Hochfrequenztechnik: Ein Systemtheoretischer Zugang

ISBN-13: 9783540616672 / Niemiecki / Miękka / 1997 / 626 str.

Michael H. W. Hoffmann

Opis

Dieses grundlegende Lehrbuch fuhrt in die Hochfrequenztechnik mit systemtheoretischen Methoden ein. Dies ermoglicht es, einerseits auf die Darstellung der von vielen Studenten als schwierig empfundenen feldtheoretischen Grundlagen und andererseits auf die dem schnellen technologischen Wandel unterliegende konkrete Hochfrequenz-Schaltungstechnik zu verzichten. Damit schliesst das Werk die Lucke zwischen Mikrowellentechnik, Schaltungstechnik und Systemtheorie der Nachrichtentechnik. Dieses didaktische Konzept wird durch Merksatze, Kapitelzusammenfassungen, Fragen zur Wissensuberprufung und zahlreiche anschauliche Abbildungen und Ubersichten unterstutzt."

Spis treści

1 Einführung.- 1.1 Historischer Vorspann.- 1.2 Themenstellung der Hochfrequenztechnik.- 1.3 Frequenzbereiche und Wellenlängen.- 2 Mathematische Hilfsmittel der HF-Technik (I): Fourier-Reihen und Integral-Transformationen.- 2.1 Fourierreihen.- 2.2 Trigonometrische Approximation nichtperiodischer Funktionen.- 2.3 Fouriertransformation.- 2.4 Laplacetransformation.- 2.5 Zusammenfassung.- 2.6 Übungsaufgaben und Fragen zum Verständnis.- 3 Wellen auf Leitungen.- 3.1 Ein einfaches Leitungsersatzschaltbild.- 3.2 Die eindimensionale Wellengleichung.- 3.3 Harmonische Wellen.- 3.4 Lösung der Telegraphengleichung für verlustarme Leitungen.- 3.5 Beispiele typischer Leitungen.- 3.5.1 Die Koaxialleitung.- 3.5.2 Die Mikrostreifenleitung.- 3.6 Zur Gültigkeit des Leitungsersatzschaltbildes.- 3.7 Normierte Wellen.- 3.8 Zusammenfassung.- 3.9 Übungsaufgaben und Fragen zum Verständnis.- 4 Leitung und Last.- 4.1 Die Leitung endlicher Länge.- 4.2 Der komplexe Reflexionsfaktor.- 4.3 Impedanztransformation durch Leitungen.- 4.4 Stehende Wellen.- 4.5 Zusammenfassung.- 4.6 Aufgaben und Fragen zum Verständnis.- 5 Wellenquellen.- 5.1 Spannungs-und Stromquellen als Wellenquellen.- 5.2 Wellenquellen als Spannungs-und Stromquellen.- 5.3 Anpassung.- 5.4 Der Wirkungsgrad der Quelle.- 5.5 Zusammenfassung.- 5.6 Übungsaufgaben und Fragen zum Verständnis.- 6 Mathematische Hilfsmittel der HF-Technik (II): Geraden und Kreise in der komplexen Ebene.- 6.1 Kurven in der komplexen Ebene.- 6.1.1 Kurvendarstellungen.- 6.1.2 Geraden.- 6.1.3 Kreise.- 6.2 Die Bilineartransformation.- 6.3 Das Smith-Diagramm.- 6.3.1 Das Reflexionsfaktordiagramm für normierte Impedanzen.- 6.3.2 Das Reflexionsfaktordiagramm für normierte Admittanzen.- 6.3.3 Das gemeinsame Reflexionsfaktordiagramm für normierte Impedanzen und normierte Admittanzen.- 6.4 Zusammenfassung.- 6.5 Übungsaufgaben und Fragen zum Verständnis.- 7 Anwendungen der Smith-Chart.- 7.1 Impedanztransformationen mit Hilfe eines Bauelementes.- 7.2 Impedanztransformation mit Hilfe zweier Bauelemente.- 7.3 Frequenzgangdarstellung im Smith-Diagramm.- 7.4 Bestimmung von Stehwellenverhältnis und Anpaßfaktor.- 7.5 Zusammenfassung.- 7.6 Übungsaufgaben und Fragen zum Verständnis.- 8 Beschreibung von N-Toren durch normierte Wellen.- 8.1 N-Tore als Grundlage einer Systemtheorie der Hochfrequenztechnik.- 8.2 Wellen-N-Tore.