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2023 | Buch

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Hochfrequenztechnik

Komponenten und Mess-, Funk-, RFID- sowie Lokalisierungssysteme

verfasst von: Holger Heuermann

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

Dieses Lehr- und Fachbuch vermittelt anschaulich die Grundlagen der HF-Technik, gibt konkrete Beschreibungen für den Entwurf von linearen Komponenten aus Bauteilen wie auch Leitungen für High-Speed- und HF-Schaltungen. Dem Leser wird vermittelt, wie Bauteile modelliert und Schaltungen synthetisiert und optimiert werden. Mit Hilfe frei verfügbarer Simulationssoftware können GHz-Schaltungen selbst entwickelt werden. Viele Übungsbeispiele ermöglichen die Eigenkontrolle des Wissensstandes. Weiterhin werden komplexe nichtlineare Komponenten wie Hochfrequenzmischer, Oszillatoren und Synthesegeneratoren in ihrer Funktionalität dargestellt. Die neuen Mixed-Mode-Streuparameter sowie deren Leitungs- und Schaltungstechnik für Anwendungen der schnellen Digital- und der modernen HF-Technik sind ausführlich beschrieben. Es wird auf Systeme für folgende Bereiche eingegangen: Streuparametermesstechnik, verschiedene Funktechniken, UHF-RFID und Lokalisierung- und Ortung. Dem Leser wird somit ermöglicht, komplexe GHz-Schaltungen insbesondere mit Halbleiter-, SMD- und LTCC-Schaltungen zu entwickeln.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Einführung

Zusammenfassung

Das erste Kapitel gibt eine Übersicht über die Hintergründe der Stoffauswahl und den Stand der aktuellen Hochfrequenztechnik wieder.

Dieses Fach- und Lehrbuch soll zunächst 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 erster Linie soll dieses Buch dem Ingenieur der Hochfrequenztechnik dazu verhelfen, moderne Produkte zu entwickeln. Da sich neue innovative Produkte ohne eine Entwicklungsumgebung und die notwendigen Grundlagen nicht realisieren lassen, stellten folgende Thematiken den Leitfaden für den Aufbau dieses Buches dar:

basierend auf den zu entwickelnden Produkten,
basierend auf der Ausstattung eines HF-Entwicklungsplatzes,
basierend auf den notwendigen Grundlagen.

Holger Heuermann

Kapitel 2. Schaltungstheoretische Grundlagen

Zusammenfassung

In der Hochfrequenztechnik (HF-Technik) hat sich seit 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 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 zeitunabhängigen 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- Eigenschaften von Zwei- und Mehrtoren erläutert und am Ende des Kapitels wird die Nützlichkeit von Transmissions- und Kettenparametern vorgestellt.

Holger Heuermann

Kapitel 3. Passive HF-Komponenten aus konzentrierten Bauteilen

Zusammenfassung

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 100GHz und sog. SMD’s (engl.: Surface Mounted Device) für den Einsatz bis ca. 10GHz zu nennen.

Als verteilte Elemente können bei diesen Schaltungen lediglich Verbindungsleitungen zwischen einzelnen Komponenten angesehen werden. Die verteilten Bauelemente werden im nächsten Kapitel eingeführt.

Dieses Kapitel beschreibt zunächst konzentrierte Bauelemente und deren Ersatzschaltbilder. Im Anschluss werden passive Zwei-, Drei- und Viertorschaltungen, die sich aus konzentrierten Bauelementen herstellen lassen, eingeführt. Über die Streuparameter dieser Komponenten werden deren Funktionalität in Hochfrequenzsystemen beschrieben.

Holger Heuermann

Kapitel 4. Hochfrequenzleitungen: Theorie, Leitertypen und Anwendungen

Zusammenfassung

Im HF-Bereich werden Leitungen nicht nur zur Daten- bzw. Signalübertragung und zum Energietransport, sondern auch als sog. “quasi-konzentrierte“ und “verteilte“ Bauelemente eingesetzt. Das Studium der HF-Leitungen ist für alle Elektroniker, die eine Datenübertragungsstrecke im MHz- oder 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 die Signalanteile u.a. unterschiedliche Laufzeiten aufweisen können.

Leitungen im Hochfrequenzbereich kann man in zwei Klassen einteilen:

Wellenleiter und Mehrdrahtleiter

Die wichtigen Zweidrahtleitungen werden in diesem Kapitel intensiv behandelt.

Zunächst werden die allgemeine Leitungstheorie und allgemeine Größen von Leitungen eingeführt.

Im Weiteren werden TEM-Wellenleiter vorgestellt. Mit der Einführung der in der Praxis häufig eingesetzten Mikrostreifenleitung wird der Unterschied zwischen TEM- und Quasi-TEM-Wellenleiter herausgearbeitet. Im Anschluss werden die Eingangswiderstände von Leitungen mit verschiedensten Abschlüssen, Leitungstransformationen und das Leitungsdiagramm (Smith-Chart) betrachtet.

Abschließend wird auf die Realisierung von Bauteilen mit Leitungen eingegangen.

