Hochfrequenz (HF), Funkfrequenz, Radiofrequenz (RF)

Was ist Hochfrequenz?

Hochfrequenz (HF) ist ein Begriff, der die Schwingungsrate des Spektrums elektromagnetischer Strahlung oder elektromagnetischer Funkwellen von Frequenzen im Bereich von 300 Gigahertz (GHz) bis hinunter zu 9 Kilohertz (kHz) bezeichnet. Exakt definiert ist der Begriff nicht, den mitunter wird alles als Hochfrquenz bezeichnet, dass sich oberhalb des für Menschen hörbaren Frequenzbereichs befindet, der bei etwa 20 KHz endet. Andere Bezeichnungen für Hochfrequenz sind Frunkfrequenz und Radiofrequenz (RF) beziehungsweise im englischen Sprachraum Radio Frequency (RF).

Funktionsweise von Hochfrequenz

Radiofrequenzen werden in der Einheit Hertz (Hz) gemessen, die die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde bei der Übertragung einer Radiowelle angibt. Ein Hertz entspricht einer Schwingung pro Sekunde; Radiowellen reichen von Tausenden (Kilohertz, KHz) über Millionen (Megahertz, MHz) bis zu Milliarden (Gigahertz, GHz) Schwingungen pro Sekunde. Bei einer Radiowelle ist die Wellenlänge umgekehrt proportional zur Frequenz. Hochfrequenzen sind für das menschliche Auge nicht sichtbar. Wenn die Frequenz über das HF-Spektrum hinaus erhöht wird, nimmt die elektromagnetische Energie die Form von Mikrowellen, Infrarotstrahlung (IR), sichtbarer Strahlung, Ultraviolettstrahlung (UV), Röntgenstrahlung und Gammastrahlung an.

HF-Technologie

Mit Antennen und Sendern kann ein HF-Feld für verschiedene Arten von drahtlosen Übertragungen und Kommunikationen genutzt werden. Viele Arten von drahtlosen Geräten nutzen HF-Felder. Schnurlose Telefone und Handys, Radio- und Fernsehsender, WLAN und Bluetooth, Satellitenkommunikationssysteme und Funkgeräte arbeiten alle im HF-Spektrum. Darüber hinaus funktionieren auch andere Geräte außerhalb der Kommunikationstechnik mit Hochfrequenz, wie Mikrowellenherde und Garagentoröffner. Einige drahtlose Geräte, etwa TV-Fernbedienungen, Computertastaturen und Computermäuse, arbeiten oft mit Infrarotfrequenzen, die kürzere elektromagnetische Wellenlängen haben.

Wie das Hochfrequenzspektrum genutzt wird

Das Radiofrequenzspektrum umfasst die Gesamtheit der Frequenzen des elektromagnetischen Spektrums von 30 Hz bis 300 GHz. Es ist in mehrere Bereiche oder Bänder unterteilt und zur leichteren Identifizierung mit Bezeichnungen wie Niederfrequenz (LF), Mittelfrequenz (MF) und Hochfrequenz (HF) versehen.

Mit Ausnahme des Segments mit der niedrigsten Frequenz stellt jedes Band eine Frequenzerhöhung dar, die einer Größenordnung (10er-Potenz) entspricht. Die folgende Tabelle zeigt die acht Bänder im HF-Spektrum mit den jeweiligen Frequenz- und Bandbreitenbereichen. Die Bänder der Superhochfrequenz (SHF) und der Extremhochfrequenz (EHF) werden oft als Mikrowellenspektrum bezeichnet.

Überlastung und Interferenzen bei Funkfrequenzen

Weltweit werden Hochfrequenzen in lizenzierte und nicht lizenzierte Bänder unterteilt. Staatliche Stellen vergeben Lizenzen, die es kommerziellen Unternehmen ermöglichen, ein Frequenzband an einem bestimmten Ort exklusiv zu nutzen. Zu diesen Unternehmen gehören Radiosender, Mobilfunknetze, Fernsehsender, das Militär und Satellitenkommunikationsdienste. Nicht lizenzierte Frequenzen stehen der Öffentlichkeit zur freien Nutzung zur Verfügung, sind jedoch ein Medium, dessen Nutzung geteilt wird.

Der Wettbewerb um Bandbreite und Kanäle von Internetnutzern hat in den letzten Jahren dramatisch zugenommen, was zu Signalproblemen führt. Darüber hinaus ist die Verteilung über die Frequenzen hinweg nicht gerecht. An vielen Orten gibt es Radio- und Fernsehsender mit eigenen individuellen Frequenzen, während eine Vielzahl von Quellen um Platz auf den nicht lizenzierten Frequenzen konkurriert.