- 8.3 Lineare zeitinvariante Wellen-N-Tore.- 8.3.1 Streumatrizen.- 8.3.2 Leistungsbeziehungen.- 8.3.3 Transmissionsmatrizen.- 8.3.4 Mischkettenmatrizen.- 8.4 Zusammenfassung.- 8.5 Übungsaufgaben und Fragen zum Verständnis.- 9 Mathematische Hilfsmittel der HF-Technik (III): Signalfluß-Diagramme.- 9.1 Signalflußgraphen.- 9.2 Die Masonregel.- 9.3 Umformung und Reduktion von Signalflußgraphen.- 9.4 Zur Erstellung von Signalflußgraphen.- 9.5 Zusammenfassung.- 9.6 Übungsaufgaben und Fragen zum Verständnis.- 10 Übertragungsfunktionen, Gewinne und Laufzeiten.- 10.1 Übertragungsfunktionen.- 10.1.1 Die systemtheoretische Definition.- 10.1.2 Die Cauersche Betriebsübertragungsfunktion.- 10.1.3 Die idealisierte Übertragungsfunktion.- 10.1.4 Kritik an den vorangegangenen Definitionen.- 10.1.5 Auf der Basis von normierten Wellen definierte Übertragungsfunktionen.- 10.1.6 Übertragungsfunktionen von Kettenschaltungen aus Zweitoren.- 10.1.7 Verallgemeinerung auf beliebige N-Tore.- 10.2 Gewinne und Verluste.- 10.2.1 Definitionen.- 10.2.2 Logarithmische Maße.- 10.2.3 Kritischer Vergleich der Gewinndefinitionen.- 10.2.4 Gewinne von Kettenschaltungen.- 10.3 Lineare Verzerrungen.- 10.3.1 Amplituden-und Phasengang.- 10.3.2 Die Phasenlaufzeit.- 10.3.3 Bandpaßsignale.- 10.3.4 Die Gruppenlaufzeit.- 10.3.5 Verzögerung der Impulsantwort.- 10.4 Zusammenfassung.- 10.5 Übungsaufgaben und Fragen zum Verständnis.- 11 Filter-Prototypen.- 11.1 Einführende Beispiele.- 11.1.1 Ein RL-Tiefpaß.- 11.1.2 Ein RL-Hochpaß.- 11.1.3 Ein RLC-Bandpaß.- 11.1.4 Eine RLC-Bandsperre.- 11.2 Die Filtertheorie als Approximationsaufgabe.- 11.2.1 Toleranzschemata.- 11.2.2 Die Approximationsaufgabe.- 11.2.3 Lösung der Approximationsaufgabe mit rationalen Funktionen.- 11.3 Tiefpaß-Prototypen.- 11.3.1 Potenz- oder Butterworth-Tiefpässe.- 11.3.2 Tschebyscheff-Tiefpässe.- 11.3.3 Tiefpässe mit inverser Tschebyscheff-Charakteristik.- 11.3.4 Cauer-Tiefpässe.- 11.3.5 Bessel-Tiefpässe.- 11.3.6 Tiefpaßprototypen mit Nullstellen-Transformation.- 11.3.7 Tiefpaßprototypen mit Polstellen-Transformation.- 11.4 Transformation von Filter-Prototypen.- 11.4.1 Hochpaß-Tiefpaß-Transformation.- 11.4.2 Bandpaß-Tiefpaß-Transformation.- 11.4.2.1 Symmetrierung der Durchlaßgrenzen.- 11.4.2.2 Symmetrierung der Sperrgrenzen.- 11.4.3 Bandsperren-Tiefpaß-Transformation.- 11.5 Allpässe.- 11.5.1 Rationale Allpaß-Übertragungsfunktionen.- 11.5.2 Abtrennung von Allpässen aus allgemeinen rationalen Übertragungsfunktionen.- 11.5.3 Gruppenlaufzeitentzerrung.- 11.6 Zusammenfassung.- 11.7 Übungsaufgaben und Fragen zum Verständnis.- 12 Synthese verlustarmer Filter.- 12.1 Bauelemente.- 12.1.1 Idealisierte Kapazitäten.- 12.1.2 Idealisierte Induktivitäten.- 12.1.3 Reale Kapazitäten und Induktivitäten.- 12.1.4 Übertrager.- 12.1.5 Idealisierte Leitungsbauelemente.- 12.1.6 Leitungsbauelemente in realen Schaltungen.- 12.2 Betriebsparameter.- 12.3 Synthesealgorithmen.- 12.3.1 Tiefpässe.- 12.3.1.1 Abbau von Polen im Unendlichen.- 12.3.1.2 Abbau von Polen im Endlichen.- 12.3.2 Hochpässe, Bandpässe und Bandsperren.- 12.3.3 Dimensionierung von Filtern mit Hilfe von Formelsammlungen.- 12.3.3.1 Tiefpaß-Normierungen.- 12.3.3.2 Potenz-Tiefpässe.