Höchstfrequenztechnik: Grundlagen, Schaltungstechnik, Messtechnik, Planare Antennen

ISBN-13: 9783642626067 / Niemiecki / Miękka / 2012 / 660 str.

Gregor Gronau

Opis

Das vorliegende Werk ist eine Zusammenstellung der Grundlagen der Hochstfrequenztechnik. Die bewusst gewahlte, umfangreiche Darstellung der Zusammenhange sowie die weitgehend vollstandige Angabe der Herleitungen dient zum einen dazu, dass der unbedarfte Leser die Moglichkeit erhalt, sich in die komplizierten Bereiche der Hochstfrequenztechnik einzuarbeiten. Zum anderen kann diese Zusammenfassung als Nachschlagewerk benutzt werden. So sind neben den einfuhrenden Grundlagen fur Studierende die Spezialgebiete Mikrowellenmesstechnik, Streifenleitungstechnik und Streifenleitungs-Antennentechnik fur den erfahreneren Ingenieur vorgesehen. Im Vordergrund bei den Herleitungen steht aber stets eine komplette Darstellung und eine einfache Nachvollziehbarkeit."

Spis treści

1 Einleitung.- 1.1 Die Beschreibung einer Kommunikationsverbindung.- 1.2 Der Empfänger als Beispiel einer HF-Schaltung.- 2 Grundlagen zur Feldberechnung.- 2.1 Die Maxwellschen Gleichungen.- 2.2 Löstung, Energie und Poyntingvektor.- 2.3 Lösung der Maxwellschen Gleichungen.- 2.3.1 Allgemeine Lösung der Wellengleichung.- 2.4 Harmonische Zeitabhängigkeit der Felder.- 2.5 Stetigkeitsbedingungen für Feldgrößen.- 2.6 Einführung fiktiver magnetischer Quellen.- 2.7 Das Huygenssche Prinzip.- 2.8 Bildtheorie.- 2.9 Reziprozitätsgesetz.- 3 Wellenleiter.- 3.1 Feldverteilung in Wellenleitern.- 3.1.1 Lösung der homogenen Wellengleichung.- 3.1.1.1 Lösung in kartesischen Koordinaten.- 3.1.1.2 Lösung in Zylinderkoordinaten.- 3.1.2 Klassifizierung der Feldtypen.- 3.1.2.1 DieTEM-Welle.- 3.1.2.1.1 Die Wellenzahl der TEM-Welle.- 3.2 Wellenausbreitung auf TEM-Leitungen.- 3.2.1 Die ideale Koaxialleitung.- 3.2.2 Ströme und Spannungen auf der TEM-Leitungen.- 3.2.3 Das Ersatzschaltbild der TEM-Leitung.- 3.3 Die schwach verlustbehaftete Leitung.- 3.3.1 Die Berechnung der Leiterverluste, der ebene Skineffekt.- 3.3.2 Leitungsersatzschaltbild für schwache Verluste.- 3.4 Leitungstheorie.- 3.4.1 Betrachtung der Leitungskenngrößen.- 3.5 Die Leitung als Schaltungselement.- 3.5.1 Der ?/4-Transformator.- 3.5.2 Das kurze Leitungselement.- 3.5.3 Die leerlaufende oder kurzgeschlossene Leitung.- 3.5.3.1 Die leerlaufende Leitung.- 3.5.3.1.1 Die kurze leerlaufende Leitung.- 3.5.3.1.2 Die leerlaufende Leitung der Lange $$ \ell = i\frac{\lambda } $$.- 3.5.3.2 Die kurzgeschlossene Leitung.- 3.5.3.2.1 Die kurze kurzgeschlossene Leitung.- 3.5.3.2.2 Die kurzgeschlossene Leitung der Längee $$ \ell = i\frac{\lambda } $$.