ), dann wurde das Nullarbor in AU, das Système Nicola in FR und das HeyPhone in GB entwickelt, zumindest die letzten beiden induktiv und mit Erd-Dipol-Übertragung auf 87kHz. Und sie haben ihre Verbreitung in den jeweiligen Ländern gefunden. Allein in Großbritanien wurden 66 Stck. HeyPhones für die dortige Höhlenrettung ge­baut.

Wegen der Frequenznähe zu LORAN C (100kHz Mittenfrequenz, spread spectrum) und den daraus entstehenden breiten Störungen werden 87kHz-Geräte in den USA wenig benutzt, sondern statt dessen eine kanadi­sche Entwicklung von Ian Drummond: ein Transverter, der von SSB-CB auf VLF, ca. 115,4 kHz bis 185 kHz umsetzt. Eine Weiterentwicklung des Heyphones ist das von Herman Jorens entwickelte Radio, an das ich mit meiner Entwicklung anknüpfte. Alle neueren Entwicklungen verwenden SSB als Modulationsart, um die Energieeffizienz zu erhöhen.

Das Thema „Funk durch den Fels“ wird im folgenden genauer beleuchtet, wobei auf der Antennenseite unterschieden wird zwischen:

  • Induktiver Kommunikation (mit Rahmenantenne): je gerin­ger die Leitfähigkeit, um so besser die in­duktive Variante (bis max 300m Entfernung)
  • Erd-Dipol-Kommunikation (mit Stäben in der Erde): Je leitfähiger der Erdboden ist, um so besser die Erd-Dipol-Variante (bis 1200 m Entfernung)

Für die Funkortung kann nur die induktive Variante benutzt werden

3     Kabellos durch den Fels, Grundlagen

Es geht nicht so richtig mit CB-, LPD-, PMR-Radios, Handys oder Amateurfunkgeräten. Allen­falls in Ausnahmefällen. Und richtiger Funk ist Höhlenfunk im üblich­en Sinne nicht, da keine Fern­feld­be­ding­ung­en vorliegen, hierzu später mehr. Der Erfolg des Höhlenfunks liegt in der zu benutzenden Fre­quenz, der Leitfähigkeit des Bodens und der Art der Antenne, doch der Reihe nach:

3.1    Frequenzwahl

In der Praxis dringt die elektromagnetische Welle maximal ca. eine halbe Wellenlänge (Nahfeld) in den Boden ein. Erfahrungen mit GPR (ground penetration radar, Boden-Radar) zeigen zwar, daß gepulste Hochfrequenz weit tiefer ein­dringt. 100-MHz-Radar, λ=3 m, dringt bis zu 20 m ein, also ein Mehrfaches der Wellenlänge, dies wird z.B. benutzt, um verdeckte Höhleneingänge zu finden. Für Sprechfunkan­wen­dung­en mit kleiner Sendeenergie gibt es jedoch zu beach­tende Eckwerte (Signal / Rausch­­­verhältnis), die ein Eindringen von wesentlich mehr als einer halben Wellenlänge ziemlich un­wahrscheinlich erscheinen lassen.


…und dies alles ist nicht verwendbar, siehe Spalte: Nahfeld

Ausnahmen bilden z.B. Lavaröhren, diese bilden einen Hohlleiter und können die Hochfrequenz einige 100 m trans­portieren. Hierzu muß die Ein­speisung in der „tube“ erfolgen, nicht oberirdisch und sollte wellenlängenmäßig in die Röhre „passen“. Eng­stellen wirken als Verschluß. Der 76m tiefe Eingangsschacht des Höllochs kann z.B. problemlos mit PMR-Funkgeräten überbrückt werden (440 MHz, λ = 68 cm, 0,5 Watt), da er  einen großen Durchmesser besitzt. Zur Durchdringung des Felses jedoch muß man eine wesentlich niedrigere Frequenz verwenden.

Lawinenpiepser sind ein Schritt in die rich­tige Richtung:

Die Frequenzen der älteren wie auch die der neuen Höhlenkommunikationsentwicklungen in Europa sind aus Kompatibilitätsgründen auf oder nahe 87 kHz. Diese Frequenz wurde gewählt, um evtl. Empfangsstörungen durch Oberwellen der Netzfrequenz zu vermeiden, sowie u.a. ausreichend vom DCF-77 Zeitzeichensender und den Loran-Sendern entfernt zu sein. Die Modulation bei den Sprechfunkgeräten ist SSB (obe­res Einseitenband), dies ist wesentlich batteriesparender als FM oder AM.