- 12.3.3.3 Tschebyscheff-Tiefpässe.- 12.4 Filter mit Impedanz- und Admittanzinvertern.- 12.4.1 Invertertheorie.- 12.4.2 Inverterschaltungen mit konzentrierten Bauelementen.- 12.4.3 Inverterschaltungen mit Leitungen.- 12.4.4 Idealisierte Inverter in Filterschaltungen.- 12.4.5 Filterschaltungen mit realen Invertern.- 12.5 Filter mit kommensurablen Leitungen.- 12.6 Zusammenfassung.- 12.7 Übungsaufgaben und Fragen zum Verständnis.- 13 Leistungsverteilung.- 13.1 Verlustlose Leitungsverzweigungen.- 13.2 Zirkulatoren.- 13.3 Leistungsverteilung mit Übertragern.- 13.4 Leistungsteiler vom Wilkinson-Typ.- 13.4.1 Der Original-Wilkinson-Teiler.- 13.4.2 Modifizierte Wilkinson-Teiler.- 13.5 Koppler.- 13.5.1 Vorüberlegungen.- 13.5.2 Koppler aus Leitungsverzweigungen.- 13.5.2.1 Viertorkoppler aus Zweigleitungen.- 13.5.2.2 Ein 90°-Hybrid.- 13.5.2.3 Der Rat-Race-Koppler.- 13.5.2.4 Zweigleitungskoppler mit optimiertem Frequenzverhalten.- 13.5.3 Koppler mit Feldverkopplung.- 13.5.4 Die Gabelschaltung.- 13.6 Übersprechen.- 13.7 Zusammenfassung.- 13.8 Übungsaufgaben und Fragen zum Verständnis.- 14 Lineare Verstärker.- 14.1 Grundlegendes und Definitionen.- 14.2 Maximal verfügbarer Gewinn und Stabilität.- 14.3 Stabilitätskreise.- 14.3.1 Kreise als geometrische Grenzorte für Stabilität.- 14.3.2 Stabilitätsabschätzungen.- 14.3.3 Der Stabilitätsfaktor.- 14.4 Kreise konstanten effektiven Leistungsgewinns.- 14.4.1 Gewinnkreise in der Reflexionsfaktorebene der Last.- 14.4.2 Kreise konstanten Gewinns in der Ebene des Eingangsreflexionsfaktors.- 14.5 Obere Gewinnschranken.- 14.6 Rückkopplung.- 14.6.1 Rückwirkung.- 14.6.2 Rückgekoppelte Zweitore.- 14.6.3 Neutralisation.- 14.7 Gütemaße.- 14.8 Zusammenfassung.- 14.9 Übungsaufgaben und Fragen zum Verständnis.- 15 Gleichrichter, Mischer und Frequenzumsetzer.- 15.1 Gleichrichter.- 15.1.1 Das Grundprinzip.- 15.1.2 Baugruppen mit nichtlinearem Verhalten.- 15.1.3 Die Halbleiterdiode als Gleichrichter.- 15.1.4 Eine einfache Gleichrichterschaltung mit Diode.- 15.1.5 Das Verfahren der harmonischen Balance.- 15.1.6 Gleichrichterverhaltenbei zeitvarianter Amplitude des HF-Signals.- 15.1.7 Vollweg-Gleichrichter.- 15.2 Mischer und Frequenzumsetzer.- 15.2.1 Wozu benötigt man Frequenzumsetzer?.- 15.2.2 Klassifikationen.- 15.2.3 Multiplikative Frequenzumsetzer und Modulatoren.- 15.2.4 Das Spiegelfrequenzproblem.- 15.2.5 Multiplikative Modulatoren.- 15.2.6 Phasendetektion.- 15.2.7 Die Halbleiterdiode als Mischer.- 15.2.8 Frequenzumsetzer mit Mischerdioden.- 15.2.8.1 Frequenzumsetzer mit Eintaktmischer.- 15.2.8.2 Frequenzumsetzer mit einfachem Gegentaktmischer.- 15.2.8.3 Frequenzumsetzer mit Ringmischer.- 15.2.8.4 Frequenzumsetzer bei Mikrowellenfrequenzen.- 15.3 Zusammenfassung.- 15.4 Übungsaufgaben und Fragen zum Verständnis.- 16 Mathematische Hilfsmittel der HF-Technik (IV): Wahrscheinlichkeitstheorie.- 16.1 Statistische Wahrscheinlichkeitstheorie.- 16.1.1 Einleitende Gedanken.- 16.1.2 Zufällige Ereignisse und Ergebnisse.- 16.1.3 Zufallsvariable und die Arbeitshypothese der Statistik.- 16.1.4 Mittelwerte und relative Häufigkeiten.- 16.1.5 Wahrscheinlichkeiten als relative Häufigkeiten.- 16.1.6 Mengenformulierung der Wahrscheinlichkeit.