ISBN: 3540417907
TITLE: Hchsfrequenztechnik
AUTHOR: Gronau
TOC:

1 Einleitung 1
1.1 Die Beschreibung einer Kommunikationsverbindung 7
1.2 Der Empfnger als Beispiel einer HF-Schaltung 11
2 Grundlagen zur Feldberechnung 26
2.1 Die Maxwellschen Gleichungen 26
2.2 Leistung, Energie und Poyntingvektor 28
2.3 Lsung der Maxwellschen Gleichungen 30
2.3.1 Allgemeine Lsung der Wellengleichung 33
2.4 Harmonische Zeitabhngigkeit der Felder 34
2.5 Stetigkeitsbedingungen fr Feldgren 36
2.6 Einfhrung fiktiver magnetischer Quellen 37
2.7 Das Huygenssche Prinzip 45
2.8 Bildtheorie 47
2.9 Reziprozittsgesetz 47
3 Wellenleiter 53
3.1 Feldverteilung in Wellenleitern 55
3.1.1 Lsung der homogenen Wellengleichung 56
3.1.1.1 Lsung in kartesischen Koordinaten 59
3.1.1.2 Lsung in Zylinderkoordinaten 61
3.1.2 Klassifizierung der Feldtypen 62
3.1.2.1 Die TEM-Welle 63
3.1.2.1.1 Die Wellenzahl der TEM-Welle 64
3.2 Wellenausbreitung auf TEM-Leitungen 67
3.2.1 Die ideale Koaxialleitung 69
3.2.2 Strme und Spannungen auf der TEM-Leitungen 76
3.2.3 Das Ersatzschaltbild der TEM-Leitung 85
3.3 Die schwach verlustbehaftete Leitung 92
3.3.1 Die Berechnung der Leiterverluste 93
3.3.2 Leitungsersatzschaltbildfr schwache Verluste 101
3.4 Leitungstheorie 102
3.4.1 Betrachtung der Leitungskenngren 104
3.5 Die Leitung als Schaltungselement 108
3.5.1 Der lambda/4-Transformator 113
3.5.2 Das kurze Leitungselement 114
3.5.3 Die leerlaufende oder kurzgeschlossene Leitung 116
3.5.3.1 Die leerlaufende Leitung 116
3.5.3.1.1 Die kurze leerlaufende Leitung 117
3.5.3.1.2 Die leerlaufende Leitung der Lnge l=i*lambda/4 117
3.5.3.2 Die kurzgeschlossene Leitung 120
3.5.3.2.1 Die kurze kurzgeschlossene Leitung 120
3.5.3.2.2 Die kurzgeschlossene Leitung der Lnge l=i*lambda/4 121
4 Wellengren 125
4.1 Leistungswellen auf Leitungen 125
4.1.1 Leistungstransport auf Leitungen 131
4.1.2 Die Leitung als Zweitor 132
4.2 Eintorparameter 133
4.2.1 Eintorparameter der Abschluimpedanz 134
4.2.2 Eintorparameter der Quelle 135
4.3 Zweitorparameter 138
4.3.1 Streumatrix des Zweitors 138
4.3.2 Kettenstreumatrix des Zweitors 141
4.3.2.1 Berechnung der Kettenstreuparameter aus den Streuparametern 142
4.3.2.2 Berechnung der Streuparameter aus den Kettenstreuparametern 143
4.4 Streuparameter des n-Tors 144
4.4.1 n-Tor Eigenschaften 147
4.4.1.1 Reziproke n-Tore 147
4.4.1.2 Verlustlose n-Tore 150
4.4.2 Prinzipielles Verhalten technischer n-Tore 152
4.4.2.1 Eintore 152
4.4.2.1.1 Leerlauf 152
4.4.2.1.2 Kurzschlu 153
4.4.2.1.3 Reflexionsfreier Abschlu 154
4.4.2.2 2-Tore 156
4.4.2.2.1 Leitung 157
4.4.2.2.2 Der Wellenwiderstandssprung 158
4.4.2.2.3 Queradmittanz, Lngsimpedanz 160
4.4.2.2.4 Phasenschieber 163
4.4.2.2.5 Dmpfungsglieder 164
4.4.2.2.6 Filter 165
4.4.2.2.7 Anpassungsnetzwerke 166
4.4.2.2.8 bergnge, Wellentypwandler 167
4.4.2.2.9 Richtungsleiter 168
4.4.2.2.10 Dioden 168
4.4.2.2.11 Detektoren 169
4.4.2.2.12 Die Wellenquelle als Zweitor 170
4.4.2.3 3-Tore 176
4.4.2.3.1 Die Verzweigung 176
