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2018 | Buch

Einführung Kapitel lesen Erstes Kapitel lesen

Hochfrequenztechnik

Komponenten für High-Speed- und Hochfrequenzschaltungen

verfasst von: Prof. Dr. 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 und gibt konkrete Beschreibungen für den Entwurf von Leitungen und linearer Komponenten in High-Speed- und HF-Schaltungen. Dem Leser wird vermittelt, wie diese Schaltungen synthetisiert, optimiert und modelliert werden. Mit Hilfe frei verfügbarer Simulationssoftware können GHz-Schaltungen selbst entwickelt werden. Viele Übungsbeispiele ermöglichen die Eigenkontrolle des Wissensstandes. Neben einer detaillierten Darstellung der wichtigsten HF-Grundlagen werden komplexe Komponenten wie Hochfrequenzmischer, Oszillatoren und Synthesegeneratoren in ihrer Funktionalität dargestellt. Die neue Mixed-Mode-Streuparameter sowie deren Leitungs- und Schaltungstechnik für Anwendungen der schnellen Digital- und der modernen HF-Technik sind ausführlich beschrieben. Es wird auf HF-Messsystemen und auf Funksysteme einschließlich des echtzeitfähigen Dual-Mode-Funks eingegangen. Dem Leser wird somit ermöglicht, GHz-Schaltungen insbesondere mit Halbleiter-, SMD- und LTCC-Schaltungen zu entwickeln.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
1. Einführung
Zusammenfassung
Das erste Kapitel gibt eine Übersicht über die Hintergründe der Stoffauswahl und den Stand der aktuellen Hochfrequenztechnik wieder.
Nach der Erstauflage dieses Grundlagenbuches haben sich nun viele der damals neuartigen Inhalte einzelner Buchkapitel zum Stand der modernen Hochfrequenztechnik (kurz HF-Technik) entwickelt. Somit kann dieses Buch immer noch mit recht beanspruchen den modernen Stand der HF-Technik zu beschreiben.
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 HF-Technik 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
2. Schaltungstheoretische Grundlagen
Zusammenfassung
In der Hochfrequenztechnik 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
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 erbindungsleitung zwischen einzelnen Komponenten angesehen werden. Die verteilten Elemente 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
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. Für den Elektroniker ist es immer 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 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 (mit der Untergruppe der Zweidrahtleitung)
Die wichtigen Zweidrahtleitungen werden in diesem Kapitel intensiv behandelt.
Zunächst werden die allgemeine Leitungstheorie und wichtige 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. Wichtig ist der folgende Überblick über die Technologie zur Herstellung der Leitungen für planare Schaltungen.
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 kurzen Leitungen eingegangen.
Holger Heuermann
5. Schaltungstheorie und -synthese mit Gleich- und Gegentaktgrößen
Zusammenfassung
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.
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 so genannten 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 so genannten 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 Hochfrequenzkopplerschaltungen, die in der Praxis als reine Viertore eingesetzt werden, exakt herleiten.
Holger Heuermann
6. Resonatoren und Filter
Zusammenfassung
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. 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. Die einfachsten Resonatoren können aus einer Serien- oder Parallel-L-C-Kombination bestehen. Andere bereits vorgestellte Resonatoren sind die λ/4- und λ/2-Leitungen. Im unteren Frequenzbereich sind die Quarze wichtige Resonatoren und im oberen Frequenzbereich sind noch die dielektrischen Resonatoren zu nennen.
Da die gekoppelten Bandpassfilter das breiteste Anwendungsspektrum haben, wird die Theorie für zweikreisige Filter im Detail erläutert. Im Gegensatz zum Stand der Literatur handelt es sich hier um exakte geschlossene Gleichungen, die sich sehr einfach anwenden lassen.
Bevor wir jedoch auf diese Theorie eingehen können, müssen die Eigenschaften von Resonatoren verstanden sein. Diese Resonatortheorie ist auch für den Entwurf von Oszillatoren von großer Wichtigkeit. Im Weiteren wird auch ein neuartiges Verfahren zur Steigerung der belasteten Resonatorgüte vorgestellt.
Holger Heuermann
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 vorgestellt. Noch ausführlicher wird im Weiteren auf die elektronischen Schalter eingegangen. Neu sind Schalter, die auf eine Modeblockerstruktur aufbauen.
Holger Heuermann
8. Lineare Verstärker und Rauschen
Zusammenfassung
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 Ausgangsleistungen 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.
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
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 diese (über der Serie sehr gleichen) Bauelemente lassen sich präzise Hochfrequenzschaltungen entwickeln, sofern man über genaue Modelle dieser Bauelemente verfügt.
Leider sind die Modelle von Bauelementen für den Hochfrequenzbereich oft gar nicht oder nur unzureichend verfügbar. So muss der Entwickler sich sehr häufig 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, was im Weiteren als Fitting bezeichnet wird.
Es erklärt sich von selbst, dass andere Hochfrequenzbauelemente andere Modelle benötigen und dass in der Praxis eine große Anzahl von Modellen technisch interessant sind.
Auf all diese Modelle kann leider nicht eingegangen werden. Jedoch soll das Beispiel der planaren Halbleiterspule dazu dienen, die Schwierigkeiten der Erstellung von Modellen und auch des Fittings exemplarisch aufzuzeigen.
Am Ende dieses Kapitels wird ausführlich auf den Entwurf von planaren Spulen, wie sie typisch für die LTCC- und Halbleitertechnik sind, eingegangen.
Holger Heuermann
10. Grundlagen der Systemkonzeption
Zusammenfassung
HF-Komponenten werden erstellt, damit diese in Systemen eingesetzt werden und letztere eine optimale Funktionalität aufweisen. Die Auslegung von HF-Systemen ist als riesiges Gebiet zu sehen, das mit einfachen Übertragungsstrecken für die skalare Messtechnik beginnt und mit hochkomplexen Mobilfunksystemen, bei denen die digitalen Modulationen eine wichtige Rolle spielen, endet.
In diesem Kapitel werden zunächst die grundlegende Techniken und wichtigen Kenngrößen zur Berechnung und Beschreibung einfacher Übertragungssysteme eingeführt. Anschließend wird auf die in der Literatur bevorzugt genutzten Signalflussdiagramme kurz eingegangen.
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. Diese sollen hier nur so detailliert erläutert werden, dass der Leser in der Lage versetzt wird, diese in der Regel kaufbaren Komponenten qualifiziert in sein System integrieren zu können.
Aus der großen Anzahl möglicher Systeme sollen hier 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 Funksystem, das auf der Verwendung von zwei Moden beruht, als Systemlösung präsentiert.
Holger Heuermann
Backmatter
Metadaten
Titel
Hochfrequenztechnik
verfasst von
Prof. Dr. Holger Heuermann
Copyright-Jahr
2018
Electronic ISBN
978-3-658-23198-9
Print ISBN
978-3-658-23197-2
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-23198-9

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