- 16.1.7 Bedingte Wahrscheinlichkeit.- 16.1.8 Wahrscheinlichkeitsverteilung und -dichte.- 16.2 Axiomatische Wahrscheinlichkeitstheorie.- 16.2.1 Die Schwächen der statistischen Wahrscheinlichkeitstheorie.- 16.2.2 Axiome und Definitionen der Kolmogorowschen Theorie.- 16.2.3 Erwartungswerte und Korrelation.- 16.2.4 Transformation von Zufallsvariablen.- 16.2.5 Stochastische Prozesse.- 16.3 Zusammenfassung.- 16.4 Übungsaufgaben und Fragen zum Verständnis.- 17 Elektronisches Rauschen.- 17.1 Physikalische Grundlagen und mathematische Modellierung.- 17.1.1 Mathematische Modellierung elektronischen Rauschens.- 17.1.2 Physikalische Ursachen von Rauschprozessen.- 17.1.2.1 Thermisches Rauschen.- 17.1.2.2 Schrotrauschen.- 17.1.2.3 Generations-Rekombinations-Rauschen.- 17.1.2.4 1/f-Rauschen.- 17.1.2.5 Empfangsrauschen.- 17.2 Rauschen in linearen N-Toren.- 17.2.1 Rauschwellen.- 17.2.2 Eintore.- 17.2.3 Zweitore.- 17.2.3.1 Übertragung von Rauschen durch Zweitore.- 17.2.3.2 Rauschquellen in Zweitoren.- 17.2.3.3 Die spektrale Rauschtemperatur eines Zweitors.- 17.2.3.4 Die Rauschtemperatur einer Kettenschaltung aus linearen Zweitoren.- 17.2.3.5 Die Rauschzahl eines Zweitores.- 17.2.3.6 Die Standard-Rauschzahl eines Dämpfungsgliedes mit ohmschen Verlusten.- 17.2.3.7 Das Rauschmaß nach Haus und Adler.- 17.2.3.8 Messung der Rauschzahl.- 17.2.3.9 Minimale Rauschtemperatur und optimaler Generatorreflexionsfaktor.- 17.2.4 Frequenzumsetzer.- 17.2.4.1 Der Zweitor-Umsetzer.- 17.2.4.2 Der Dreitor-Umsetzer.- 17.3 Zusammenfassung.- 17.4 Übungsaufgaben und Fragen zum Verständnis.- A Fourier- und Laplacetransformation.- A.1 Fouriertransformation.- A.1.1 Die Fouriertransformation als Funktionaltransformation.- A.1.2 Sätze und Korrespondenzen der Fouriertransformation.- A.2 Die einseitige Laplacetransformation.- A.2.1 Die Definition der Laplacetransformation.- A.2.2 Sätze der Laplacetransformation.- A.2.3 Einige Korrespondenzen der Laplacetransformation.- B Dimensionierung von Mikrostreifenleitungen.- C Daten des GaAs-MESFET F135.- D Hermitesche Formen und unitäre Abbildungen.- D.1 Formen.- D.2 Der unitäre Raum.- E Umrechnungstabelle der Matrizen zur Zweitorbeschreibung.- F Spezielle Funktionen der Filtertheorie.- F.1 Tschebyscheff-Polynome.- F.2 Prototypfunktionen für Cauer-Tiefpässe.- F.3 Bessel-Polynome.- G Zweipolfunktionen.- G.1 Definition und allgemeine Eigenschaften.- G.2 Reaktanzzweipole.- G.2.1 Partialbruchzerlegungen.- G.2.2 Das Fostersche Reaktanztheorem.- G.2.3 Kettenbruchentwicklungen.- G.2.4 Ein Stabilitätstheorem.- Literatur.

Blurb

Dieses grundlegende Lehrbuch führt in die Hochfrequenztechnik mit systemtheoretischen Methoden ein. Dies ermöglicht es, einerseits auf die Darstellung der schwierigen feldtheoretischen Grundlagen und andererseits auf die dem schnellen technologischen Wandel unterliegende konkrete Hochfrequenz-Schaltungstechnik zu verzichten. Damit schließt das Werk die Lücke zwischen Mikrowellentechnik, Schaltungstechnik und Systemtheorie der Nachrichtentechnik. Dieses didaktische Konzept wird durch Merksätze, Kapitelzusammenfassungen, Fragen zur Wissensüberprüfung und zahlreiche anschauliche Abbildungen und Übersichten unterstützt.