Hochfrequenztechnik

Dieses Fach- und Lehrbuch soll die Mechanismen der Ausbreitungsphänomene elektromagnetischer Wellen in elektrischen Schaltungen vermitteln. Ferner soll der Leser in der Lage sein, eine Vielzahl von Schaltungen der Hochfrequenztechnik zu analysieren und zu optimieren. Es hilft überdies Elektronikern, Effekte bei schnellen Schaltungen zu verstehen und stellt für kommende Hochfrequenztechniker ein Grundgerüst dar.

In der Hochfrequenztechnik hat sich in den letzten Jahrzehnten die Verwendung der Streuparameter zum Entwurf von Schaltungskomponenten durchgesetzt. Im Entwurf werden Streuparameter als Ergebnis der Schaltungs- und Feldsimulation verwendet. Nach dem Aufbau einer HF-Schaltung werden die Streuparameter mittels eines Netzwerkanalysators (Bild 2.1) vermessen und mit den Zielwerten der Simulation verglichen. Deshalb steht die schaltungstheoretische Beschreibung mit Streuparameter auch im Mittelpunkt dieses Kapitels. In diesem Kapitel der schaltungstechnischen Grundlagen sollen die notwendigen Werkzeuge für die Entwicklung von quellenfreien, linearen und zeitunahhängigen Hochfrequenzschaltungen vorgestellt werden. Deshalb wird eingangs kurz auf die Systemvoraussetzungen eingegangen. Anschließend wird zum schnellen Einstieg in die Praxis die Streumatrix und der Schaltungsentwurf von Zweitoren über die Streuparameter vorgestellt. Ausführlich werden die Streuparameter-Eigenschaŕten von Zwei- und Mehrtoren erläutert und am Ende des Kapitels wird die Nützlichkeit von Transmissions- und Kettenparametern vorgestellt.

Bei sehr vielen Produkten, die HF-Schaltungen enthalten, sind die passiven Komponenten aus Bauteilen realisiert, die mittels Ersatzschaltungen von konzentrierten Elementen sehr präzise beschrieben werden können. Als Beispiele sind sämtliche Schaltungen mit Halbleiterbauteilen für den Einsatz bis 100 GHz und sog. SMD’s (engl.: Surface Mounted Device) für den Einsatz bis ca. 10 GHz zu nennen, Bild 3.1.

Im Hochfrequenzbereich werden Leitungen nicht nur zur Daten- bzw. Signalübertragung und zum Energietransport, sondern auch als sog. “quasi-konzentrierte“ und “verteilte“ Bauelemente eingesetzt. Für den Elektroniker ist es inimer wieder überraschend, wie viel Phänomene die nur als Drähte angesehenen Leitungen bei höheren Frequenzen aufweisen. Das Studium der HF-Leitungen ist dennoch für alle Elektroniker, die eine Datenübertragungsstrecke im MHz- oder gar GHz-Bereich realisieren wollen, von größter Wichtigkeit. Insbesondere für die Übertragung von digitalen Signalen mit Taktraten im MBit- und GBit-Bereich verursachen die Leitungen sehr große Bitfehlerraten, da es sich in diesen Fällen um Breitbandübertragungsstrecken handelt, die für niederfrequentere und höherfrequentere Signalanteile unterschiedliche Laufzeiten aufweisen können.

In den bisher behandelten Schaltungen und Komponenten wurde nur ein elektrischer Mode zugelassen. Bei vielen insbesondere modernen HF-Komponenten und Highspeed-Digitalschaltungen in TEM-Systemen treten jedoch zwei oder gar drei Moden auf. Dabei unterscheiden sich die verschiedenen Moden durch die elektrischen Feldbilder und ggf. unterschiedliche Ausbreitungseigenschaften.

Schaltungen, die ein stark frequenzabhängiges Übertragungsverhalten aufweisen werden als Filterschaltungen oder kurz Filter bezeichnet. In der Anwendung werden diese Filterschaltungen sehr häufig eingesetzt. Als Bauelemente werden man entweder Kondensatoren und Spulen und/oder Leitungen und/oder so genannte Resonatoren, die in verschiedensten Technologien hergestellt werden. Da die Synthese von Filtern ein sehr weites Gebiet ist, kann in diesem Kapitel nur ein Einblick gegeben werden.

Schalter werden in der HF-Technik eingesetzt, um das Ausgangssignal eines Leistungsverstärkers auf verschiedene Pfade zu leiten, eine Antenne mit verschiedenen Sende- (TX-) und Empfangs-Zweigen (RX-Zweigen) zu verbinden. Weiterhin findet man Schalter in Modulatoren und schaltbaren Phasenschiebern. In der Mess- und Produktionstechnik werden HF-Schalter zur Vermessung eines Messobjektes mittels verschiedener Geräte genutzt.

Bei der folgenden Einführung in die Entwicklung von linearen HF-Verstärkern wird nur auf Verstärker eingegangen, bei denen die Spannungs- und Stromamplituden der zu verarbeitenden Signalgrößen klein gegenüber den Werten der Arbeitspunkte sind. Mittels dieser präsentierten Theorie lassen sich sämtliche Hochfrequenzverstärker mit Ausgangs-leistungen bis zu 27 dBm und auch Leistungsverstärker für lineare Systeme (z.B. UMTS, WLAN) auslegen. Somit deckt man einen Großteil der Verstärkerapplikationen ab. Lediglich die Leistungsverstärker lassen sich nicht in ihrer vollen Breite durch die vorgestellten Techniken beschreiben.

Hochfrequenzkomponenten werden erstellt, damit diese in Systemen eingesetzt werden und letztere eine optimale Funktionalität aufweisen. Die Auslegung von Hochfrequenzsystemen ist als riesiges Gebiet zu sehen, das mit einfachen Übertragungsstrecken für die skalare Messtechnik beginnt und mit hochkomplexen modernen Kommunikationssystemen, bei denen die digitalen Modulationen eine wichtige Rolle spielen, endet.