- 4 Wellengrößen.- 4.1 Leistungswellen auf Leitungen.- 4.1.1 Leistungstransport auf Leitungen.- 4.1.2 Die Leitung als Zweitor.- 4.2 Eintorparameter.- 4.2.1 Eintorparameter der Abschlußimpedanz.- 4.2.2 Eintorparameter der Quelle.- 4.3 Zweitorparameter.- 4.3.1 Streumatrix des Zweitors.- 4.3.2 Kettenstreumatrix des Zweitors.- 4.3.2.1 Berechnung der Kettenstreuparameter aus den Streuparametem.- 4.3.2.2 Berechnung der Streuparameter aus den Kettenstreuparametem.- 4.4 Streuparameter des n-Tors.- 4.4.1 n-Tor Eigenschaften.- 4.4.1.1 Reziproke n-Tore.- 4.4.1.2 Verlustlose n-Tore.- 4.4.2 Prinzipielles Verhalten technischer n-Tore.- 4.4.2.1 Eintore.- 4.4.2.1.1 Leerlauf.- 4.4.2.1.2 Kurzschluß.- 4.4.2.1.3 Reflexionsfreier Abschluß, Wellensumpf.- 4.4.2.2 2-Tore.- 4.4.2.2.1 Leitung.- 4.4.2.2.2 Der Wellenwiderstandssprung.- 4.4.2.2.3 Queradmittanz, Längsimpedanz.- 4.4.2.2.4 Phasenschieber.- 4.4.2.2.5 Dämpfungsglieder.- 4.4.2.2.6 Filter.- 4.4.2.2.7 Anpassungsnetzwerke..- 4.4.2.2.8 Ubergange, Wellentypwandler.- 4.4.2.2.9 Richtungsleiter.- 4.4.2.2.10 Dioden.- 4.4.2.2.11 Detektoren.- 4.4.2.2.12 Die Wellenquelle als Zweitor.- 4.4.2.3 3-Tore.- 4.4.2.3.1 Die Verzweigung.- 4.4.2.3.2 Die Meßleitung.- 4.4.2.3.3 Der Zirkulator.- 4.4.2.3.4 Transistoren.- 4.4.2.4 4-Tore.- 4.4.2.4.1 Kreuzverzweigung, Leitungskreuzung.- 4.4.2.4.2 Die gekoppelte Leitung.- 4.4.2.4.3 Koppler.- 5 Verfahren zur Schaltungsanalyse.- 5.1 Analyse mit Hilfe des Signalflußdiagramms.- 5.1.1 Grundlagen zur Analyse von Signalflußdiagrammen.- 5.1.2 Leistungsanpassung.- 5.2 Schaltungsentwurfmit Hilfe des Smith-Charts.- 5.2.1 Herleitung des Smith-Charts.- 5.3 Schaltungsanalyse im Smith-Chart.- 5.3. Spannungs- und Stromvertei1ung auf der Leitung.- 5.3.2 Beispiele zur Schaltungsanalyse (Anpassungsnetzwerke).- 5.3.2.1 Analyse eines ?/4-Transformators.- 5.3.2.2 Analyse einer Schaltung mit einer Stichleitung.- 5.4 Zweitoranalyse.- 5.4.1 Leistungsverstärkung.- 5.4.1.1 Uni1aterale Leistungsverstärkung.- 5.4.1.2 Verfiigbare Leistungsverstärkung.- 5.4.2 Stabilität von Zweitoren.- 5.4.3 Rauschen.- 5.4.3.1 Rauschen als ergodischer Prozeß.- 5.4.3.1.1 Einführung der Korrelationsfunktion.- 5.4.3.1.2 Einführung des Korrelationsspektrums.- 5.4.3.2 Der rauschende Zweipol.- 5.4.3.3 Die Theorie rauschender Zweitore.- 5.4.3.4 Die Rauschzahl des Zweitors.- 5.4.3.5 Rauschzahl von kaskadierten Zweitoren.- 5.4.3.6 Berechnung der Rauschkenngrößen von Zweitoren.- 5.4.3.7 Der aquivalente Rauschvierpol als Wellenvierpol.- 5.4.3.7.1 Berechnung der Rauschkenngrößen aus der Wellendarstellung.- 5.4.3.8 Analyse rauschender Zweitore mit Korrelationsspektren.- 6 Streifenleitungstechnik.