Die gestiegene Nachfrage hat zu einer Reihe von Innovationen geführt, die auf eine verbesserte Effizienz des Spektrums abzielen, darunter dynamisches Spektrummanagement, Trunking, Frequenzbündelung, Spread Spectrum, Cognitive Radio und Ultra-Breitband.

Wie Mobilfunknetze Hochfrequenz nutzen

Ein Mobilfunknetz deckt in der Regel ein bestimmtes geografisches Gebiet ab, das in Zellen unterteilt ist. Jeder Zelle wird ein Satz von Frequenzen zugewiesen, denen Funkbasisstationen zugeordnet sind. Wenn eine Kommunikation, zum Beispiel ein Mobiltelefonanruf, eingeleitet wird, sucht das Gerät nach der nächstgelegenen Basisstation, um eine Funkverbindung herzustellen. Wenn der Anruf eingeht, stellt die Antenne der Basisstation eine Verbindung mit dem Telefon her. Telefone sind so konzipiert, dass sie sich regelmäßig beim Netzwerk melden, wodurch sie ein Funksignal von hoher Qualität von einer nahe gelegenen Basisstationsantenne leichter empfangen können.

Die HF-Technologie ermöglicht die Verwendung einer Reihe von Frequenzen in anderen Zellen, solange diese nicht aneinandergrenzen. Mehrere Anrufer in einem Gebiet können dieselbe Frequenz verwenden, da Anrufe an die nächstgelegene Basisstation mit dieser bestimmten Frequenz umgeleitet werden können. Dadurch wird die Kapazität des Mobilfunknetzes erhöht. Die mehrfache Nutzung von Frequenzen funktioniert jedoch nur bei Übertragungen, die nicht miteinander in Zusammenhang stehen. Es kann dennoch zu Interferenzen durch Signale kommen, die von anderen Zellen stammen, die dieselbe Frequenz verwenden. Aus diesem Grund verwenden drahtlose Netzwerke ein System des Frequenzmultiplexverfahrens (FDMA), bei dem zwischen Zellen, die dieselbe Frequenz wiederverwenden, mindestens eine weitere dazwischenliegen muss.

FDMA ermöglicht es einer Vielzahl von Benutzern, Daten über denselben Kommunikationskanal zu senden und zu empfangen. Nutzer von Mobilfunknetzen können auch während eines Telefonats von einer Zelle zur anderen wechseln, ohne dass die Anrufe unterbrochen werden. Durch den Handover-Prozess erkennt das Mobilgerät die Signalqualität und die nächstgelegene Antenne mit der geringsten Auslastung. Bei Bedarf wechselt das Mobilgerät zu einem neuen und besseren Kanal.

Wie 5G Hochfrequenz nutzt

5G-fähige Geräte stellen über Funkwellen, die über eine nahe gelegene Antenne gesendet werden, eine Verbindung zum Internet und zu Telefonnetzwerken her. Als neueste Generation der drahtlosen Breitbandnetzwerktechnologie bietet 5G Spitzengeschwindigkeiten von bis zu 10 GBit pro Sekunde (GBit/s) für Downloads. 5G kann sowohl auf niedrigen Frequenzen (unter 6 GHz) als auch auf Bereichen, die allgemein als Millimeterwellen oder mm-Wellen (höher als 6 GHz) bekannt sind, betrieben werden. Je höher die Frequenz, desto wahrscheinlicher ist es, dass der Benutzer höhere Datenübertragungsgeschwindigkeiten erhält.

5G-Netzwerke bieten daher mehr Kapazität und dienen als Kanal für Internet Service Provider (ISP), die mit kabelgebundenen Internetdiensten konkurrieren können. 5G-Netzwerke ermöglichen auch eine bessere Konnektivität für das Internet der Dinge (IoT), Smart Cities und fortschrittliche Fertigungsprozesse, um nur einige Beispiele zu nennen.

5G erreicht seine erhöhte Kapazität durch die Verwendung von bis zu drei verschiedenen Zelltypen – Makrozellen, Kleinzellen und Femtozellen – mit jeweils einzigartigen Antennendesigns. Einige dieser Antennen bieten höhere Geschwindigkeiten, während andere größere Entfernungen abdecken. Da 5G in verschiedenen Frequenzbändern arbeiten kann, hängt die geeignete Hardware von der bestmöglichen Route für die Benutzer und ihre Daten ab. 5G-Netzwerke sind auch in der Lage, die Latenz zu reduzieren, um eine schnellere Reaktion zu erreichen.