Hochfrequenztechnik - Grundlagen der mobilen Kommunikationstechnik

von: Frank Gustrau

Carl Hanser Fachbuchverlag, 2011

ISBN: 9783446427259

Sprache: Deutsch

314 Seiten, Download: 11266 KB

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Hochfrequenztechnik - Grundlagen der mobilen Kommunikationstechnik

	Vorwort	6
	Inhaltsverzeichnis	8
	1 Einleitung	14
	1.1 Hochfrequenztechnik und ihre Anwendung	14
	1.2 Frequenzbereiche	16
	1.3 Hochfrequenztechnische Erscheinungen	17
	1.4 Ausblick auf die folgenden Kapitel	21
	2 Elektromagnetische Felder und Wellen	24
	2.1 Physikalische und mathematische Grundlagen	24
	2.1.1 Elektrostatische Feldgrößen	24
	2.1.1.1 Elektrische Feldstärke und Spannung	24
	2.1.1.2 Polarisation und relative Dielektrizitätszahl	28
	2.1.1.3 Elektrische Feldenergie und Kapazität	31
	2.1.2 Stationäre elektrische Strömungsfelder und magnetische Felder	31
	2.1.2.1 Stromdichte, Leistungsdichte und Widerstand	31
	2.1.2.2 Magnetische Feldstärke und magnetisches Vektorpotential	33
	2.1.2.3 Magnetische Feldenergie und Induktivität	35
	2.1.2.4 Lorentz-Kraft	35
	2.1.3 Vektoranalytische Operatoren	35
	2.2 Maxwellsche Gleichungen	37
	2.2.1 Differentialform für allgemeine Zeitabhängigkeit	37
	2.2.2 Differentialform für harmonische Zeitabhängigkeit	38
	2.2.3 Integralform	39
	2.2.4 Materialgleichungen	41
	2.2.5 Verhalten an Materialgrenzen	43
	2.3 Einteilung elektromagnetischer Feldprobleme	44
	2.4 Skineffekt	45
	2.5 Elektromagnetische Wellen	48
	2.5.1 Wellengleichung und ebene Wellen	48
	2.5.2 Polarisation	52
	2.5.3 Reflexion und Brechung an ebenen Grenzflächen	54
	2.5.3.1 Senkrechter Einfall	54
	2.5.3.2 Schräger Einfall	57
	2.5.4 Kugelwellen	61
	2.6 Zusammenfassung	63
	2.7 Übungsaufgaben	64
	3 Leitungstheorie und Signale auf Leitungen	66
	3.1 Leitungstheorie	66
	3.1.1 Strom- und Spannungswellen auf Leitungen	66
	3.1.2 Telegraphengleichung	68
	3.1.3 Spannungs- und Stromwellen auf Leitungen	70
	3.1.4 Einseitig abgeschlossene Leitung	73
	3.1.5 Eingangsimpedanz einer abgeschlossenen Leitung	75
	3.1.6 Verlustlose Leitungen	77
	3.1.7 Leitungen mit geringen Verlusten	79
	3.1.8 Verschiedene Leitungsabschlüsse einer verlustlosen Leitung	81
	3.1.8.1 Angepasste Leitung	81
	3.1.8.2 Kurzgeschlossene Leitung	82
	3.1.8.3 Leerlaufende Leitung	84
	3.1.8.4 Allgemeiner Abschluss	85
	3.1.9 Verlustlose Leitungen als Impedanztransformatoren	86
	3.1.9.1 Der 2/4-Transformator	86
	3.1.9.2 Der 2/2-Transformator	87
	3.1.10 Reflexionsfaktor einer verlustlosen Leitung	87
	3.1.11 Smith-Chart-Diagramm	90
	3.2 Zeitsignale auf Leitungen	94
