HF verstehen – Hochfrequenztechnologien

Gewöhnliche Steckdosen in einem Haus liefern eine Spannung bzw. Stromstärke, die zyklisch ansteigt und abfällt. Die Frequenz ist ein Maß für die Schnelligkeit dieser Zyklen.Genauer gibt die Frequenz an, wie viele Male pro Sekunde der Strom einen vollständigen Zyklus durchläuft – von der Anstiegsphase über die Abfallphase bis zurück zum Ausgangspunkt. Die Anzahl der Zyklen pro Sekunde wird in Hertz angegeben. Wenn der Strom beispielsweise in einer Sekunde vier vollständige Zyklen durchläuft, beträgt die Frequenz vier Hertz. In den Vereinigten Staaten z. B. beträgt die Frequenz des Wechselstroms aus Steckdosen normalerweise 60 Hz, d. h. der Strom durchläuft in 1 Sekunde 60 Zyklen.

Wechselstrom erzeugt elektromagnetische Felder

Jeder Wechselstrom, der durch einen Leiter – etwa einen Draht oder eine Antenne – fließt, erzeugt auch ein elektromagnetisches Feld, das sich im Raum ausbreitet.Bei sehr niedrigen Frequenzen, wie z. B. dem 60-Hz-Wechselstrom von Steckdosen, ist dieses elektromagnetische Feld nicht besonders stark und breitet sich nicht weit aus.

Drei allgemeine HF-Anwendungen

Es lassen sich drei allgemeine Anwendungsbereiche von HF-Strahlung nennen. Bei der ersten Kategorie von HF-Anwendungen geht es um das Erwärmen von Objekten.Als Beispiele hierfür sind Mikrowellenöfen und industrielle oder medizinische Anwendungen anzuführen.

Ein weiterer Einsatzbereich von HF-Strahlung ist die Erfassung oder Detektion von Objekten. Hierzu werden HF-Strahlen ausgesendet und anhand der Eigenschaften der reflektierten HF-Wellen Informationen über die reflektierenden Objekte gewonnen.

Der bekannteste Anwendungsfall ist jedoch die Übertragung von Informationen. Zu den ersten Anwendungen von HF-Wellen zur Übertragung von Ton und Bild gehörten historisch der Hörfunk und das Fernsehen. Hochfrequenzstrahlung unterstützt jedoch auch moderne Datenübertragungstechnologien wie Wi-Fi, Mobilfunk und Bluetooth. Darüber hinaus spielt die Informationsübertragung durch das Weltall mittels HF eine wichtige Rolle für Satellitenapplikationen wie GPS.

Erwärmen von Objekten mittels HF-Strahlung

Mikrowellenöfen verwenden ein sogenanntes „Magnetron“, um HF-Strahlung mit einer Frequenz von etwa zweieinhalb Gigahertz zu erzeugen. Dieser Frequenzbereich wird auch üblicherweise von Wi-Fi und Bluetooth genutzt. Die HF-Strahlung durchdringt dann die Lebensmittel oder Flüssigkeiten im Ofen und versetzt die Moleküle, insbesondere Wasser, in Schwingung, wodurch Wärme entsteht. Bei der Verwendung von HF-Strahlung zum Erwärmen von Lebensmitteln sollten sich keine Metallgegenstände im Mikrowellenofen befinden, da die vom Magnetron erzeugte HF-Strahlung im Metall HF-Ströme anregen kann. Diese im Metall fließenden Ströme können Funken oder Brände verursachen.

Neben dem Aufwärmen von Lebensmitteln wird HF-Strahlung auch für industrielle Anwendungen genutzt, z. B. die Pasteurisierung von Milch, und wird außerdem in der Medizin eingesetzt – von der Zerstörung von Krebszellen bis hin zu verschiedenen kosmetischen Behandlungen.

Erfassen von Objekten mittels HF-Strahlung

Radar ist ein Beispiel für die Erfassung von Objekten mit HF-Strahlung. Die Anwendungsbereiche von Radaren sind vielfältig– sie reichen von der Detektion von Flugzeugen oder Schiffen bis zur Messung der Geschwindigkeit eines Fahrzeugs oder etwa eines Baseballs. Ein weiteres Beispiel für die Verwendung von HF-Strahlung zu Detektionszwecken sind die Körperscanner, die heute die früher üblichen Metalldetektoren in Flughäfen weitgehend ersetzt haben. Manche Bewegungsmelder in Alarmanlagen oder anderen Systemen basieren ebenfalls auf HF-Strahlung. Eine weniger bekannte Anwendung von HF-Strahlung für sensorische Zwecke sind Materialmessungen. Mit HF-Strahlen können bestimmte Materialeigenschaften zerstörungsfrei bestimmt werden – z. B. ist es möglich, Gewebe auf Brustkrebs oder Bäume auf Fäulnis und Termiten zu prüfen.