Holger Heuermann

Kapitel 5. Schaltungstheorie und –synthese mit Gleich- und Gegentaktgrößen

Zusammenfassung

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

In diesem Kapitel wird zunächst erläutert, um welche Moden es sich dabei handelt. Im Weiteren werden für die wichtigsten Zwei- und Dreimodensysteme neue “Streuparameter“ eingeführt. Basierend auf diesen Mixed-Mode-Parametern (kurz M-Parametern) lassen sich in einfacher Art und Weise die sogenannten Symmetrieübertrager wie auch Modeblocker und Modekonverter einführen.

Danach wird auf die Anwendung dieser M-Parameter eingegangen. Es wird gezeigt, wie differentielle Komponenten wie Antennen und High-Speed-IC’s angepasst werden. High-Speed-Transceiver für Digitalsignale werden eingeführt. Auf die Nutzung von ECL-Gattern in HF-Schaltungen wird eingegangen.

Im Anschluss folgt die Vorstellung einer neuen Schaltungssynthesetechnik für rein symmetrische Netzwerke. Aufbauend auf diesen Ergebnissen lassen sich HF-Kopplerschaltungen, die als reine Viertore eingesetzt werden, exakt herleiten.

Holger Heuermann

Kapitel 6. Resonatoren und Filter

Zusammenfassung

Schaltungen, die ein stark frequenzabhängiges Übertragungsverhalten aufweisen werden als Filterschaltungen oder kurz Filter bezeichnet. Als Bauelemente werden entweder Kondensatoren und Spulen und/oder Leitungen und/oder so genannte Resonatoren, die in verschiedensten Technologien hergestellt werden, eingesetzt.

Es wird ein Einblick in die Synthese von Filtern gegeben. Zu Berechnung von Standardfiltern nutzt man Filterentwurfsverfahren mit Butterworth- oder Tschebyscheff-Standardtiefpässen, die hier erstmalig in S-Parametertechnik dargestellt werden.

Bandpässe und Bandsperren werden in der Praxis oft aus Resonatoren hergestellt. Einfache Resonatoren bestehen aus Serien- oder Parallel-L-C-Kombinationen oder λ/4- bzw. λ/2-Leitungen. Weiterhin sind Quarze und die dielektrischen Resonatoren zu nennen. Die enthaltene Resonatortheorie, die auch für den Entwurf von Oszillatoren wichtig ist, ermöglicht u.a. die Steigerung der belasteten Resonatorgüte.

Da die gekoppelten Bandpassfilter das breiteste Anwendungsspektrum haben, wird die Theorie für zweikreisige Filter über exakte geschlossene Gleichungen erläutert und in Beispielen angewendet.

Holger Heuermann

Kapitel 7. Hochfrequenzschalter

Zusammenfassung

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.

Dieses Kapitel stellt die am Häufigsten genutzten HF-Schalter vor. Zunächst werden die elektromechanischen Schalter einschließlich der MEMS vorgestellt. Deutlich ausführlicher wird im Weiteren auf die elektronischen Schalter, insbesondere auf der Basis von PIN-Dioden, eingegangen. Neu sind Schalterarchitekturen, die auf eine Modeblockerstruktur der M-Parameterschaltungstechnik aufbauen.

Holger Heuermann

Kapitel 8. Lineare Verstärker und Rauschen

Zusammenfassung

Bei der folgenden Einführung in die Entwicklung von linearen HF-Verstärkern wird auf Verstärker eingegangen, bei denen die Spannungs- und Stromamplituden der zu verarbeitenden Signalgrößen klein sind. Mittels dieser Theorie lassen sich sämtliche Hochfrequenzverstärker mit Ausgangsleistungen bis zu 27 dBm und auch Leistungsverstärker für lineare Systeme (z.B. 5G, WLAN) auslegen. Somit deckt man einen Großteil der Verstärkerapplikationen ab.

Im Folgenden wird beispielhaft die Verstärkerdimensionierung anhand eines Verstärkers mit SiGe-Transistor für eine Mittenfrequenz von 0.9 GHz demonstriert.

Zunächst werden die Kenngrößen dieser Verstärker beschrieben. Danach wird an einem praktischen Beispiel gezeigt, wie man einen Kleinsignalverstärker für ein relativ schmales Frequenzband optimiert. Dabei wird auf die grundlegenden Arbeitsschritte wie zum Beispiel der Arbeitspunkteinstellung und MAG-Untersuchungen eingegangen. Im Weiteren werden die Ergebnisse einer nichtlinearen Simulation kurz vorgestellt. Anschließend wird auf die Rauschkenngrößen sowie die Rauschphänomene von HF-Schaltungen und auf einfache Rauschzahlberechnungen und Rauschzahlmessungen kurz eingegangen.

Abschließend wird die Auslegung von Empfangsschaltungen vorgestellt.

Holger Heuermann

Kapitel 9. Modelling, Fitting und Spulenentwurf

Zusammenfassung

Stand der Technik ist, dass man sehr gute und hervorragend reproduzierbare Bauelemente kaufen oder gar selbst fertigen kann. Mit diesen reproduzierbaren Bauelemente lassen sich präzise HF-Schaltungen entwickeln, sofern man über genaue Modelle dieser Bauelemente verfügt.