	3.2.1 Sprungförmige Signale	95
	3.2.1.1 Angepasste Quelle und angepasster Abschluss	95
	3.2.1.2 Angepasste Quelle und fehlangepasster (resistiver) Abschluss	96
	3.2.1.3 Angepasste Quelle und fehlangepasster (reaktiver) Abschluss	98
	3.2.1.4 Fehlanpassung an Quelle und Last	101
	3.2.2 Rechteckförmige Signale	103
	3.3 Augendiagramm	105
	3.4 Zusammenfassung	108
	3.5 Übungsaufgaben	108
	4 Wellenleiter	110
	4.1 Überblick über technisch bedeutsame Leitungstypen	110
	4.2 Koaxialleitungen	113
	4.2.1 Induktivitätsbelag und Leitungswellenwiderstand	113
	4.2.2 Dämpfung bei schwachen Verlusten	116
	4.2.3 Nutzbarer Frequenzbereich	118
	4.2.4 Anwendungsgebiete	120
	4.3 Mikrostreifenleitungen (Microstrip)	120
	4.3.1 Wellenwiderstand und effektive Permittivitätszahl	120
	4.3.2 Dispersion und nutzbarer Frequenzbereich	124
	4.3.3 Anwendungsgebiete	125
	4.4 Streifenleitung (Stripline)	125
	4.4.1 Leitungswellenwiderstand	125
	4.4.2 Nutzbarer Frequenzbereich	126
	4.4.3 Anwendungsgebiete	127
	4.5 Rechteckhohlleiter	127
	4.5.1 Allgemeine Überlegungen	127
	4.5.2 Die H10-Grundwelle	131
	4.5.3 Höhere Wellentypen	133
	4.5.4 Einsatzgebiete von Hohlleitern	135
	4.5.5 Anregung von Hohlleiterwellen	135
	4.5.6 Hohlraumresonatoren	136
	4.6 Zweidrahtleitung	138
	4.6.2 Anwendungsgebiete	139
	4.6.1 Leitungswellenwiderstand	138
	4.6.2 Anwendungsgebiete	139
	4.7 Dreileitersysteme	139
	4.7.1 Gleich- und Gegentaktwellen	139
	4.7.2 Leitungswellenwiderstände und Ausbreitungskonstanten	141
	4.7.3 Leitungsabschluss	144
	4.8 Übungsaufgaben	144
	5 Streuparameter	146
	5.1 Mehrtorgleichungen in Matrixform	146
	5.2 Definition von Wellengrößen	147
	5.3 Streuparameter und Leistung	149
	5.4 Spezielle Eigenschaften von Schaltungen	152
	5.4.1 Anpassung	152
	5.4.2 Leistungsanpassung	153
	5.4.3 Reziprozität (Übertragungssymmetrie)	154
	5.4.4 Symmetrie	154
	5.4.5 Verlustlosigkeit bei Passivität	154
	5.4.6 Rückwirkungsfreiheit	155
	5.4.7 Besondere Bedingungen bei Dreitoren	156
	5.5 Berechnung von Streumatrizen	156
	5.5.1 Reflexionsfaktoren	156
	5.5.2 Transmissionsfaktoren	157
	5.5.3 Umnormierung einer Streumatrix auf andere Torwiderstände	159
	5.6 Signalflussmethode	161
	5.7 Messung von Streuparametern	165
	5.8 Übungsaufgaben	169
	6 Hochfrequenzbauelemente und -schaltungen	172
	6.1 Ersatzschaltbilder konzentrierter Bauelemente	172
	6.1.1 Widerstände	172
	6.1.2 Kondensatoren	174
	6.1.3 Spulen	176
	6.2 Passive Schaltungen	177
	6.2.1 Leitungsresonatoren	177
	6.2.2 Anpassschaltungen	181
	6.2.2.1 LC-Anpassnetzwerke	181
	6.2.2.2 Anpassung mit Leitungen	184
	6.2.3 Filter	187
