Hochfrequenztechnik: Lineare Modelle

ISBN-13: 9783540667162 / Niemiecki / Twarda / 2000 / 422 str.

Gernot Zimmer

Opis

Das vorliegende Buch wendet sich vor allem an Studenten der Elektrotechnik, aber auch an den Praktiker, der seine Grundkenntnisse auffrischen, bzw. sich mit modernen Simulationswerkzeugen vertraut machen mochte. Aus didaktischen Grunden beschrankt sich die Stoffauswahl auf lineare bzw. linearisierte Modelle der Hochfrequenztechnik. Durch zahlreiche Beispiele und Ubungsaufgaben wird das Erlernte veranschaulicht und vertieft. Zur exemplarischen Anwendung ist dem Buch ein Simulationsprogramm beigelegt, das unter dem Betriebssystem Windows auf PC-Basis arbeitet. Hiermit konnen ein Grossteil der Ubungsaufgaben eigenstandig simuliert bzw. weiterentwickelt und auch komplexe Schaltungen analysiert werden."

Spis treści

1 Einführung.- 1.1 Komplexe Darstellung sinusförmiger Zeitfunktionen.- 1.2 Nutzung der unterschiedlichen Frequenzbereiche.- 1.3 Das Simulationsprogramm HF-LINMO.- 2. Passive Komponenten.- 2.1 Die idealisierten Komponenten R, L und C.- 2.1.1 Der ideale Widerstand.- 2.1.2 Die ideale Induktivität.- 2.1.3 Der ideale Kondensator.- 2.2 Die realen Bauelemente R, L und C.- 2.2.1 Technische Formen des Widerstandes.- 2.2.2 Einfache Modelle technischer Induktivitäten.- 2.2.3 Ersatzschaltung einer realen Induktivität.- 2.2.4 Einfache Modelle technischer Kapazitäten.- 2.2.5 Ersatzschaltung einer realen Kapazität.- 2.3 Die realen Schwingkreise.- 2.3.1 Ersatzschaltung der realen Schwingkreise.- 2.3.2 Einsatzgebiete für Schwingkreis.- 2.4 Der Schwingquarz als Resonator.- 2.4.1 Resonanzfrequenzen von Schwingquarzen.- 2.4.2 Ersatzschaltbild eines Schwingquarzes.- 2.5 Übungsaufgaben.- 3. Grundlagen der Leitungstheorie.- 3.1 Die verlustlose Leitung — Analyse im Zeitbereich.- 3.1.1 Der Wellenwiderstand.- 3.1.2 Der Reflexionsfaktor.- 3.1.3 Einfach- und Mehrfachreflexionen auf Leitungen mit ohmschen Abschlusswiderständen.- 3.2 Die Leitung — Analyse im Frequenzbereich.- 3.2.1 Die Wellengleichung im Frequenzbereich.- 3.2.2 Diskussion der Ausbreitungskonstante und des Wellenwiderstandes.- 3.2.3 Der Reflexionsfaktor im Frequenzbereich.- 3.2.4 Das Smith-Diagramm.- 3.2.5 Widerstandstransformation entlang einer Leitung.- 3.3 Leitungstransformatoren.- 3.3.1 ?/4-Transformator.- 3.3.2 Mehrstufige AI ?/4-Transformatoren.- 3.3.3 Kontinuierliche Leitungstransformatoren.- 3.4 Übungsaufgaben.- 4. Darstellung linearer Schaltungen.- 4.1 Die klassischen Zweitorparameter.- 4.1.1 Die Z-Parameter.- 4.1.2 Die H-Parameter.- 4.1.3 Die Y-Parameter.- 4.2 Die Streuparameter.- 4.2.1 Definition der Wellengrößen.- 4.2.2 Definition der S-Parameter.- 4.2.3 Das Signalflussdiagramm.- 4.2.4 Netzwerkanalysator.- 4.3 Übungsaufgaben.- 5. Netzwerksynthese.- 5.1 Grundlegende Netzwerkeigenschaften.- 5.2 Filterentwurf.- 5.2.1 Butterworth-Filter.- 5.2.2 Tschebyscheff-Filter.- 5.3 Transformationen des Tiefpassfilters.- 5.3.1 Hochpasstransformation.- 5.3.2 Bandpasstransformation.- 5.3.3 Sperrfiltertransformation.- 5.4 Übungsaufgaben.