Übertragung von Informationen mittels HF

Der wohl wichtigste Einsatzbereich von HF-Strahlung in der heutigen Welt ist jedoch die Übertragung von Informationen ohne Kabel, also per Funk. Um Informationen mittels Hochfrequenz zu übertragen, müssen eine oder mehrere Eigenschaften des erzeugten elektromagnetischen Feldes fortlaufend verändert werden. Dieser Änderungsvorgang wird als Modulation bezeichnet.

Die einfachste Art, das abgestrahlte Feld zu modifizieren, ist schlicht das Ein- und Ausschalten des Felds. Dies ist das Funktionsprinzip eines Morse-Geräts. Im Morse-Code steht eine kurze Aktivierung des HF-Felds für einen Punkt und eine längere Aktivierung für einen Strich. Als nächste Entwicklungsstufe nach dieser simplen „Ein-Aus“-Technik kann die Amplitudenmodulation (AM) angesehen werden, bei der die Stärke des HF-Signals verändert wird, um Informationen zu übertragen. Bei der Frequenzmodulation (FM) hingegen wird die Frequenz der ausgestrahlten HF-Wellen angepasst, um Informationen zu codieren.

Sowohl AM als auch FM werden in erster Linie für die analoge Modulation, z. B. im Hörfunk, eingesetzt. Für die Übertragung digitaler Informationen sind kompliziertere Modulationsverfahren erforderlich, bei denen häufig sowohl die Amplitude als auch die Phase bzw. die Frequenzverschiebung der HF-Wellen gleichzeitig geändert werden.

HF-Frequenzen erklärt

Der Begriff „Hochfrequenz“ ist weit gefasst. Welche Frequenzen tatsächlich verwendet werden, hängt stark von der jeweiligen Anwendung ab.

Niedrigere Frequenzen haben zwei wichtige Vorteile. Erstens breiten sich die abgestrahlten Felder über größere Entfernungen aus. Zweitens sind Signale mit niedrigeren Frequenzen eher dazu in der Lage, Objekte zu durchdringen oder zu passieren. Das Gegenteil gilt für höhere Frequenzen. Der AM-Rundfunk verwendet Frequenzen von mehreren 100 kHz und der FM-Rundfunk Frequenzen um 100 MHz, da diese relativ niederfrequenten Signale viele Kilometer weit übertragen werden können und auch in Häusern oder Geschäften zu empfangen sind.

Wi-Fi liegt entweder bei 2,4 oder 5 Gigahertz, also bei Frequenzen, die 25 bis 50 Mal höher sind als bei AM oder FM. Einer der Gründe für die Verwendung dieser viel höheren Frequenzen ist, dass Wi-Fi-Signale nicht weit übertragen werden sollen: Die Signale eines Zugangspunkts sollen andere Zugangspunkte in der Umgebung möglichst nicht stören. Wi-Fi-Signale decken nicht viel mehr als ein Wohnhaus oder ein kleines Firmengelände ab.

In den meisten Ländern wird das Recht zur Nutzung einer bestimmten Frequenz oder eines Frequenzbereichs von der Regierung oder einer Regulierungsbehörde festgelegt. In den Vereinigten Staaten übernimmt die Federal Communications Commission (FCC) diese Rolle und in Deutschland die Bundesnetzagentur (BNetzA). Der Erwerb der „Lizenz“ für die Nutzung bestimmter Frequenzen ist oft gebührenpflichtig, und die Kosten können substantiell sein. Die Betreiber von Mobilfunknetzen beispielsweise entrichten Milliarden von Euro, um bestimmte Frequenzbereiche exklusiv nutzen zu dürfen.

HF-Sicherheit

Bei Strahlung wie Röntgenstrahlen, Gammastrahlen und UV- oder ultravioletten Strahlen handelt es sich um sogenannte ionisierende Strahlung. Ionisierend bedeutet, dass die Strahlungsenergie Atome oder Moleküle, einschließlich der DNA des Menschen, aufbrechen und so unmittelbar bestimmte Formen von Krebs und andere Gesundheitsprobleme verursachen kann.

Bei HF handelt es sich dagegen um nichtionisierende Strahlung, die keine Atome oder Moleküle aufspaltet. Das bedeutet allerdings nicht zwingend, dass HF-Strahlung vollkommen harmlos ist. Hochfrequenzstrahlung kann eine Erwärmung bewirken, die im Extremfall zu Gewebeschäden führen kann. Es gibt jedoch keine gesicherte Evidenz dafür, dass HF-Strahlung bei üblichen Leistungspegeln oder unter „normalen“ Umständen eine signifikante Gefahr für Lebewesen darstellt. Bei Hochleistungssendern ist jedoch Vorsicht geboten, und die behördlichen und industriellen Richtlinien zur HF-Exposition sind zu beachten.