	6.2.3.1 Klassischer LC-Filterentwurf mit Induktivitäten und Kapazitäten	188
	6.2.3.2 Entwurf von Butterworth-Filtern	190
	6.2.4 Leitungsfilter	196
	6.2.4.1 Planare Filter	196
	6.2.4.2 Metallisch geschirmte Filter (Gehäuseresonanzen)	202
	6.2.4.3 Hohlleitungsfilter	203
	6.2.5 Zirkulatoren	205
	6.2.6 Leistungsteiler	206
	6.2.6.1 Wilkinson-Leistungsteiler	206
	6.2.6.2 Leistungsteiler mit ungleicher Leistungsaufteilung	208
	6.2.7 Branchline-Koppler	209
	6.2.7.1 Konventioneller 3-dB-Koppler	209
	6.2.7.2 Ungleiche Leistungsaufteilung und Impedanztransformation	211
	6.2.8 Rat-Race-Koppler	213
	6.2.9 Richtkoppler	214
	6.2.10 Symmetrierglieder	216
	6.3 Elektronische Schaltungen	218
	6.3.1 Mischer	220
	6.3.2 Verstärker und Oszillatoren	222
	6.4 Moderne HF-Entwurfswerkzeuge	224
	6.4.1 HF-Schaltungssimulatoren	224
	6.4.2 Elektromagnetische 3D-Feldsimulation	224
	6.5 Übungsaufgaben	228
	7 Antennen	230
	7.1 Grundbegriffe und Kenngrößen	231
	7.1.1 Nahfeld und Fernfeld	231
	7.1.2 Isotroper Kugelstrahler	232
	7.1.3 Kenngrößen für das Strahlungsfeld einer Antenne	233
	7.1.4 Anpassung und Bandbreite	238
	7.2 Praktische Antennenbauformen	239
	7.3 Mathematische Behandlung des Hertzschen Dipols	242
	7.4 Drahtantennen	247
	7.4.1 Halbwellendipol	247
	7.4.2 Monopol	248
	7.4.3 Verkürzung von Monopolantennen	250
	7.5 Planare Antennen	251
	7.5.1 Rechteckige Patch-Antenne	252
	7.5.1.1 Abstrahlung eines Patch-Elementes	252
	7.5.1.2 Resonanzfrequenz und Patch-Abmessungen	253
	7.5.1.3 Speisung von Patch-Antennen	254
	7.5.2 Patch-Antennen mit zirkularer Polarisation	258
	7.5.3 Planare Dipol- und Inverted-F-Antennen	260
	7.6 Gruppenantennen	261
	7.6.1 Einzelcharakteristik und Gruppenfaktor	261
	7.6.2 Phasengesteuerte Antennen	265
	7.6.3 Strahlformung	270
	7.7 Weitere Antennenkonzepte	273
	7.8 Übungsaufgaben	273
	8 Funkwellen	276
	8.1 Wellenausbreitungseffekte	276
	8.2 Einfache Ausbreitungsszenarien	281
	8.2.1 Freiraumausbreitung	281
	8.2.2 Ausbreitung über ebenem Grund	284
	8.2.3 Richtfunkstrecken	286
	8.2.4 Geschichtete Medien	288
	8.3 Komplexe Umgebungen	290
	8.3.1 Mehrwegeausbreitung	290
	8.3.2 Patch-Loss-Modelle	291
	8.4 Übungsaufgaben	292
	A Anhang	294
	A.1 Koordinatensysteme	294
	A.1.1 Kartesisches Koordinatensystem	294
	A.1.2 Zylinderkoordinatensystem	295
	A.1.3 Kugelkoordinatensystem	296
	A.2 Logarithmische Darstellung von Größen	297
	A.2.1 Dimensionslose Größen	297
	A.2.2 Relative und absolute Pegel	298
	A.2.3 Pegelplan einer Übertragungsstrecke	298
	Literaturverzeichnis	300
	Sachwortverzeichnis	304

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