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Über dieses Buch

Ziel dieses Lehrbuches ist eine kompakte und verständliche Vermittlung des hochfrequenztechnischen Grundlagenwissens. Dazu gehört das Verständnis der Wellenausbreitung sowie der daraus resultierenden Phänomene Reflexion und Interferenz. Weiter nimmt das typische Handwerkszeug des HF-Technikers – das SMITH-Diagramm – breiten Raum ein. Ein Praxisbezug wird hergestellt durch Beschreibung von typischen HF-Bauteilen, Arbeitsmitteln und Methoden.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einführung

Methoden der Hochfrequenztechnik berücksichtigen den Wellencharakter der Ausbreitung elektrischer Signale. Bei der herkömmlichen Schaltungslehre ist das nicht üblich. Es ist notwendig, wenn die Abmessungen einer Anordnung nicht sehr viel kleiner sind als die Wellenlänge. Nach Erläuterung dieser Zusammenhänge folgt eine Übersicht über die Historie sowie eine Auflistung der wichtigsten Anwendungsgebiete der Hochfrequenztechnik.
Frieder Strauß

2. Handwerkszeug

Dieses Kapitel dient der Auffrischung von Grundlagenstoff, soweit er für das Verständnis der nachfolgenden Ausführungen benötigt wird. Auf Herleitungen und Beweise wird bewusst verzichtet, die Anwendung steht im Vordergrund. Von der Theorie der Differentialgleichungen geht es über die komplexe Wechselstromrechnung und die Dezibel-Maße zur Zweitortheorie. Schließlich folgen Erläuterungen zu Rauschen und Verzerrungen sowie das BODE-Diagramm. Das Kapitel eignet sich auch gut zum Nachschlagen.
Frieder Strauß

3. Leitungstheorie

Für die Signalausbreitung auf einer homogenen Doppelleitung können Leitungsgleichungen in Form eines Systems von partiellen Differentialgleichungen formuliert werden. Deren Lösung führt auf typische Größen wie Wellenlänge, Wellenimpedanz und Ausbreitungsgeschwindigkeit. Bei einer beschalteten Leitung beobachtet man die Phänomene Reflexion, Interferenz und Impedanztransformation. Die verlustlose Leitung stellt eine Idealisierung dar, die in der Praxis häufig mit guter Näherung erfüllt ist. Sie kann im SMITH-Diagramm mit grafischen Methoden sehr einfach analysiert werden. Dieses eignet sich auch zur Dimensionierung von Anpassungsschaltungen. Schließlich werden verbreitete Realisierungen wie Koaxialkabel, symmetrische Leitung, Mikro-Streifenleitung und Rechteck-Hohlleiter beschrieben. Das Koaxialkabel wird feldtheoretisch berechnet, was aufgrund der zylindersymmetrischen Geometrie vergleichsweise einfach ist.
Frieder Strauß

4. n-Tore

In der Hochfrequenztechnik erfolgt die Beschreibung und Berechnung von Schaltungen bevorzugt mit Wellengrößen. Sie ersetzen die physikalischen Größen Strom und Spannung, stehen aber in einem eindeutigen Zusammenhang mit diesen. Die Wellengrößen eröffnen eine völlig neue Perspektive auf elektrische Schaltungen. Die Verknüpfung der Wellengrößen an einem n-Tor erfolgt über die Streumatrix. Für bestimmte Gruppen von n-Toren (z.B. passive oder verlustlose) hat diese Matrix charakteristische Eigenschaften. Aus der Streumatrix lässt sich die Kettenmatrix berechnen und umgekehrt. Es wird eine Vielzahl an Realisierungen, wie sie in der Praxis Anwendung finden, erläutert.
Frieder Strauß

5. Mikrowellennetze

Eine Zusammenschaltung von n-Toren wird Mikrowellennetz genannt. In der weit verbreiteten Koaxialtechnik erfolgt die Zusammenschaltung über Koaxialkabel mit passenden Konnektoren. Führt man an jedem Tor eine vorlaufende und eine rücklaufende Welle als Variable ein, so ergibt sich bei Ausnutzung der Streumatrizen ein lineares Gleichungssystem für die Wellengrößen. Falls erforderlich werden auch die Kabel als Zweitore aufgefasst und durch ihre Streumatrizen beschrieben. Das Gleichungssystem ist immer eindeutig lösbar; zur Lösung könnte man eine Schulbuch-Methode wie den GAUSSschen Algorithmus heranziehen. Das Gleichungssystem lässt sich aber auch in Form eines linearen Graphen dokumentieren und mit Methoden der Graphentheorie bearbeiten. Für die Lösung eignet sich die MASON-Regel, die auf einem sehr effizienten Weg zum Ergebnis führt.
Frieder Strauß

6. Signalausbreitung im freien Raum

Auch im freien Raum findet eine Wellenausbreitung statt, jedoch wird die Welle nicht durch Ströme und Spannungen gebildet, sondern durch Feldgrößen. Elektrisches und magnetisches Feld tauschen Energie untereinander aus und bewegen sich zugleich als Schwingungsmuster vorwärts. Die Zusammenhänge werden durch die MAXWELLschen Gleichungen beschrieben. Da im materiafreien Raum weder Ladungen noch Ströme existieren, erhalten diese eine vergleichsweise einfache Gestalt. Als Lösungen ergeben sich typische Wellenmuster, etwa die gleichförmige ebene Welle. Auslösung und Detektion von elektromagnetischen Wellen erfolgt über Antennen, wobei man zwischen Dipolantennen und Rahmenantennen unterscheidet. Sie werden beschrieben durch das Richtdiagramm sowie über die Begriffe Antennengewinn und Antennenhöhe.
Frieder Strauß

7. Hochfrequenzmesstechnik

Neben dem Power Meter ist der Spectrum Analyzer ein wichtiger Vertreter der Hochfrequenz-Messgeräte. Für dessen Verständnis ist zunächst die Kenntnis des Spektralbegriffs nötig, wofür die Mathematik diverse Werkzeuge bereithält. Weiter muss man über den Aufbau, die Arbeitsweise und die Bedienung des Geräts Bescheid wissen. Erweitert man den Spectrum Analyzer um einen Tracking Generator (Mitlaufgenerator), entsteht der Network Analyzer. Er erlaubt die Untersuchung von n-Toren bezüglich ihres Transmissions- und Reflexionsverhaltens. Wichtiges Anwendungsgebiet ist die etwas spezielle EMV-Messtechnik. Hier werden Feldsonden eingesetzt sowie geschirmte und absorbierende Messzellen. Man verwendet typische Methoden, beispielsweise die Substitutionsmethode zur Kalibrierung der Zelle. Dadurch wird ein klarer Zusammenhang zwischen dem hochfrequenten Signal und der Feldstärke in der Zelle hergestellt.
Frieder Strauß

Backmatter

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