- 6.1 Einführung.- 6.2 Aufbau verschiedener Streifenleitungsbauformen.- 6.3 Materialien zur Herstellung von Streifenleitungen.- 6.3.1 Substratmaterialien.- 6.3.2 Leiterrnaterialien.- 6.4 Wellentypen auf Streifenleitungen.- 6.4.1 TEM-Wellen.- 6.4.2 Hybride Wellen und Quasi-TEM-Wellen.- 6.4.3 Grundwellen und höhere Wellentypen.- 6.5 Quasi-TEM-Verhalten der Mikrostreifenleitung.- 6.5.1 Berechnung von ?r,e f f und Zw.- 6.5.1.1 Statische Analyse der Mikrostreifenleitung.- 6.5.1.2 Dynamische Analyse der Mikrostreifenleitung.- 6.5.2 Magnetisches Wandmodell.- 6.5.3 Dämpfung auf der Mikrostreifenleitung.- 6.6 Mikrostreifenleitungs-Diskontinuitäten.- 6.6.1 Leerlaufende Mikrostreifenleitung.- 6.6.2 Kurzschluß.- 6.6.3 Wellenwiderstandssprung.- 6.6.4 Leitungsknick.- 6.6.4.1 Symmetrischer, rechtwinkliger Leitungsknick.- 6.6.5 Spalt in der Mikrostreifenleitung.- 6.6.6 Rechtwinklige Verzweigung, T-Verzweigung.- 6.6.7 Kreuzverzweigung.- 6.7 Die gekoppelte Mikrostreifenleitung.- 6.8 Mikrostreifenleitungskomponenten.- 6.9 Konzentrierte Mikrostreifen1eitungsbauelemente.- 6.9.1 Spulen in Mikrostreifen1eitungstechnik.- 6.9.2 Kondensatoren in Mikrostreifenleitungstechnik.- 6.10 Mikrostreifenleitungsresonator als Strahlerelement.- 7 Elektronische Bauelemente.- 7.1 Ha1bleiterdioden.- 7.1.1 Schottky-Diode.- 7.1.1.1 Bestimmung der Ersatzschaltbildelemente.- 7.1.2 Varaktordiode.- 7.1.3 PIN-Diode.- 7.1.4 Tunneldiode, Tunnel-Effekt.- 7.1.5 Backward-Diode.- 3.1.6 Gunn-Diode (Gunn-Element).- 7.1.7 Impatt-Diode.- 7.2 Transistoren.- 7.2.1 Bipolartransistoren.- 7.2.2 Feldeffekttransistoren.- 8 HF-Meßtechnik.- 8.1 StreuparametermeBtechnik.- 8.1.1 Darstellung der Meßprinzipien.- 8.1.2 Vorstellung von Fehlermodellen und Kalibriertechniken.- 8.1.3 Eintor-Kalibrierung (SOL; Short, Open, Load).- 8.1.4 Zweitor-Kalibrierung.- 8.1.4.1 Fehlermodelle.- 8.1.4.1.1 12-Term Fehlermodell.- 8.1.4.1.2 8-Term Fehlermodell.- 8.1.4.1.3 Überführung des 8-Term Feh1ermodells in das 12-Term Fehlermodell.- 8.1.4.2 SOLT-Ka1ibrierung.- 8.1.4.2.1 Charakterisierung des Meßobjektes.- 8.1.4.3 TRL(LRL)-Ka1ibrierung.- 8.1.4.3.1 Beschreibung des TRL(LRL)-Verfahrens.- 8.1.4.3.2 Charakterisierung der Feh1erzweitore.- 8.1.4.3.3 Anmerkungen zur TRL-Ka1ibrierung.- 8.1.4.3.4 Charakterisierung unbekannter Meßobjekte.- 8.1.4.3.5 Dimensionierung der Länge des Line- Standards.- 8.1.4.3.6 Bezugsebenenverschiebung.- 8.1.4.4 TRM(LRM)-Kalibrierung.- 8.1.4.5 Kalibrierung mit Hilfe der Zeitbereichsoption.- 8.2 Rauschzah1meBtechnik.- 8.2.1 Die Einführung der effektiven Rauschtemperatur Te.- 8.2.2 Kalibrierung des Rauschzah1meßgerätes.