Leider sind die Modelle von Bauelementen für den Hochfrequenzbereich oft gar nicht verfügbar. So muss der Entwickler sich oft seine Bauelemente selbst charakterisieren bzw. modellieren.

Dieses Kapitel soll anhand der Modellierung einer Halbleiterspule demonstrieren, wie der Prozess der Charakterisierung basierend auf gegebenen S-Parametern vonstattengeht.

Die Modellierung lässt sich unterteilen in die beiden Schritte Modellfindung und Angleichung der Bauelemente des Modells an die Messwerte (kurz Fitting).

HF-Bauelemente benötigen andere komplexere Modelle als Elektronikbauteile. Ein ausführliches Beispiel der planaren Halbleiterspule dient dazu, die Schwierigkeiten der Erstellung von Modellen und auch des Fittings exemplarisch aufzuzeigen.

Am Ende dieses Kapitels wird auf den Entwurf von planaren Spulen, wie sie typisch für die LTCC- und Halbleitertechnik sind, eingegangen.

Holger Heuermann

Kapitel 10. Grundlagen der Systemkonzeption

Zusammenfassung

HF-Komponenten werden erstellt, damit diese in Systemen eingesetzt werden. Die Auslegung von HF-Systemen ist als riesiges Gebiet zu sehen, angefangen mit der skalaren Messtechnik bis hin zu hochkomplexen Mobilfunksystemen. In diesem Kapitel werden die grundlegenden Techniken und wichtigen Kenngrößen einfacher Übertragungssysteme eingeführt.

Zum Verständnis von den gängigen Mess- und Kommunikationssystemen ist es unerlässlich weitere wichtige HF-Komponenten einzuführen. Komponenten wie Detektoren, Mischer, IQ-Modulatoren, Oszillatoren, Synthesegeneratoren und Antennen werden vorgestellt.

Aus der großen Anzahl möglicher Systeme werden exemplarisch die skalaren und vektoriellen S-Parameter-Messsysteme vorgestellt werden. Diese sind sehr übersichtlich und bilden die Grundlage für viele komplexere HF-Anlagen. Weiterhin lassen sich viele Messungen von physikalischen Größen und Effekten wie Feuchte, Staub, Temperatur, Längen, Entfernungen, Geschwindigkeiten und mehr mittels S-Parametermessungen durchführen.

Anschließend werden die Grundlagen für die Übertragung von sogenannten IQ-Signalen vorgestellt. Abschließend wird ein neues innovatives und einfach umsetzbares Funksystem, das auf der Verwendung von zwei Moden beruht, als Systemlösung präsentiert.

Holger Heuermann

Kapitel 11. Radio Frequency Identification (RFID)

Zusammenfassung

Eingangs gibt es einen Kurzüberblick über alle RFID-Systeme und viele Anwendungen. Die RFID-Standards und -Frequenzbereiche werden etwas ausführlicher erläutert.

Im Weiteren wird das UHF-RFID-System detailliert dargestellt. Intensiv wird auf verschiedene Reader-Konzepte eingegangen. Auch der Tag-Aufbau wird erläutert. Die Protokolle und Regularien folgen im Anschluss. Am ausführlichsten wird auf die Entwicklung von Frontend-Schaltungen eingegangen. Ähnlich wie bei Funksystemen im Full-Duplex-Betrieb gilt es auch in der RFID-Technik selbst generierte Übersprecher zu unterdrücken, was u.a. einen größeren schaltungstechnischen Aufwand erfordert.

Abgerundet wird dieses Kapitel mit der Darstellung der Randbedingungen von Pegelplänen, die bei jeder HF-Systementwicklung notwendig sind.

Holger Heuermann

Kapitel 12. Lokalisierung und Ortung

Zusammenfassung

Dieses Kapitel startet mittels der Selbstlokalisierung über Global Navigation Satellite Systeme (GNSS). Es wird das GPS- und auch das Galileo-System vorgestellt. Bezüglich der notwendigen HF-Frontend-Entwicklung wird auf die Antennentechnik und die LNA-Entwicklung eingegangen.

Sehr ausführlich wird auf die FMCW-Radartechnik eingegangen, die u.a. in Fahrzeugen Einzug hielten. Es wird sowohl der Hardware-Aufbau wie auch die Theorie dieser Entfernungsmessmethode detaillierter vorgestellt und hergeleitet. Neben den klassisch bekannten Verfahren mit kontinuierlichem Frequenzsweep wird auch auf die diskrete Frequenzvariation eingegangen. Letztere kann man mit integrierten VCOs über eine größere Bandbreite durchführen.

Abschließend wird noch das komplex messende SFCW-Radarsystem, das auch zunehmend eingesetzt wird, vorgestellt und eingeordnet.

Holger Heuermann

Backmatter

Titel: Hochfrequenztechnik
verfasst von: Holger Heuermann
Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden
Electronic ISBN: 978-3-658-37826-4
Print ISBN: 978-3-658-37825-7
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-658-37826-4