4.4.2.3.2 Die Meleitung 178
4.4.2.3.3 Der Zirkulator 179
4.4.2.3.4 Transistoren 180
4.4.2.4 4-Tore 183
4.4.2.4.1 Kreuzverzweigung 183
4.4.2.4.2 Die gekoppelte Leitung 183
4.4.2.4.3 Koppler 184
5 Verfahren zur Schaltungsanalyse 190
5.1 Analyse mit Hilfe des Signalfludiagramms 190
5.1.1 Grundlagen zur Analyse von Signalfludiagrammen 192
5.1.2 Leistungsanpassung 200
5.2 Schaltungsentwurf mit Hilfe des Smith-Charts 202
5.2.1 Herleitung des Smith-Charts 202
5.3 Schaltungsanalyse im Smith-Chart 209
5.3.1 Spannungs- und Stromverteilung auf der Leitung 211
5.3.2 Beispiele zur Schaltungsanalyse 214
5.3.2.1 Analyse eines lambda/4-Transformators 214
5.3.2.2 Analyse einer Stichleitung 217
5.4 Zweitoranalyse 219
5.4.1 Leistungsverstrkung 225
5.4.1.1 Unilaterale Leistungsverstrkung 225
5.4.1.2 Verfgbare Leistungsverstrkung 226
5.4.2 Stabilitt von Zweitoren 232
5.4.3 Rauschen 243
5.4.3.1 Rauschen als ergodischer Proze 244
5.4.3.1.1 Einfhrung der Korrelationsfunktion 244
5.4.3.1.2 Einfhrung des Korrelationsspektrums 245
5.4.3.2 Der rauschende Zweipol 249
5.4.3.3 Die Theorie rauschender Zweitore 252
5.4.3.4 Die Rauschzahl des Zweitors 256
5.4.3.5 Rauschzahl von kaskadierten Zweitoren 258
5.4.3.6 Berechnung der Rauschkenngren von Zweitoren 259
5.4.3.7 Der quivalente Rauschvierpol als Wellenvierpol 267
5.4.3.7.1 Berechnung der Rauschkenngren aus der Wellendarstellung 272
5.4.3.8 Analyse rauschender Zweitore mit Korrelationsspektren 277
6 Streifenleitungstechnik 288
6.1 Einfhrung 288
6.2 Aufbau verschiedener Streifenleitungsbauformen 289
6.3 Materialien zur Herstellung von Streifenleitungen 290
6.3.1 Substratmaterialien 291
6.3.2 Leitermaterialien 292
6.4 Wellentypen auf Streifenleitungen 293
6.4.1 TEM-Wellen 293
6.4.2 Hybride Wellen und Quasi-TEM-Wellen 293
6.4.3 Grundwellen und hhere Wellentypen 294
6.5 Quasi-TEM-Verhalten der Mikrostreifenleitung 295
6.5.1 Berechnung von epsilon_r,eff und Z_W 298
6.5.1.1 Statische Analyse 299
6.5.1.2 Dynamische Analyse 301
6.5.2 Magnetisches Wandmodell 305
6.5.3 Dmpfung auf der Mikrostreifenleitung 307
6.6 Mikrostreifenleitungs-Diskontinuitten 307
6.6.1 Leerlaufende Mikrostreifenleitung 308
6.6.2 Kurzschlu 314
6.6.3 Wellenwiderstandssprung 314
6.6.4 Leitungsknick 316
6.6.4.1 Rechtwinkliger Leitungsknick 317
6.6.5 Spalt in der Mikrostreifenleitung 317
6.6.6 Rechtwinklige Verzweigung, T-Verzweigung 318
6.6.7 Kreuzverzweigung 320
6.7 Die gekoppelte Mikrostreifenleitung 320
6.8 Mikrostreifenleitungskomponenten 325
6.9 Konzentrierte Mikrostreifenleitungsbauelemente 327
6.9.1 Spulen in Mikrostreifenleitungstechnik 327
6.9.2 Kondensatoren in Mikrostreifenleitungstechnik 328
6.10 Mikrostreifenleitungsresonator als Strahlerelement 329
7 Elektronische Bauelemente 332
7.1 Halbleiterdioden 333
7.1.1 Schottky-Diode 333
7.1.1.1 Bestimmung der Ersatzschaltbildelemente 336
7.1.2 Varaktordiode 341
7.1.3 PIN-Diode 341
7.1.4 Tunneldiode, Tunnel-Effekt 342
7.1.5 Backward-Diode 343
