Grundkurs Hochfrequenztechnik

Was sind eigentlich hohe Frequenzen? Und was ist anders als bei niedrigen? Zur Beantwortung dieser kardinalen Frage betrachten wir das in Bild 1-1 dargestellte einfache elektrische Netzwerk aus einer Spannungsquelle und einem RC-Glied.

Dieses Kapitel dient der Auffrischung von Grundlagenstoff, soweit er für das Verständnis der nachfolgenden Ausführungen benötigt wird. Auf Herleitungen und Beweise wird bewusst verzichtet. Der sattelfeste Leser kann die entsprechenden Abschnitte getrost überspringen.

Zur elektrischen Übertragung von Information oder Energie benötigt man einen Hin- und einen Rückleiter. Beide bilden dann zusammen mit Quelle und Verbraucher einen geschlossenen Stromkreis. Man verwendet also eine Zweidraht- oder Doppelleitung. Drei- oder Vierleitersysteme, wie sie bei der Energieversorgung durch Dreiphasen-Drehstrom zum Einsatz kommen, sollen hier nicht untersucht werden. Deren Analyse ist in völlig adäquater Weise möglich. In der Hochfrequenztechnik gibt es noch einen speziellen Leitungstyp, den sogenannten Hohlleiter. Er wird im Abschnitt 3.6.3 genauer beschrieben. Seine Ausbreitungseigenschaften ähneln denen der Doppelleitung sehr, sodass die im Folgenden gewonnenen Erkenntnisse und Zusammenhänge zum größten Teil übernommen werden können.

In Kapitel 3 wurde der Wellencharakter elektrischer Signalausbreitung ausführlich hergeleitet und beschrieben. Demnach existieren an jedem Ort einer Leitung eine vorlaufende und eine rücklaufende Welle, die sich aus Spannungs- und Stromwelle zusammensetzen, welche ihrerseits im festen Verhältnis der Wellenimpedanz zueinander stehen [7].

Eine Zusammenschaltung von n-Toren wird Mikrowellennetz genannt. Es unterscheidet sich von einem herkömmlichen elektrischen Netzwerk dadurch, dass nicht in beliebiger Weise Knoten miteinander verbunden werden dürfen. Stattdessen werden Tore über Leitungen zusammengeschaltet, wodurch sich verglichen mit herkömmlichen Netzwerken viel einfachere und übersichtlichere Strukturen ergeben. In der sehr verbreiteten Koaxialtechnik erfolgt die Zusammenschaltung über Koaxialkabel mit entsprechenden Konnektoren. Die n-Tore werden durch ihre Streumatrizen beschrieben. Wenn der Einfluss der Leitungen (Dämpfung, Verzögerung) in die Berechnung eingehen soll, ist auch jede Leitung als Zweitor mit entsprechender Streumatrix aufzufassen. Ein unbeschaltetes Tor wird als Leerlauf mit dem Reflexionsfaktor r = 1 aufgefasst, eine Leitungsverzweigung ist als Dreitor gemäß 4.3.10 durch seine Streumatrix zu beschreiben. Netzwerkvariable sind je eine vorlaufende und eine rücklaufende Welle an jeder Zusammenschaltung.

Die Möglichkeit, Signale ohne Verwendung von Leitungen über den freien Raum zu übertragen, stellt ohne jeden Zweifel ein ganz besonderes Highlight der Hochfrequenztechnik dar. Auch hier 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. Da weder das elektrische noch das magnetische Feld auf Materie angewiesen ist, kann diese Welle auch im absolut leeren Raum existieren. Das ist gut so, denn sonst könnte das Sonnenlicht die Erde nicht erreichen und es wäre nie Leben auf der Erde entstanden. Andererseits ist es nicht selbstverständlich - Schallwellen sind nur in Materie ausbreitungsfähig.