Grundlagen der Mikrowellentechnik

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1 Grundlagen der Mikrowellentechnik von Prof. Dr.-Ing. Manfred Kummer unter Mitarbeit von Dr.-Ing. Günter Fuchs Doz. Dr. sc. techn. Heinrich Loele Prof. Dr.-Ing. habil. Werner Mansfeld Dr. sc. techn. Siegfried Martius 2., durchgesehene Auflage ii VEB VERLAG TECHNIK BERLIN

2 Inhaltsverzeichnis Formelzeichen und Schreibweisen Einleitung Merkmale der Mikrowellentechnik Anwendungsgebiete der Mikrowellentechnik Nachrichtentechnik Funkortung und -navigation Mikroelektronik Meßtechnik Anwendung von Mikrowellenenergie zur Erwärmung Energieerzeugung und -Übertragung Hinweise zum Inhalt des Buches Feldtheoretische Grundlagen Maxwellsche Gleichungen Grundbeziehungen und Materialkenngrößen Rand-, Kanten- und Ausstrahlungsbedingungen Energien und Leistungen im Feld Darstellung im Zeitbereich (reelle Schreibweise) Darstellung im Frequenzbereich (komplexe Schreibweise) Berechnung der Felder in homogenen Medien Allgemeines Elektrodynamische Potentiale Darstellung des Feldes in quellenfreien Gebieten Allgemeine Lösungen der Wellengleichung Kenngrößen elektromagnetischer Wellen Allgemeines Wellenzahl, Ausbreitungskonstante Polarisation Reziprozitätstheorem Wellenleiter Physikalische Vorstellungen und technische Kenngrößen Geschlossene Wellenleiter mit homogenem Dielektrikum Wellengleichung in allgemeinen zylindrischen Koordinaten Feldtypen und ihre grundsätzlichen Eigenschaften Leistungsdichte und übertragene Leistung Stromdichten Verlustleistung und Verlustdämpfungskonstante 65

3 Inhaltsverzeichnis Rechteckhohlleiter Kreiszylindrische Hohlleiter Koaxialleitung Streifenleitungen Bauformen Kenngrößen der Mikrostreifenleitung Zur Dimensionierung von Mikrostreifenleitungen Dielektrische Wellenleiter Resonatoren Allgemeine Begriffe Resonatoren aus Lecherleitungen Resonanzbedingung Gütefaktor ß Resonanzleitwert Hohlraumresonatoren Resonanzbedingungen, Modendiagramm Gütefaktor ß Dielektrische Resonatoren Resonatoren in der Schaltung Gyrotropien und ihre Anwendungen Ferrimagnetische Werkstoffe Magnetisierungsdynamik Landau-Lifshitz-Dämpfung Bloch-Bloembergen-Dämpfung Dynamik des kalten vormagnetisierten Plasmas Der äußere Suszeptibilitätstensor Werkstoffauswahl Ausbreitung ebener Wellen in unendlich ausgedehnten gyrotropen Medien Ebene elektromagnetische Wellen im gyrotropen Medium Faradayeffekt - Vormagnetisierung in Ausbreitungsrichtung Doppelbrechung - Vormagnetisierung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung Magnetostatische Schwingungen, Spinwellen Mikrowellenbauelemente mit ferrimagnetischen Werkstoffen Faradaydreher, Faradayrichtungsleitungen Resonanzrichtungsleitungen Feldverschiebungseffekt, Oberflächenwellen Feldverschiebungsrichtungsleitungen im Rechteckhohlleiter Zirkulatoren oder Richtungsgabeln Ferrimagnetische Resonatoren Ankopplung magnetostatischer Resonatoren bei Kittel-Resonanz Gesteuerte Quellen Schleifengekoppelte Filter Nichtlineare ferrimagnetische Strukturen 168

4 8 Inhaltsverzeichnis 6. Schaltungstheoretische Grundlagen Schaltungsbeschreibung mit Wellengrößen Besonderheiten von Mikrowellenschaltungen Wellengrößen und ihr Zusammenhang mit anderen Größen Wellenmatrizen Streumatrix und ihre Elemente Streumatrix reziproker Netzwerke Streumatrix verlustloser Netzwerke Transmissionsmatrix Zusammenhang der Streumatrix mit anderen Matrizen Streumatrizen einiger einfacher Netzwerke Wellenquelle und Wellenverbraucher Eintorquelle Wellensenke (Verbraucher) Eintorquelle mit Verbraucher Signalflußgrafen zur Analyse von Mikrowellenschaltungen Begriffe und Definitionen Berechnung der Übertragungsfaktoren? ZC Zweitorschaltungen Transformation von Reflexionsfaktor und Widerstand bzw. Leitwert über ein Zweitor Leistungsübertragung über ein Zweitor Kettenschaltung von Zweitoren Mehrtorschaltungen Einige Eigenschaften von Mehrtoren Schaltungen mit Mehrtoren Gemischte Matrix (Mischkettenmatrix) Definition Eigenschaften Transformationen von Reflexionsfaktor, Widerstand und Leitwert Smith-Diagramm Anwendungen des Smith-Diagramms Leitungsbauelemente Eintore Reflexionsfreie Abschlußwiderstände Variable Abschlußwiderstände Reaktanzleitungen Zweitore Ankopplungen Übergänge und Wellentypwandler Wellentypfilter Leitungsdiskontinuitäten Dämpfungsglieder Phasenschieber Polarisationswandler 232