7.1.6 Gunn-Diode (Gunn-Element) 343
7.1.7 Impatt-Diode 344
7.2 Transistoren 344
7.2.1 Bipolartransistoren 345
7.2.2 Feldeffekttransistoren 348
8 HF-Metechnik 349
8.1 Streuparametermetechnik 349
8.1.1 Darstellung der Meprinzipien 35 1
8.1.2 Vorstellung von Fehlermodellen und Kalibriertechniken 369
8.1.3 Eintor-Kalibrierung (SOL; Short, Open, Load) 369
8.1.4 Zweitor-Kalibrierung 378
8.1.4.1 Fehlermodelle 378
8.1.4.1.1 12-Term Fehlermodell 378
8.1.4.1.2 8-Term Fehlermodell 380
8.1.4.1.3 berfhrung des 8-Term Fehlermodells in das 12-Term Fehlermodell 380
8.1.4.2 SOLT-Kalibrierung 381
8.1.4.2.1 Charakterisierung des Meobjektes 382
8.1.4.3 TRL(LRL)-Kalibrierung 389
8.1.4.3.1 Beschreibung des TRL(LRL)-Verfahrens 390
8.1.4.3.2 Charakterisierung der Fehlerzweitore 393
8.1.4.3.3 Anmerkungen zur TRL-Kalibrierung 399
8.1.4.3.4 Charakterisierung unbekannter Meobjekte 402
8.1.4.3.5 Dimensionierung der Lange des Line-Standards 404
8.1.4.3.6 Bezugsebenenverschiebung 405
8.1.4.4 TRM(LRM)-Kalibrierung 408
8.1.4.5 Kalibrierung mit Hilfe der Zeitbereichsoption 414
8.2 Rauschzahlmetechnik 426
8.2.1 Die Einfhrung der effektiven Rauschtemperatur T_epsilon 427
8.2.2 Kalibrierung des Rauschzahlmegertes 428
8.2.3 Die metechnische Bestimmung der Rauschkenngren 430
8.2.3.1 Bestimmung der Rauschkenngren aus Rauschzahlmessungen 431
8.2.3.1.1 Direkte Messung der Rauschkenngren 431
8.2.3.1.2 Berechnung der Rauschkenngren aus Rauschzahlmessungen 432
8.2.3.2 Die Bestimmung der Rauschkenngren aus Rauschleistungsmessungen 434
8.2.4 Beschreibung eines Rauschparametermesystems 437
9 Antennen 442
9.1 Einfhrung 442
9.2 bersicht ber planare Antennenstrukturen 443
9.2.1 Mikrostreifenleitungsantenne 443
9.2.2 Antennen auf der Basis der Koplanar-Streifenleitung 446
9.2.3 Antennen auf der Basis der "Suspended Strip"-Leitung 446
9.2.4 Finleitungsantennen 447
9.3 Grundlagen zur Antennenberechnung 448
9.3.1 Antennen im bertragungssystem 448
9.3.2 Eigenschaften elementarer Strahlertypen 450
9.3.2.1 Hertzscher Dipol 450
9.3.2.1.1 Strahlungsfeld des Hertzschen Dipols 450
9.3.2.1.2 Strahlungswiderstand des Hertzschen Dipols 464
9.3.2.2 Der ideale lineare Strahler 465
9.3.2.2.1 Strahlungsdiagramm des idealen, linearen Strahlers 469
9.3.2.2.2 Kenngren des idealen linearen Strahlers470
9.3.2.3 Der Faltdipol 474
9.3.3 Der ideale lineare Strahler als Empfangsantenne 477
9.3.4 Polarisation 481
9.3.5 Die wirksame Antennenflche 484
9.4 Strahlergruppen 486
9.4.1 Beschreibung des Fernfeldes planarer Gruppenantennen 487
9.4.1 .l Antennen mit gleichen Strahlerabstnden 492
9.4.1.1.1 Antennen mit konstanter Amplitudenbelegung 493
9.4.1.1.2 Antennen mit nicht konstanter Amplitudenbelegung 495
9.4.1.2 Antennen mit ungleichen Strahlerabstnden 497
9.5 Streifenleitungsantennen 498
9.5.1 Der Streifenleitungsresonator als Strahlerelement 499
9.5.1.1 Strahlungseigenschaften des lambda/2-Resonators 500
9.5 1.2 Impedanzverhalten des Streifenleitungsresonators 515