- 8.2.3 Die meßtechnische Bestimmung der Rauschkenngrößen.- 8.2.3.1 Bestimmung der Rauschkenngrößen aus Rauschzahlmessungen.- 8.2.3.1.1 Die direkte Messung von Fo pt und r?S, opt.- 8.2.3.1.2 Die Berechnung von F o pt und r?S, opt aus mehreren Rauschzahimessungen.- 8.2.3.2 Die Bestimmung der Rauschkenngrößen aus Rausch1eistungsmessungen.- 8.2.4 Beschreibung eines Rauschparametermeßsystems.- 9 Antennen.- 9.1 Einführung.- 9.2 Übersicht über plan are Antennenstrukturen.- 9.2.1 Mikrostreifen1eitungsantenne.- 9.2.2 Antennen auf der Basis der Kop1anar-Streifenleitung.- 9.2.3 Antennen auf der Basis der „Suspended Strip“-Leitung.- 9.2.4 Fin1eitungsantennen.- 9.3 Grundlagen zur Antennenberechnung.- 9.3.1 Antennen im Übertragungssystem.- 9.3.2 Eigenschaften elementarer Strahlertypen.- 9.3.2.1 Hertzscher Dipol.- 9.3.2.1.1 Strahlungsfeld des Hertzschen Dipols.- 9.3.2.1.2 Strahlungswiderstand des Hertzsehen Dipols.- 9.3.2.2 Der ideale lineare Strahler.- 9.3.2.2.1 Strahlungsdiagramm des idealen, linearen Strahlers.- 9.3.2.2.2 Kenngrößen des idealen linearen Strahlers.- 9.3.2.3 Der Faltdipol.- 9.3.3 Der ideale line are Strahler als Empfangsantenne.- 9.3.4 Polarisation.- 9.3.5 Die wirksame Antennenfläche.- 9.4 Strahlergruppen.- 9.4.1 Besehreibung des Femfeldes planarer Gruppenantennen.- 9.4.1.1 Antennen mit gleiehen Strahlerabständen.- 9.4.1.1.1 Antennen mit konstanter Amplitudenbelegung..- 9.4.1.1.2 Antennen mit nieht konstanter Amplitudenbelegung..- 9.4.1.2 Antennen mit ungleiehen Strahlerabständen.- 9.5 Streifenleitungsantennen.- 9.5.1 Der Streifenleitungsresonator als Strahlerelement.- 9.5.1.1 Strahlungseigensehaften des ?/2-Resonators.- 9.5.1.2 Impedanzverhalten des Streifenleitungsresonators.- 9.5.1.2.1 Entwieklung des inneren Feldes naeh Eigenfeldtypen.- 9.5.1.2.2 Das Leitungsersatzsehaltbild.- 9.5.1.2.3 Impedanzbereehnung mit Hilfe des Spektralbereiehsverfahrens.- 9.5.1.2.3.1 Bereehnung der Greensehen Dyade.- 9.5.1.2.3.2 Berüeksiehtigung elektriseher Strome als Quellen.- 9.5.1.2.3.3 Berüeksiehtigung magnetise her Strome als Quellen.- 9.5.1.2.3.4 Eingangsimpedanz des ?/2- Resonators.- 9.5.1.2.3.5 Das Femfeld des ?/2-Resonators.- 9.5.2 Strahlergruppen in Mikrostreifenleitungsteehnik.- 9.5.2.1 Konzepte für Streifenleitungsantennen.- 9.5.2.1.1 Antennen mit gleiehen Strahlerabständen.- 9.5.2.1.2 Antennen mit ungleiehen Strahlerabständen.- 9.5.2.2 Verkopplung von Streifenleitungsresonatoren.- 9.5.2.2.1 Beschreibung einer realen Gruppenantenne.- 9.5.2.2.1.1 Bestimmung der Impedanzmatrix der Strahlergruppe.- 9.5.2.2.1.2 Fernfeld verkoppelter Strahler.- 9.5.2.2.1.3 Ergebnisse zur Verdeutlichung der Verkopplung.