Mikrowellentechnik

Resonatoren sind häufig eingesetzte Bauelemente in der Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik. Bei niedrigen Frequenzen sind Resonatoren aus konzentrierten, passiven elektrischen Bauelementen wie Induktivitäten und Kapazitäten aufgebaut oder als verteilte elektromechanische Strukturen (z. B. Quarzresonatoren) realisiert. Bei Mikrowellenfrequenzen sind die Abmessungen der Schaltungen mit der Wellenlänge vergleichbar. Daher kommen hier meist verteilte elektromagnetische Resonatoren zum Einsatz. In diesem Kapitel werden hauptsächlich solche Resonatoren betrachtet. Die konventionellen Mikrowellenresonatoren sind dadurch charakterisiert, dass das elektromagnetische Feld innerhalb eines Hohlraumes (cavity) mit gut leitenden Wänden konzentriert ist. Über Kopplungen wird ein Signal in den Resonator ein- und ausgekoppelt. Meist können die Resonatoreigenschaften, wie sie an den Koppelpunkten erscheinen, in einem gewissen Frequenzbereich mit wenigen Parametern hinreichend genau beschrieben oder mit einem Ersatzschaltbild dargestellt werden. So vereinfacht können Resonatoren als Teile von grösseren Schaltungen zur Schaltungsanalyse eingesetzt werden.

Das ganze Gebiet der Filtertechnik mit passiven Bauelementen gehört zu den Klassikern der Elektrotechnik und blickt zurück auf eine Entwicklungszeit von mehreren Jahrzehnten. In der Niederfrequenztechnik spielten die aus Induktivitäten und Kapazitäten aufgebauten Filter sehr lange eine dominierende Rolle. Die dabei entwickelten Methoden der Filtersynthese konnten aber auch auf modernere Filtertechnologien übertragen werden und finden sich in abgewandelter Form beispielsweise in aktiven Filtern, digitalen Filtern und SAW-Filtern. Die Vielfalt der praktisch eingesetzten Technologien ist bei den Filtern der Höchstfrequenztechnik nicht so ausgeprägt. Namentlich haben aktive Bauelemente noch wenig Anwendung gefunden.

In der drahtlosen Nachrichtentechnik fällt den Antennen die Aufgabe zu, den elektromagnetischen Wellentyp so zu verändern, dass er in einem Übertragungsmedium ausbreitungsfähig wird. Im Falle einer Übertragung durch den freien Raum werden an die Antenne (den Wellentypwandler) je nach Anwendung sehr unterschiedliche Anforderungen gestellt. Figur 3.1 zeigt schematisch die Wellentypwandlung von einer Leitung mit dem Wellenwiderstand Z_w auf eine Freiraumwelle mit der Feldwellenimpedanz Z_fo = 120π Ω ≈ 377 Ω.

Bei der Analyse von Schaltungen der Hochfrequenztechnik zeigt es sich, dass schon bei relativ einfachen Problemen zur numerischen Behandlung mittels CAD (computer aided design) gegriffen werden muss. Beispielsweise erlaubt die Theorie der verlustlosen Filter, dank ausgereiften Syntheseverfahren, eine Filtersynthese der einfachsten Filter ohne numerischen Aufwand. Zum Entwurf eines Tschebyscheff Filters niedriger Ordnung benötigt man bloss eine graphische Darstellung zur Ermittlung der Filterordnung, die normierten Filterprototypen und einige Regeln. Sind dagegen die Komponenten des Filters verlustbehaftet, müssen schon für einfache Filter numerische Methoden eingesetzt werden.

Die Halbleiterbauelemente bestimmen massgeblich die Schalt- und Verstärkerfunktionen sowie die nichtlinearen Operationen von analogen und digitalen Signalen. Die früher in der Höchstfrequenztechnik weitverbreiteten, verschiedenartigsten Verstärker- und Oszillatorröhren werden heute nur noch bei sehr grossen Hochfrequenzleistungen eingesetzt. In der Mikrowellenelektronik, d.h. der analogen Schaltungstechnik im GHz-Bereich wird seit Mitte der 80er Jahre der Übergang von diskreten Halbleiterbauelementen zu integrierten Schaltungen vollzogen. Der entsprechende Schritt wurde in der Niederfrequenztechnik in den frühen 70er Jahren getan. In der digitalen Schaltungstechnik mit Taktfrequenzen im GHz-Bereich (Gigabit-Technik) kommen direkt, ohne Umweg über die diskrete Schaltungstechnik, mehr oder weniger hochintegrierte Schaltungen zum Einsatz.

Ein Blick in den Aufbau der heute gebräuchlichen Halbleiterbauelemente zeigt, dass diese ausnahmslos pn-Kontakte und Schottky-Kontakte beinhalten. Die Übergänge zwischen verschieden dotierten Halbleitern sowie zwischen Metallen und Halbleitern sind somit Grundelemente aller Halbleiterbauelemente, von Leistungshalbleitern über Mikrowellenkomponenten bis zu optoelektronischen Komponenten.

In der Elektronik und der Kommunikationstechnik werden verschiedene Rauschursachen und Phänomene unterschieden:

In der Signalverarbeitung hochfrequenter Signale spielen Detektion und Mischung eine grosse Rolle. Diese Funktionen erlauben eine Frequenzumsetzung von Signalen in einem fast beliebigen Bereich, von Niederfrequenz bis zu optischen Frequenzen. Unter der Detektion wird die Umsetzung eines modulierten oder unmodulierten hochfrequenten Signals in ein Gleichspannungssignal (bei konstanter HF-Amplitude) oder ein niederfrequentes Signal (bei amplitudenmoduliertem HF-Signal) verstanden. Das detektierte niederfrequente Signal wird auch als Videosignal bezeichnet. Mit der Mischung oder Modulation wird ein Signal von einer gewissen Bandbreite auf der Frequenzachse verschoben. Detektion und Mischung sind nichtlineare Vorgänge. Die dazu verwendeten Bauelemente sollten daher ein ausgeprägtes nichtlineares Verhalten zeigen. In den meisten Fällen werden nichtlineare resistive Bauelemente, wie Dioden und Transistoren, eingesetzt. Grundsätzlich eignen sich auch nichtlineare reaktive Elemente, wie die Varaktordiode. Es zeigt sich aber, dass mit Dioden und Transistoren ausgeprägtere nichtlineare Charakteristiken realisiert werden können als mit nichtlinearen Reaktanzen.

Wie im Kapitel 6 gezeigt wurde, zeichnet sich die PIN-Diode durch folgendes Verhalten für eine Vorspannung in Fluss- und Sperrichtung aus: