HF-Technik Prof. Dr. Ulrich Fischer-Hirchert

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1 HF-Technik Prof. Dr. Ulrich Fischer-Hirchert Lehrstuhl für Telekommunikation Hochschule Harz, Wernigerode 1

2 Lecherleitung 2

3 Widerstandsbelag Koaxkabel 3

4 Ortskurven des Wellenwiderstandes 4

5 Fortpflanzungsparameter 5

6 Fortpflanzungsparameter II 6

7 Induktionsbelag 7

8 Zeigerdiagramme 8

9 Polardiagramm des Reflexionsfaktors 9

10 Reflexionsfaktor in Polarkoordinaten 10

11 Zeigerdiagramme II 11

12 Zeigerdiagramme III 12

13 Smith-Diagramm 13

14 Smith-Diagramm 14

15 TEM-Leiter t h ε r t h ε r w s w s a) b) c) d) a) Zweidrahtleitung, b) Koaxialleitung, c) Mikrostreifenleitung, d) Koplanarleitung 15

16 Feldverlauf im Rundholleiter a Schnitt a-b b 16

17 Leitungsgleichungen L` als den Induktivitätsbelag, die Selbstinduktion pro Längeneinheit, C` als Kapazitätsbelag, die Kapazität zwischen den beiden Leitern und R` als Widerstandsbelag den Ohmschen Leitungswiderstand pro Längeneinheit. Leitwertbelag G`, als den Leitwert der Querableitung zwischen den beiden Leitern (pro Längeneinheit) ein. Aus dem Ohmschen Gesetz U=RI ergeben sich dann die Leitungsgleichungen I + l U + U I + l z du di = ( R` + jωl `) I ( 48. ) = ( G` + jωc `) U ( 49. ) dz dz Um den Verlauf der Spannung entlang der Leitung zu bestimmen, differenziert man Gl. (4.9) und setzt die Größe aus Gl. (4.10) ein: 2 2 d U d U 2 = ( R`+ jωl`) ( G`+ jωc`) U = γ z U = dz dz mit γ = 2 z ( R`+ jωl`) ( G`+ jωc`) ( 410. ) ( 411. ) I U U 0 I z Die Größe g z wird als Fortpflanzungskonstante bezeichnet, da in dieser Formel alle elektrischen Eigenschaften der sich ausbreitenden Welle eingehen. Da der Ausdruck für g z komplex ist, setzt er sich aus einem Realteil und Imaginärteil zusammen: g z = +-(a + jb). Der Realteil ist ein Maß für die Dämpfung und heißt Dämpfungsbelag und der Imaginärteil berücksichtigt die phasendrehende Eigenschaft der Leitung und wird Phasenbelag genannt. 17

18 Skineffekt Eindringtiefe als Fkt. der Frequenz d = ρ π µ µ 0 ω (17) 18

19 Hochfrequenzstecker und deren Übertragungsbänder Koaxialkabel mit BNC-Stecker und RG58-Kabel Koaxialkabel mit SMA-Stecker und RG178-Kabel Koaxialkabel mit SMA-Stecker und RG-58 Kabel Steckertyp Bandbreite/GHz BNC 0-2 SMA 0-18 K 0-45 V 0-65 W

20 Koaxialkabel Kabel CA50020 CA50034 RG178 RG58 (Precision tube Co.) (Precision tube Co.) Innerer Leiter (mm) Äußerer Leiter (mm) 0,111 0,2 0,3 (7x0,1) 0,9(19x0,18) 0,5 0,86 1,8 4,95 Dielektr. Material Polytetrafluorethylen (PTFE) PTFE PTFE PTFE Leitermaterial, innen Leitermaterial, aussen Cutoff Frequenz (GHz) Dämpfung Dielektr.- Konstante StCuAg StCuAg StCu StCu Cu versilbert Cu versilbert Cu versilbert Cu versilbert ,

21 Geometrischer Aufbau einer Koplanarleitung Masseleitung Innenleiter Masseleitung L H S W S t ε r ER = relative Dielektrizitätskonstante RHO = spezifischer Widerstand auf Gold normiert RHG = Oberflächenrauhigkeit, auf die Länge bezogen W S L H t = Innenleiterbreite = Abstand (spacing) der Signalleitung von der Masseleitung = Länge der Leitung = Substrathöhe = Metallisierungsdicke 21

22 Feldlinienverlauf in der Koplanarleitung E - Feldlinien H - Feldlinien magn. Wand A) Gegentaktwelle a) elektr. Wand B) Gleichtaktwelle b) 22

23 Aufbau eines TMM-Substrats kohlenstoffvernetztes Harz mit Keramikfüllung beidseitige Kupferschicht 23

24 Dämpfungskurven von Koplanarleitungen auf HF- Substraten mit unterschiedlicher Dielelektrizitätskonstante ε 0 S 21 / db TMM10i TMM10 TMM6 TMM4 TMM f / GHz

25 Dämpfungskurven von Aluminiumnitrit-Keramiken und beschichteten Siliziumwafern 0-1 S 21 / db Al3 Al6 Si_Poly Si_SiNx Si_SiO f / GHz

26 HF-Parameter einiger HF-Substratmaterialien Eigenschaften Si Al 2 O 3 TMM3 TMM10 ε r 11,8 9,8 3,27 9,2 Spez. Widerst. (Ohm/cm) W asserabsorption (%) *10 9 2* ,12 0,2 W ärmeleitfähigkeit (W/m/K) 25 C Thermische Ausdehnung (10 6 / C) Oberflächenrauhigkeit (µm) ,68 0,73 2,44 4, < Spez. Gewicht 2,33 3,75 1,78 2,77 26

27 Schematischer Aufbau einer Photodiode mit optischer Faserankopplung und Hochfrequenz- Steckerverbindung HF-Substrat Bondung K - Steckeranschluß CPW Chip Glasfaser Gehäuse (Messing) 27

28 Schematische Darstellung der Anbindung einer Koplanarleitung an einen K-Stecker mit Glass Bead Installation HF-Wellenleiter auf HF-Substrat.025mm Lot Lot oder Bonddraht.3 mm 0.1 mm Anpassungsspalt Glas-Bead.030 mm Spalt zur Kompensation 28

29 Lasermodul mit HF-Anbindung über 50GHz HF-Technik 29

30 Maxwell`sche Gleichungen rote = divb = 0 d B dt (4.1) (4.3) roth divd = a) D b) B c) B = j ρ + d D dt D = ε ε0 E (4.5) B = µ µ 0 H (4.6) j = σ E (4.2) (4.4) (4.7) H D H B E E 30

31 Vektor-Analysis In the following formulas, U and V are scalar fields defined into R 3, A et B are vectorial fields of R 3. a x, a y, a z are vectors of a direct orthonormalized base of R 3. Gradient operator Divergence operator Rotational operator Laplacian operator 31