9.5.1.2.1 Entwicklung des inneren Feldes nach Eigenfeldtypen 518
9.5.1.2.2 Das Leitungsersatzschaltbild 522
9.5.1.2.3 Impedanzberechnung mit Hilfe des Spektralbereichsverfahrens 528
9.5.1.2.3.1 Berechnung der Greenschen Dyade 531
9.5.1.2.3.2 Bercksichtigung elektrischer Strme als Quellen 541
9.5.1.2.3.3 Bercksichtigung magnetischer Strme als Quellen 543
9.5.1.2.3.4 Eingangsimpedanz des lambda/2-Resonators 546
9.5.1.2.3.5 Das Fernfeld des lambda/2-Resonators 555
9.5.2 Strahlergruppen in Mikrostreifenleitungstechnik 563
9.5.2.1 Konzepte fr Streifenleitungsantennen 563
9.5.2.1.1 Antennen mit gleichen Strahlerabstnden 563
9.5.2.1.2 Antennen mit ungleichen Strahlerabstnden 568
9.5.2.2 Verkopplung von Streifenleitungsresonatoren 571
9.5.2.2.1 Beschreibung einer realen Gruppenantenne 572
9.5.2.2.1.1 Bestimmung der Impedanzmatrix der Strahlergruppe 574
9.5.2.2.1.2 Fernfeld verkoppelter Strahler 578
9.5.2.2.1.3 Ergebnisse zur Verdeutlichung der Verkopplung 579
9.5.3 Sonderbeitrge der Streifenleitungs-Antennentechnik 585
A Grundlagen der Vektoranalysis 596
A.1 Einfhrung 596
A.1.1 Das skalare Feld 596
A.1.2 Das Vektorfeld 596
A.1.3 Koordinatensysteme 598
A.2 Eigenschaften skalarer Felder 599
A.2.1 Der Gradient eines skalaren Feldes 599
A.3 Eigenschaften von Vektorfeldern 603
A.3.1 Die Divergenz 603
A.3.1.1 Satz von Gau 606
A.3.1.2 Stze von Green 607
A.3.2 Die Rotation 608
A.3.2.1 Satz von Stokes 613
A.4 Differentielle Operatoren 614
A.5 Zusammenstellung mathematischer Formeln 615
A.5.1 Allgemeine Vektorrechnung 615
A.5.2 Koordinatensysteme 615
A.5.2.1 Kartesische Koordinaten (x, y, z) 615
A.5.2.2 Zylinderkoordinaten (r, alpha, z) 616
A.5.2.3 Kugelkoordinaten (r, vartheta, alpha) 617
A.5.3 Integralstze 618
A.5.4 Umformungen der Differentialoperatoren 619
A.5.4.1 Umformungen des Gradienten 619
A.5.4.2 Umformungen der Divergenz 619
A.5.4.3 Umformungen der Rotation 619
B Zweitorparameter 620
B 1 Bestimmung der Matrizenelemente 621
B.1.1 Bestimmung der Impedanzparameter 621
B.1.2 Bestimmung der Admittanzparameter 622
B.1.3 Bestimmung der Kettenparameter 623
B.2 Umrechnung der Zweitorparameter 623
B.3 Einfache Zweitorersatzschaltungen 625
B.3.1 Die T-Ersatzschaltung 626
B.3.2 Die n-Ersatzschaltung 627
B.4 Zusammenschaltung von Zweitoren 627
B.4.1 Reihenschaltung 628
B.4.2 Parallelschaltung 629
B.4.3 Kettenschaltung 631
B.5 Reziprozitt bei Zweitoren 632
C Antennenkenngren 634
C.1 Richtcharakteristik, Strahlungsdiagramm 634
C.2 Polarisation 634
C.3 Hauptstrahlrichtung 635
C.4 Halbwertsbreite, ffnungswinkel, Hauptkeulenbreite 635
C.5 Nebenmaximum, Nebenzipfel 635
C.6 Nebenzipfelamplitude 635
C.7 Strahlungsdichte 635
C.8 Abgestrahlte Leistung 636
C.9 Strahlstarke, Strahlungsintensitt 636
C.10 quivalenter Raumwinkel 636
C.11 Richtfaktor, Directivity 637
C.12 Wirkungsgrad, 637
C.13 Gewinn 637
C.14 Antennenwirkflche 637
C.15 bertragungsfaktor einer bertragungsstrecke 638
D Greenschen Dyaden 639
Literaturverzeichnis 643
Stichwortverzeichnis 655
END