- 6. Halbleiter-Bauelemente.- 6.1 Grundlegende Eigenschaften von Halbleitern.- 6.1.1 Das Bändermodell.- 6.1.2 Eigenleitfähigkeit.- 6.1.3 Störstellenleitfähigkeit.- 6.1.4 Diffusionsströme in Halbleitern.- 6.2 Der pn-Übergang.- 6.2.1 pn-Übergang im stromlosen Zustand.- 6.2.2 pn-äbergang bei Spannungseinwirkung.- 6.2.3 Kleinsignalersatzschaltung einer Diode.- 6.3 Die Schottky-Diode.- 6.3.1 Bändermodell der Schottky-Diode.- 6.3.2 Statische Strom-Spannungscharakteristik.- 6.4 Der bipolare NPN-Transistor.- 6.4.1 Aufbau und prinzipielle Wirkungsweise.- 6.4.2 Ein- und Ausgangskennlinien von Bipolartransistoren.- 6.4.3 Linearisiertes Modell eines Bipolartransistors.- 6.4.4 Hochfrequenz-Ersatzschaltbild eines Bipolartransistors.- 6.5 Der unipolare MESFET.- 6.5.1 Aufbau und stationäre Kennlinien eines MESFET.- 6.5.2 Linearisiertes Modell eines MESFET.- 6.5.3 Hochfrequenz-Ersatzschaltbild eines MESFET.- 6.6 Übungsaufgaben.- 7. Hochfrequenzverstärker.- 7.1 Charakteristische Größen.- 7.1.1 Arbeitspunkteinstellung.- 7.1.2 Zweitor beschrieben durch Y-Parameter.- 7.1.3 Zweitor beschrieben durch die S-Parameter.- 7.2 Stabilität eines Zweitors.- 7.2.1 Stabilitätskreise.- 7.2.2 Der Stabilitätsfaktor.- 7.2.3 Stabilisierung eines Transistors.- 7.3 Leistungsverstärkung.- 7.3.1 Vernachlässigte Rückwirkung.- 7.3.2 Einfluss der Rückwirkung.- 7.3.3 Optimale Lastreflexion bei Rückwirkung.- 7.3.4 Maximal verfügbarer Übertragungsgewinn.- 7.3.5 Übertragungsgewinn bei ein- bzw. ausgangsseitiger Fehlanpassung.- 7.3.6 Kreise konstanten Übertragungsgewinns.- 7.4 Konzepte für Hochfrequenzverstärker.- 7.4.1 Der unsymmetrische Verstärker.- 7.4.2 Wanderwellenverstärker.- 7.5 Übungsaufgaben.- 8. Oszillatoren.- 8.1 Zweipol-Oszillator.- 8.2 Vierpol-Oszillator.- 8.2.1 RC-Oszillator.- 8.2.2 LC-Oszillator.- 8.2.3 Quarzstabilisierte Oszillatoren.- 8.3 Synthesegeneratoren.- 8.3.1 Grundlagen einer Phasenregelschleife.- 8.3.2 Aufbau von Synthesegeneratoren.- 8.4 Übungsaufgaben.- 9. Rauschen.- 9.1 Beschreibung einer Rauschgröße.- 9.1.1 Zeitliche Mittelwerte.- 9.1.2 Spektrale Rauschleistungsdichte.- 9.1.3 Wahrscheinlichkeitsdichte.- 9.2 Rauschphänomene.- 9.2.1 Das Schrotrauschen.- 9.2.2 Das thermische Rauschen.- 9.3 Rauschende Vierpole.- 9.3.1 Rauschzahl eines Verstärkers.- 9.3.2 Die Rauschzahl kaskadierter Verstärker.- 9.3.3 Rauschanpassung.- 9.4 Übungsaufgaben.- 10. Das elektromagnetische Feld.- 10.1 Die elektrischen Feldgrößen.- 10.1.1 Die elektrische Feldstärke.- 10.1.2 Die elektrische Potentialfunktion.- 10.1.3 Die dielektrische Verschiebungsdichte.- 10.1.4 Die elektrische Energiedichte.- 10.2 Die magnetischen Feldgrößen.- 10.2.1 Die magnetische Induktion.- 10.2.2 Die magnetische Feldstärke.- 10.2.3 Die magnetische Energiedichte.- 10.3 Die Maxwellschen Gleichungen.- 10.3.1 Das Induktionsgesetz.- 10.3.2 Das Durchflutungsgesetz.- 10.4 Maxwellsche Gleichungen, Differentialform.- 10.5 Der Poyntingsche Vektor.- 10.6 Bedingungen an Grenzflächen.- 10.6.1 Das elektrische Feld an der Grenzfläche zweier Dielektrika.- 10.6.2 Das magnetische Feld an der Grenzfläche zweier Materialien unterschiedlicher Permeabilität.