Frank Gustrau. Hochfrequenztechnik. Grundlagen der mobilen Kommunikationstechnik. 2., überarbeitete und erweiterte Auflage

Transkript

1 Frank Gustrau Hochfrequenztechnik Grundlagen der mobilen Kommunikationstechnik 2., überarbeitete und erweiterte Auflage

2 Gustrau Hochfrequenztechnik Bleiben Sie auf dem Laufenden! Hanser Newsletter informieren Sie regel mäßig über neue Bücher und Termine aus den verschiedenen Bereichen der Technik. Profitieren Sie auch von Gewinnspielen und exklusiven Leseproben. Gleich anmelden unter

3

4 Frank Gustrau Hochfrequenztechnik Grundlagen der mobilen Kommunikationstechnik 2., überarbeitete und erweiterte Auflage Mit 208 Bildern, 58 Beispielen und 39 Übungsaufgaben Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag

5 Autor: Prof. Dr.-Ing. Frank Gustrau Fachhochschule Dortmund Alle in diesem Buch enthaltenen Programme, Verfahren und elektronischen Schaltungen wurden nach bestem Wissen erstellt und mit Sorgfalt getestet. Dennoch sind Fehler nicht ganz auszuschließen. Aus diesem Grund ist das im vorliegenden Buch enthaltene Programm-Material mit keiner Verpflichtung oder Garantie irgendeiner Art verbunden. Autor und Verlag übernehmen infolgedessen keine Verantwortung und werden keine daraus folgende oder sonstige Haftung übernehmen, die auf irgendeine Art aus der Benutzung dieses Programm-Materials oder Teilen davon entsteht. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. ISBN: E-Book-ISBN: Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdruckes und der Vervielfältigung des Buches, oder Teilen daraus, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilm oder ein anderes Verfahren), auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung mit Ausnahme der in den 53, 54 URG genannten Sonderfälle, reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden Carl Hanser Verlag München Internet: Lektorat: Mirja Werner, M. A. Herstellung: Dipl.-Ing. Franziska Kaufmann Coverconcept: Marc Müller-Bremer, München Coverrealisierung: Stephan Rönigk Druck und Bindung: Friedrich Pustet KG, Regensburg Printed in Germany

6 Vorwort Das vorliegende Lehrbuch bietet Studierenden einen praxisnahen Einstieg in das Gebiet der Hochfrequenztechnik und der physikalischen Aspekte der Funkkommunikation. Drahtlose Techniken in den Bereichen Kommunikation (Datennetze, Mobiltelefon), Identifikation (RFID), Navigation (GPS) und Ortung (Radar) erfreuen sich zunehmender Verbreitung. Im Bereich der Funkanwendungen werden seit jeher vergleichsweise hohe Trägerfrequenzen verwendet, denn dies ermöglicht eine gute Ausnutzung des elektromagnetischen Spektrums und den Aufbau effizienter Antennen. Kostengünstige Herstellungsprozesse und rechnergestützte Entwurfswerkzeuge erschließen der Funktechnik immer neue Anwendungsgebiete und höhere Bandbreiten. Im Bereich der Schaltungstechnik führen die Verwendung höherer Datenraten in Schaltungen und die damit verbundenen hochfrequenten Signalanteile zu neuen Anforderungen beim Schaltungsentwurf. Leitungen bedürfen plötzlich einer eingehenden Betrachtung, Verkopplungen zwischen benachbarten Komponenten treten deutlicher hervor und es kommt zu ungewollter Abstrahlung von elektromagnetischen Wellen. Beim Entwurf haben verteilte Strukturen zunehmend Vorteile gegenüber den klassischen konzentrierten Bauelementen. Auch Digitaltechniker kommen somit mit den Begriffen Leitungswellenwiderstand und Antenne in Berührung. Vielfältige Funkanwendungen und hochdatenratige Kommunikation tauchen heute auch in technischen Produkten auf, die ehemals dem Maschinenbau zuzuordnen waren, wie zum Beispiel dem Automobil. Hochfrequenztechnik ist daher in ihren Grundlagen heute keine Spezialdisziplin mehr, sondern eine Basisdisziplin für alle Ingenieure der Fachrichtungen Elektro-, Informations- und Kommunikationstechnik sowie der angrenzenden Fachrichtungen Mechatronik und Fahrzeugelektronik. Bei der gegebenen Breite des Faches Hochfrequenztechnik muss natürlich für die Darstellung in diesem Buch eine sinnvolle Beschränkung des Stoffes vorgenommen werden. Was die Hochfrequenztechnik zuallererst gegenüber der klassischen Elektrotechnik auszeichnet, ist der Umstand, dass die Abmessungen der Strukturen nicht mehr klein im Verhältnis zur Wellenlänge sind. Die damit einhergehenden Wellenausbreitungsvorgänge führen zu den typischen Hochfrequenzphänomenen. Dreh- und Angelpunkt des Buches sind daher die Wellenausbreitungsvorgänge, ihre Beschreibung, ihre Konsequenzen und ihre Nutzbarmachung in passiven Schaltungen und Antennenstrukturen. Aktive elektronische Schaltungen und der gesamte Bereich der Hochfrequenzelektronik, wie der Entwurf von Verstärkern, Mischern und Oszillatoren, werden in diesem Buch weitestgehend ausgespart. Um dieses Themengebiet detailliert zu behandeln, müsste ein Zugang über die Grundlagen der Elektronik und Halbleiterbauteile gewählt werden. Numerische Simulationen haben mittlerweile einen festen Platz im Entwicklungsprozess von HF-Komponenten und Antennen. Daher wurden zahlreiche Beispiele in diesem Buch mit Unterstützung moderner HF-Schaltungs- und Feldsimulatoren berechnet. Im Einzelnen wurden folgende Programmpakete eingesetzt:

