Fresnel-Zonen

sind Rotations-Ellipsoide entlang der Sichtlinie zwischen Sender und Empfänger und Grundlage der Theorie der Beugung und Interferenz von Wellen.
Sie gelten für elektromagnetische Wellen ebenso wie für akustische oder Wasserwellen und entstehen durch die unterschiedliche Weglänge der Wellenfronten, die von einem Hindernis reflektiert oder gebeugt werden kann.

Fresnel-Zonen werden durch Vielfache der halben Wellenlänge definiert. Die erste Fresnel-Zone umfasst den Bereich, in dem die Weglängen Differenz weniger als eine halbe Wellenlänge ist.
Jede nachfolgende Zone hat eine Weglängen-Differenz, die ein Vielfaches der halben Wellenlänge darstellt.
Fresnel-Zonen zeigen wie Hindernisse entlang der Sichtlinie zwischen RX und TX das Signal beeinflussen.

Wenn die reflektierten Wellen in Phase mit der Hauptwelle sind, verstärkt sich das Signal, wenn die reflektierten Wellen aus Phase mit der Hauptwelle sind, schwächen sie das Signal.
Die erste Fresnel-Zone ist die wichtigste, da sie den stärksten Einfluss auf die Signalstärke hat. Ist diese Zone frei von Hindernissen, sind das die Bedingungen für eine gute Signalübertragung.

Die Geometrie der Fresnel-Zonen basiert auf der Annahme, dass Sender und Empfänger durch eine gedachte, direkte Sichtlinie verbunden sind, wobei Sender bzw. Empfänger in den Brennpunkten verankert sind.

Der Radius der n-ten Fresnel-Zone, am Punkt eines Hindernisses, lässt sich berechnen und ist abhängig von der Quadrat-Wurzel der Wellenlänge, den Abstand zwischen Sender und Empfänger und der Entfernung vom Hindernis zum Empfänger.
Höhere Fresnel-Zonen beeinflussen die Signalqualität durch Interferenz. Der Radius der Fresnel-Zone berechnet den Bereich um eine direkte Sichtlinie zwischen Sender und Empfänger, in dem elektromagnetische Wellen ungestört verlaufen können, weil Hindernisse in dieser Zone zu Signalstörungen oder einer Verschlechterung der Signalqualität führen.

Die Energie, die in höheren Fresnel-Zonen enthalten ist, nimmt mit der Entfernung von der Sichtlinie ab und konzentriert sich am stärksten innerhalb der ersten Zone.
In der Funkplanung ist es wichtig, die erste Fresnel-Zonen möglichst frei von Hindernissen zu halten. Dennoch werden höhere Zonen berücksichtigt um Reflexionen und Interferenzen zu vermeiden, wobei auch kleine Hindernisse in höheren Zonen das Signal dämpfen.

Fresnel-Zonen sind entscheidend für die Planung von Richtfunk Verbindungen um die Signalqualität und Zuverlässigkeit wenig zu beeinflussen.

Die Freihaltung der ersten Fresnel-Zone ist von besonderer Bedeutung, da sie den Großteil der Signalenergie enthält. Hindernisse wie Gebäude, Bäume oder Gelände, die in diese Zone hineinragen, dämpfen die Signalübertragung.

Beispiel WLAN:
Die Wellenlänge bei 2,4 GHz beträgt etwa 0,125 m. Für eine Entfernung von 1 km zwischen Sender und Empfänger berechnet sich der Radius der ersten Fresnel-Zone mit einem Hindernis in der Mitte zu
r1 = 8,84 m, das bedeutet, dass im Radius von 8,84 m um die Sichtlinie keine Hindernisse vorhanden sein sollten.

Beispiel:
Bei 7,1 MHz ist die Wellenlänge etwa 42,25 m. Sender und Empfänger seien 5 km voneinander entfernt und das Hindernis liegt genau in der Mitte. Dann berechnet sich die erste Fresnel Zone zu
r1 = 230,45 m.
Ist im 40-Meter-Band die Entfernung zwischen Sender und Empfänger 200 km und das Hindernis genau in der Mitte, dann ist der Radius der ersten Fresnel Zone r1 = 1414,2 m, d.h. damit die Signalübertragung störungsfrei bleibt, muss der Bereich mit einem Radius von ungefähr 1,4 Kilometern um die direkte Sichtlinie frei von Hindernissen sein.

Wer mehr wissen will, sei auf das „Das Taschenbuch der HF-Technik“ von Meinke, Gundlach, Löcherer und Lange hingewiesen.

Dr. Walter Schau, DL3LH