Trotzt allen Vorsichtsmaßnahmen bei der Frequenzsuche ist ein Betrieb dieser Geräte im Störfeld von menschlichen Ansiedlungen nur sehr eingeschränkt möglich. Auch LORAN splattert herein. Ein versuchsweiser Betrieb am Münchner Marienplatz, um zu testen, ob man die unteren U-Bahn-Schächte erreicht, hat nur ’sehr‘ eingeschränkt funktioniert, da zu viele Trafostationen riesige Magnetfelder produzieren, dessen Oberwellen den Empfänger zustopften.

Baken (Sender nur für die Ortung) werden ent­weder nur getastet (CW) oder, wenn sie in einem Funkgerät integriert sind, mit NF-Tönen moduliert. Die Sendefrequenz für reine Bakensender wird bis unter 1kHz erniedrigt, um die Genauigkeit und Durch­dringungstiefe zu erhöhen. Ein Sprechfunk ist auf diesen Frequenzen aufgrund der fehlenden Bandbreite nicht möglich.

Handelt es sich um trockenes, poröses Gestein (marmorartig), kann der Leitwert für hohe Frequenzen so gering sein, daß deshalb eine Kommunikation möglich ist, z.B. auf 7 MHz in den USA erprobt. In unseren Breiten ist dies jedoch weniger der Fall, deshalb konzentriert sich die Entwicklung weiterhin um 87 kHz für den Sprechfunk. Versuche auf 1-3 MHz werden durch badenwürtembergische Höhlen-Funk­ama­teure durchgeführt. Sollte der Sprechfunk durch Digitalverfahren (PSK31, z.B.) abgelöst werden, dann kann die Frequenz weiter erniedrigt und damit die Durchdringtiefe erweitert werden. Selbst Signale, die man mit dem menschlichen Ohr nicht mehr wahrnehmen kann, können hier digital verarbeitet werden und auf einem „höh­lenfesten“ Palmtop angezeigt werden. Bildübertragung durch SSTV (Standbildübertragung) wurde ebenfalls bereits erfolgreich durchgeführt.

3.2    Strahlung und Felder

Wir reden von elektrischen Feldern, von magnetischen Feldern und elektromagnetische Felder soll es auch geben … und die strahlen sogar? Doch was sind sie, diese Felder? Felder sind keine physikalischen Objekte, die man einfach mal weglassen, mal mischen, mal neu erstellen kann.  Felder sind nur mathematische Beschreibungen von Kräften zwischen Ladungen und beschreiben Effekte. Maxwell hat dies definiert.

3.2.1  Das elektrische Feld

Das elektrische Feld beschreibt eine Kraft zwischen zwei unterschiedlichen Ladungen, mit dieser Kraft versucht die Natur, diese Ladungen auszugleichen. Die Kraft ist messbar als Spannungsdifferenz zwischen den Punkten ungleicher Ladung, gemessen als Volt/m. Eine Antenne mit ungleicher Ladungsverteilung zwischen den Enden erzeugt also ein elektrisches Feld (z.B. ein Dipol), E, gemessen in Volt/meter. Das elektrische Feld nimmt proportional zum Quadrat der Entfernung ab (1/r2)

3.2.2  Das magnetische Feld

Das magnetische Feld beschreibt eine Kraft, die durch sich bewegende Ladungen erzeugt wird. Eine sich bewegende Ladung lässt also eine Kraft auf alle anderen Ladungen um sie herum entstehen. Ein magnetisches Feld H wird also durch bewegende Ladung, zum Beispiel eines Stromflusses in einem Leiter oder eines Hochfrequenzstromes in einer Antenne (Rahmenantenne) erzeugt, gemessen als Ampere/m oder auch in der Einheit Tesla: 1 microTesla = 1,26 A/m. Das magnetische Feld nimmt proportional zum Kubik der Entfernung ab (1/r3).