- 9.5.3 Sonderbeiträge der Streifenleitungs-Antennentechnik.- A Grundlagen der Vektoranalysis.- A.1 Einführung.- A.1.1 Das skalare Feld.- A.1.2 Das Vektorfeld.- A.1.3 Koordinatensysteme.- A.2 Eigenschaften skalarer Felder.- A.2.1 Der Gradient eines skalaren Feldes.- A.3 Eigenschaften von Vektorfeldern.- A.3.1 Die Divergenz.- A.3.1.1 Satz von Gauß.- A.3.1.2 Sätze von Green.- A.3.2 Die Rotation.- A.3.2.1 Satz von Stokes.- A.4 Differentielle Operatoren.- A.5 Zusammenstellung mathematischer Formeln..- A.5.1 Allgemeine Vektorrechnung.- A.5.2 Koordinatensysteme.- A.5.2.1 Kartesische Koordinaten (x, y, z).- A.5.2.2 Zylinderkoordinaten (r, ?, z).- A.5.2.3 Kugelkoordinaten (r, ?,?).- A.5.3 Integralsätze.- A.5.4 Umformungen der Differentialoperatoren.- A.5.4.1 Umformungen des Gradienten.- A.5.4.2 Umformungen der Divergenz.- A.5.4.3 Umformungen der Rotation.- B Zweitorparameter.- B.1 Bestimmung der Matrizenelemente.- B.1.1 Bestimmung der Impedanzparameter.- B.1.2 Bestimmung der Admittanzparameter.- B.1.3 Bestimmung der Kettenparameter.- B.2 Umrechnung der Zweitorparameter.- B.3 Einfache Zweitorersatzschaltungen.- B.3.1 Die T-Ersatzschaltung.- B.3.2 Die ?-Ersatzschaltung.- B.4 Zusammenschaltung von Zweitoren.- B.4.1 Reihenschaltung.- B.4.2 Parallelschaltung.- B.4.3 Kettenschaltung.- B.5 Reziprozität bei Zweitoren.- C Antennenkenngrößen.- C.1 Richtcharakteristik, Strahlungsdiagramm.- C.2 Polarisation.- C.3 Hauptstrahlrichtung.- C.4 Halbwertsbreite, Öffnungswinkel, Hauptkeulenbreite.- C.5 Nebenmaximum, Nebenzipfel.- C.6 Nebenzipfelamplitude.- C.7 Strahlungsdichte.- C.8 Abgestrahlte Leistung.- C.9 Strahlstärke, Strahlungsintensität..- C.10 Äquivalenter Raumwinkel.- C.11 Richtfaktor, Directivity.- C.12 Wirkungsgrad.- C.13 Gewinn.- C.14 Antennenwirkfläche.- C.15 Übertragungsfaktor einer Übertragungsstrecke..- D Greenschen Dyaden.- Stichwortverzeichnis.

Blurb

Das vorliegende Werk ist eine Zusammenstellung der Grundla- gen der Höchstfrequenztechnik. Die bewußt gewählte, umfang- reiche Darstellung der Zusammenhänge sowie die weitgehend vollständige Angabe der Herleitungen dient zum einen dazu, daß der unbedarfte Leser die Möglichkeit erhält, sich in die komplizierten Bereiche der Höchstfrequenztechnik einzuarbei- ten. Zum anderen kann diese Zusammenfassung als Nachschlage- werk benutzt werden. So sind neben den einführenden Grundla- gen für Studierende die Spezialgebiete Mikrowellenmeßtech- nik, Streifenleitungstechnik und Streifenleitungs-Antennen- technik für den erfahreneren Ingenieur vorgesehen. Im Vor- dergrund bei den Herleitungen steht aber stets eine komplet- te Darstellung und eine einfache Nachvollziehbarkeit.