Hochfrequenztechnik - Grundlagen der mobilen Kommunikationstechnik

"6 Hochfrequenzbauelemente und -schaltungen (S. 171-172)

In den nachfolgenden Abschnitten werfen wir zunächst einen kurzen Blick auf das Verhalten konzentrierter Bauelemente bei hohen Frequenzen. Dann wollen wir typische passive Hochfrequenzschaltungen betrachten, die aus konzentrierten Bauelementen und aus Leitungsstrukturen bestehen. Den Einsatz von Hochfrequenzschaltungssimulationen werden wir dabei an konkreten Beispielen demonstrieren.

6.1 Ersatzschaltbilder konzentrierter Bauelemente

Reale konzentrierte Bauelemente wie Widerstände, Kondensatoren und Spulen können nur bei niedrigen Frequenzen und in erster Näherung durch ihre idealen Entsprechungen beschrieben werden. Bei höheren Frequenzen treten parasitäre Eigenschaften immer deutlicher hervor. Diese parasitären Eigenschaften entstehen durch Zuleitungsinduktivitäten, Anschlusskapazitäten und Verluste in den Anschlussleitungen sowie in den verwendeten dielektrischen und magnetischen Materialien. Wir wollen in den folgenden Abschnitten einfache, physikalisch motivierte Ersatzschaltbilder für die drei wichtigen passiven Bauteile Widerstand, Kondensator und Spule kennenlernen.

Die einfachen Ersatzschaltbilder verwenden jeweils drei ideale Bauelemente und erlauben es, das Verhalten realer konzentrierter Elemente auch bei höheren Frequenzen zu beschreiben. Durch die Wahl noch komplexerer Ersatzschaltbilder [Detl09] kann der Gültigkeitsbereich zu höheren Frequenzen erweitert werden, allerdings wird die Bestimmung der Ersatzschaltbildelemente (z.B. durch Messungen) immer aufwendiger. Weiterhin muss beachtet werden, dass bei höheren Frequenzen die Einbausituation in die Schaltung eine Rolle spielt, da die konzentrierten Elemente mit ihrer Umgebung in Wechselwirkung treten.

6.1.1 Widerstände

Widerstände gibt es in vielen unterschiedlichen Bauformen [Stin07]. Bei Hochfrequenzanwendungen werden in der Regel SMD (Surface Mounted Device)-Bauelemente verwendet [Heue09]. Der Name rührt daher, dass die Bauteile ohne Anschlussdrähte direkt auf die planaren Leiterbahnen aufgebracht werden. Diese Anschlussweise zusammen mit der kleinen Bauform führt zu geringen parasitären Eigenschaften und macht die Bauteile bei höheren Frequenzen nutzbar.

Bild 6.1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines SMD-Widerstandes: Auf einem keramischen, quaderförmigen Träger liegt eine dünne flächige Widerstandsschicht mit typischen Dicken bis zu 50 1m. An den Enden befinden sich metallische Anschlusskontakte mit denen das Bauteil auf die Leiterbahn gelötet werden kann. Typische SMD-Gehäuseabmessungen sind in Tabelle 6.1 zusammengetragen. Die Gehäusebezeichnungen bestehen aus 4 Ziffern, wobei die ersten beiden Ziffern die Länge in Einhundertstel-Inch (entspricht 0,254 mm) angeben. Die letzten beiden Ziffern geben entsprechend die Breite an. Die Werte sind mit gewissen Toleranzen behaftet, die in der Tabelle aber nicht aufgeführt sind."