Eine Lageänderung von Ladungen bewirkt also ein magnetisches Feld, was natürlich auch eine ungleiche Ladungsanordnung bewirkt und damit wieder ein elektrisches Feld erzeugt. (Faradaysches Induktionsgesetz)

3.2.3  Das elektromagnetische Feld

Das elektromagnetische Feld tritt immer dort auf, wo Ladungen beschleunigt oder abgebremst werden. Diese Beschleunigung/Abbremsung tritt immer dann auf, wenn Ladungen die Richtung oder ihre Geschwindigkeit ändern. Dies tritt z. B. in jedem mit Wechselstrom durchflossenen Leiter auf: Es entsteht ein elektromagnetisches Feld. Bei ausreichend hoher Frequenz „schnürt“ es sich von der Leitung (Antenne) mit Lichtgeschwindigkeit ab.

Die endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Welle verhindert, dass  sich das um eine Antenne bildende Feld wieder vollständig zurück in die Antenne bildet, sondern es schnürt sich ab (Wirbel)  und wird vom nachfolgenden Wellenpacket von der Antenne weiter weggedrängt. Hierzu dient die Antenne als Wandler, da sie die elektromagnetische Welle an die Luft (den freien Raum) abgeben soll und darauf angepasst werden muss (Z = 120 * pi = 376,7 Ohm, Wellenwiderstand des freien Raums).  Das elektromagnetische Feld verrin­gert sich proportional zur Entfernung 1/r).  

Diese obige Bild zeigt die Verhältnisse im Fernfeld einer Antenne, nicht aber im Nahfeld… und ist deshalb nur eingeschränkt richtig.

3.3    Antennentheorie

Wellenlängenangaben beziehen sich auf den aktuellen Fall von 87 kHz Frequenz

3.3.1  Der elektrische Dipol

Der elektrische Dipol (Zweipol) ist im einfachsten Fall eine Batterie. Also ein Gebilde mit zwei entgegengesetzten Polen (Ladungen). In der HF-Funk-Anwendung ist es ein Hertzscher Dipol. Es ist ein „aufgebogener“ Schwingkreis, der in Resonanz ist und mit Lichtgeschwindigkeit elektromagnetische Wellen „abstösst“, im Vakuum mit der Geschwindigkeit:

Vakuum-Referenzwerte:

       elektr. Feldkonstante

            magnetische Feldkonstante

Sehr nahe an einer Dipolantenne hat man hohe Spannungen aber niedrige Ströme, es dominiert also das elektrische Feld, was auch als hohe Feldimpedanz bezeichnet wird. Es nähert sich erst im Fernfeld der Freiraumimpedanz von 120 * π  ~ 377 Ohm.

3.3.2  Der magnetische Dipol

Der magnetische Dipol ist im einfachsten Fall ein Stabmagnet. Ersatzweise kann man eine von Gleichstrom durchflossene Spule nehmen. Im Fall des Höhlenfunks jedoch ist es eine Rahmenantenne (Loopantenne).

Sehr nahe an der Loopantenne dominiert das magnetische Feld: starke, sich bewegende Ladungen = Ströme. Dies wird, wenn das magnetische Feld groß und das elektrische Feld klein ist, auch als niedrige Feldimpedanz benannt.

Das magnetische und elektrische Feld ist im Nahfeld um 90 Grad phasenverschoben. Erst im Fernfeld geht die Phasenverschiebung gegen Null. Das elektrische Feld wird im Erdboden wesentlich stärker gedämpft als das magnetische Feld.

Elektrische oder magnetische Felder in Festkörpern (z. B. in Kalkstein) verursachen Veränderungen an den gebundenen Atomen und bewirken eine dielektrische Polarisierung als Funktion der elektrischen Feldstärke (Permittivität) oder eine Magnetisierung als Funktion einer magnetischen Feldstärke. Je ‚leitfähiger’ ein Festkörper ist, um so größer sind die Verluste des elektrischen Feldes. Je ‚magnetischer’ ein Körper ist, um so grösser sind die Auswirkungen auf das magnetische Feld. Da Kalkstein nicht magnetisch aber leitfähig ist, wird insbesondere die elektrische Welle stark betroffen. Die Permittivität des Vakuums ist = 1,  die von Erde liegt zwischen 4 und 30, je nach Leitfähigkeit (Kalkstein ca. 3-8), sie ist frequenzabhängig und wird deshalb Dispersion (Nein, das hat nichts mit Dispersionsfarbe zu tun) genannt.

Deshalb nutzen wir die magnetische Komponente im Nahfeld zur Erzeugung eines Magnet­feldes.

ff.