5 Inhaltsverzeichnis Frequenzfilter und -weichen Begriffe aus der Filtertheorie Ausführungsformen Frequenzweichen Leitungsverzweigungen Dreitorverzweigung Ringhybrid Magisches T Richtkoppler Grundprinzip, Kennwerte Mehrloch- und Langschlitzkoppler Streifenleitungskoppler Elektronische Bauelemente der Mikrowellentechnik und ihre schaltungstechnischen Anwendungen Grundgesetze für das Verhalten von Ladungsträgern im höchstfrequenten Wechselfeld Bewegungsgleichungen Bündelung vonelektronenstrahlen durch ein axiales magnetisches Gleichfeld Verhalten dichtegesteuerter Elektronenröhren bei hohen Frequenzen Wirkungsweise und Kennwerte einiger Mikrowellenlaufzeitröhren Zweikammerklystron Reflexklystron Wanderfeldröhre Magnetron Karzinotron Lauffeldröhren mit magnetischem Querfeld (M-Typen) Wirkungsweise, Kennwerte und schaltungstechnische Anwendungen einiger Mikrowellenhalbleiterbauelemente Übersicht Mikrowellentransistoren Mikrowellenbipolartransistoren Grenzfrequenzen - Physikalische Leistungs- und Frequenzgrenzen Mikrowellenfeldeffekttransistoren Streuparameter von Höchstfrequenztransistoren Spitzen- und Schottkydioden Aufbau und Wirkungsweise Strom-Spannungs-Charakteristik Ersatzschaltbild HF-Gleichrichtung Mischung und Mischschaltungen PIN-Dioden Aufbau und Wirkungsweise Ersatzschaltbild Anwendungen Varaktordioden Aufbau und Wirkungsweise Kapazitäts-Spannungskennlinie Anwendungen Abstimmung von Schwingungskreisen Frequenzvervielfachung 325

6 10 Inhaltsverzeichnis Parametrische Verstärkung Lawinenlaufzeit-(IMPATT-) Dioden Aufbau und Wirkungsweise Kleinsignalimpedanz Schwingbedingung Leistung und Wirkungsgrad des Lawinendiodenoszillators Betriebsarten der Lawinendiode zur Erzielung höherer Wirkungsgrade Schaltungsanordnungen mit Lawinendioden zur Verstärkung und Schwingungserzeugung Elektronen-Transfer- (Gunn-) Elemente Gunneffekt LSA-Mode Oszillatorschaltungen mit Gunnelementen Grundlagen der Mikrowellenmeßtechnik Meßtechnische Besonderheiten im Mikrowellenbereich Meßgeneratoren für den Mikrowellenbereich Leistungsmessung im Mikrowellenbereich Allgemeine Grundlagen Wirkprinzipien der Meßwertwandler Direkt eichbare Leistungsmeßköpfe und Leistungsmeßverfahren Kalorimeter Thermistorleistungsmesser Leistungsmeßköpfe und Leistungsmeßverfahren mit leistungsproportionaler Anzeige Thermoelementleistungsmesser Diodenleistungsmesser Zusammenfassung Messung von Netzwerkparametern Allgemeine Beschreibung von Netzwerken im Mikrowellenbereich Messung der Reflexionsfaktoren Meßleitung Mehrsondentechnik Reflektometerbrücke Richtkoppler (Reflektometer) Zeitbereichsreflektometer Messung der Transmissionsfaktoren Messung der Elemente S^, i^j der Streumatrix durch eine Übertragungsmessung Messung der Streumatrixelemente nur durch Reflexionsfaktormessung Dämpfungsmessungen Automatisierte Meßsysteme Zusammenfassung Frequenzmessung Allgemeine Grundlagen Mechanische Frequenz- und Wellenlängenmesser Digitale elektronische Frequenzmesser Spektrometer Zusammenfassung Messung der Kennwerte von Resonatoren Bedeutung der Resonatormeßtechnik Ankopplungsarten von Resonatoren an Wellenleiter und ihre Streumatrizen 399

7 Inhaltsverzeichnis Werte der Streumatrixelemente bei definierten Verstimmungen Bestimmung der Resonatorkennwerte aus den Streumatrixelementen Messung der Güte durch Auswertung des Ausschwingvorgangs Zusammenfassung Rauschzahlmessung Grundlagen und Definitionen Rauschgeneratoren Messung der Rauschzahl Rauschgeneratormethode Signalgeneratormethode Meßfehler Richtfunktechnik Grundlagen der Richtfunktechnik Prinzip des Richtfunks Nachrichtenart Übertragungsart Übertragungsqualität Aufbau einer terrestrischen Richtfunkverbindung Richtfunklinie Richtfunksystem Frequenzplanung für Richtfunklinien Wellenausbreitung Frequenzbereiche Ausbreitungserscheinungen Funkfelddämpfung Breitbandrichtfunksystem Systemkonzeption Bestandteile des Systems Modulationsgerät Funkgerät Antennenanschaltung Antenne und Antennenzuleitung Überwachung Ersatzschaltungseinrichtungen Konstruktion Schmalbandrichtfunksystem Systemkonzeption Bestandteile Funkgerät Sender Empfänger Antennenanschaltung Dienstverbindung Ersatzschaltungseinrichtungen Konstruktion 436 Literaturverzeichnis 438 Sachwörterverzeichnis 441