Berechnungs- und Entwurfsverfahren der Hochfrequenztechnik 1

Eine Frequenzumsetzung tritt auf bei der Frequenzvervielfachung, der Mischung, der Frequenzteilung, der Modulation und der Demodulation. Die elementaren Grundlagen der Frequenzumsetzung werden anhand von idealisierten Kennlinien vorgestellt. Der Grund für die Idealisierung liegt in der geschlossenen Lösbarkeit und damit Überschaubarkeit der Fourierintegrale. Für reale Probleme der Praxis dient dann die Kennlinienapproximation des Kapitels 1.1; die Kennlinienapproximation und die nachfolgenden Berechnungsverfahren können auch noch in einigen Jahren auf Bauelemente angewendet werden, die z. Z. noch nicht auf dem Markt sind. Mit diesen meßtechnisch aufgenommenen und fehlerminimierten Kennlinien ist man dann prinzipiell in der Lage, einen Frequenzvervielfacher (Kapitel 1.2.1), Empfänger (Kapitel 1.3), Mischer (Kapitel 2), Modulator (Kapitel 3) oder Demodulator (Kapitel 4) zu berechnen, d. h. die wichtigsten Schaltungen der Hochfrequenztechnik.

Der Frequenzumsetzer in Kapitel 1.4 und der Überlagerungsempfänger in Kapitel 1.3.2 benötigen zur Frequenzumsetzung eine Mischstufe. Eine Frequenzumsetzung ist nach Kapitel 1 nur mit einer nichtlinearen Kennlinie möglich, z. B. Kennlinien von Halbleiterdioden, Bipolar- bzw. Feldeffekttransistoren. Das Spektrum eines Gleich- bzw. Kehrlageaufwärtsmischers ist in Bild 1.2.2-6 dargestellt, während Bild 1.2.2-7 das Spektrum eines Gleichlageabwärtsmischers und Bild 1.2.2-8 eine Abwärtsmischung in Kehrlage zeigt. Mit einer Mischstufe soll ein Eingangssignal der Frequenz f_s amplitude- und phasengetreu in eine andere Frequenzebene umgesetzt werden. Benötigt wird dazu ein Pumpsignal der Frequenz f_P, das die nichtlineare Kennlinie großsignalmäßig durchsteuert.

Unter dem Begriff „Modulation“ versteht man in verallgemeinerter Fassung die Veränderung eines Signalparameters (Amplitude, Frequenz oder Phasenwinkel) eines Trägers in Abhängigkeit von einem modulierenden Signal (NTG 0101).

Zur Wiedergewinnung des niederfrequenten Informationssignales u_s(t) aus einem ZSB-AM-Signal (mit Träger) ist ein sog. Hüllkurven-Demodulator nach Bild 4.1.1-l a einsetzbar. Hierbei handelt es sich um eine HF-Gleichrichterschaltung aus Diode D, Arbeitswiderstand R und Ladekondensator C. Der Kondensator C wird von den jeweiligen positiven Halbwellen in etwa auf den Spitzenwert aufgeladen und soll sich in den stromlosen Pausen (D gesperrt) über R (mit der Zeitkonstanten τ= C . R) nur soweit entladen, daß die Spannung an C den unterschiedlichen Höhen der positiven Halbwellen folgen kann (Bild 4.1.1-1 b).

In der Hochfrequenztechnik hat man häufig mit der Selektion schmaler Frequenzbänder zu tun. Daher empfiehlt sich zunächst die etwas genauere Betrachtung von einfachen Schwingkreisen (Reihenschwingkreis und Parallelschwingkreis).

Zur Erzeugung von ungedämpften sinusförmigen Schwingungen kann man Zweipol- bzw. Vierpol-Oszillatoren einsetzen.

Vor einigen Jahren dienten das Kreisdiagramm und auch das Smithdiagramm zum Entwurf und zur Berechnung von Hochfrequenzschaltungen. Computer führen heutzutage die Berechnungen exakter durch; jedoch in der Schahungssynthese sind die Diagramme den Rechnern überlegen. Der Entwicklungsingenieur kann anhand der Transformationswege im Diagramm sofort die für ihn optimale Schaltung entwerfen, ohne aufwendige und rechenzeitintensive Optimierungsprogramme zu benutzen. Eine exakte Berechnungsanalyse der mit dem Kreisdiagramm gefundenen Schaltung kann dann mit einem einfachen Rechenprogramm durchgeführt werden.