- 10.7 ÜUbungsaufgaben.- 11. Die ebene Welle.- 11.1 Die Wellengleichung der ebenen Welle.- 11.2 Die schwach gedämpfte ebene Welle.- 11.2.1 Ebene Welle im freien Raum.- 11.2.2 Ebene Welle in verlustfreien Materialien.- 11.2.3 Die Polarisation.- 11.2.4 Der Wellenvektor.- 11.3 Die stark gedämpfte ebene Welle.- 11.3.1 Idealer Leiter.- 11.3.2 Verlustleistung.- 11.4 Übungsaufgaben.- 12. Geführte Wellen.- 12.1 Die ideale Bandleitung.- 12.1.1 Spannung, Strom und Wellenwiderstand.- 12.1.2 Dämpfung der Bandleitungswelle.- 12.2 Die Koaxialleitung.- 12.2.1 Felder und Wellenwiderstand der Koaxialleitung.- 12.2.2 Leiterdämpfung der Koaxialleitung.- 12.3 Allgemeine Eigenschaften von TEM-Wellen.- 12.4 Quasi TEM-Wellenleiter.- 12.4.1 Mikrostreifenleitung.- 12.4.2 Koplanarleitung.- 12.5 Hohlleiter.- 12.5.1 Rechteckhohlleiter und ebene Welle.- 12.5.2 Die Moden des Rechteckhohlleiters.- 12.6 Übungsaufgaben.- 13. Integrierte Mikrowellenschaltungen.- 13.1 Technologie.- 13.1.1 Das Substrat.- 13.1.2 Herstellungsverfahren.- 13.2 Diskontinuitäten der Mikrostreifenleitung.- 13.2.1 Leerlauf.- 13.2.2 Kurzschluss.- 13.2.3 Weitensprung.- 13.2.4 Weitere Diskontinuitäten.- 13.3 Passive Mikrostreifenleitungsschaltungen.- 13.3.1 Filter.- 13.3.2 Richtkoppler.- 13.3.3 Leistungsteiler.- 13.4 Übungsaufgaben.- 14. Antennen.- 14.1 Sende-Empfangssystem.- 14.1.1 Phänomenologisches Modell.- 14.1.2 Sende-Empfangssystem als Vierpol.- 14.2 Der Hertzsche Dipol.- 14.2.1 Das Fernfeld.- 14.2.2 Spiegelung an einer leitenden Ebene.- 14.3 Linearantennen.- 14.3.1 Richtcharakteristik von Stabantennen.- 14.3.2 Die Momenten-Methode.- 14.3.3 Ausgewählte Linearantennen.- 14.4 Aperturantennen.- 14.4.1 Die eindimensionale Apertur.- 14.4.2 Reflektorantennen.- 14.5 Übungsaufgaben.- A. Lösungen.- A.1 Lösungen Übungsaufgaben Kapitel 2.- A.2 Lösungen Übungsaufgaben Kapitel 3.- A.3 Lösungen Übungsaufgaben Kapitel 4.- A.4 Lösungen Übungsaufgaben Kapitel 5.- A.5 Lösungen Übungsaufgaben Kapitel 6.- A.6 Lösungen Übungsaufgaben Kapitel 7.- A.7 Lösungen Übungsaufgaben Kapitel 8.- A.8 Lösungen Übungsaufgaben Kapitel 9.- A.9 Lösungen Übungsaufgaben Kapitel 10.- A.10 Lösungen Übungsaufgaben Kapitel 11.- A.11 Lösungen Übungsaufgaben Kapitel 12.- A.12 Lösungen Übungsaufgaben Kapitel 13.- A.13 Lösungen Übungsaufgaben Kapitel 14.- Literatur.

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Das vorliegende Buch wendet sich vor allem an Studenten der Elektrotechnik, aber auch an den Praktiker, der seine Grundkenntnisse auffrischen, bzw. sich mit modernen Simulationswerkzeugen vertraut machen möchte. Aus didaktischen Gründen beschränkt sich die Stoffauswahl auf lineare bzw. linearisierte Modelle der Hochfrequenztechnik. Durch zahlreiche Beispiele und Übungsaufgaben wird das Erlernte veranschaulicht und vertieft. Zur exemplarischen Anwendung ist dem Buch ein Simulationsprogramm beigelegt, das unter dem Betriebssystem Windows auf PC-Basis arbeit. Hiermit können ein Großteil der Übungsaufgaben eigenständig simuliert bzw. weiterentwickelt werden.