7 6 Vorwort ADS (Advanced Design System) der Firma Agilent Technologies Empire der Firma IMST GmbH EMPro der Firma Agilent Technologies Der Markt für diese Softwareprodukte entwickelt sich rasch, so dass dem Leser bei der Auswahl eines für ihn geeigneten Simulators eine eigene Recherche empfohlen wird. Am Ende jedes Kapitels befinden sich Übungsaufgaben. Die Lösungen stellt der Autor auf der folgenden Website zur Verfügung: An dieser Stelle bedanke ich mich bei allen Kollegen und Studierenden, die durch ihre Anregungen sei es durch ihre Fragen in Lehrveranstaltungen, sei es durch das Probelesen einzelner Kapitel zu diesem Buch beigetragen haben. Meiner Familie, die mich über die Entstehungszeit dieses Buches unterstützt hat, gilt mein ganz besonderer Dank. Dortmund, im Frühjahr 2011 Frank Gustrau Vorwort zur zweiten Auflage Die freundliche Aufnahme dieses Lehrbuches durch die Leserschaft hat nun nach zwei Jahren eine zweite Auflage mit einigen fachlichen Erweiterungen möglich gemacht. Insbesondere in Kapitel 8 über Funkwellen wurde den Wellenausbreitungsmodellen ein größerer Raum gegebenen. Der komplette Neusatz mit dem Satzsystem LATEX führt nun dazu, dass das Lehrbuch in einem neuen Layout erscheint. Im Zuge der Umgestaltung wurden zudem inhaltliche und graphische Überarbeitungen sowie Druckfehlerkorrekturen vorgenommen. Für die Rückmeldungen aus dem Kreise der Kollegen und Studierenden bin ich an dieser Stelle sehr dankbar. Dortmund, im Frühjahr 2013 Frank Gustrau

8 Inhalt 1 Einleitung Hochfrequenzanwendungen Frequenzbereiche Hochfrequenztechnische Erscheinungen Elektrisch kurze Leitungen Leitungen mit einer Länge in der Größenordnung der Wellenlänge Antennen und Abstrahlung elektromagnetischer Wellen Ausblick auf die folgenden Kapitel Elektromagnetische Felder und Wellen Physikalische und mathematische Grundlagen Elektrostatische Feldgrößen Elektrische Feldstärke und Spannung Polarisation und relative Dielektrizitätszahl Verhalten bei Wechselstrom Dielektrische Verschiebungsdichte Elektrische Feldenergie und Kapazität Stationäre elektrische Strömungsfelder und magnetische Felder Stromdichte, Leistungsdichte und Widerstand Magnetische Feldstärke und magnetisches Vektorpotential Magnetische Feldenergie und Induktivität Lorentz-Kraft Vektoranalytische Operatoren Divergenz Rotation Maxwellsche Gleichungen Differentialform für allgemeine Zeitabhängigkeit Differentialform für harmonische Zeitabhängigkeit Integralform Materialgleichungen Verhalten an Materialgrenzen... 43

9 8 Inhalt 2.3 Einteilung elektromagnetischer Feldprobleme Statische Felder Quasistatische Felder Schnell veränderliche Felder Skineffekt Elektromagnetische Wellen Wellengleichung und ebene Wellen Polarisation Lineare Polarisation Zirkulare Polarisation Elliptische Polarisation Reflexion und Brechung an ebenen Grenzflächen Senkrechter Einfall Schräger Einfall Kugelwellen Zusammenfassung Übungsaufgaben Leitungstheorie und Signale auf Leitungen Leitungstheorie Ersatzschaltbild eines kurzen Leitungsstücks Telegraphengleichung Spannungs- und Stromwellen auf Leitungen Einseitig abgeschlossene Leitung Eingangsimpedanz einer abgeschlossenen Leitung Verlustlose Leitungen Leitungen mit geringen Verlusten Verschiedene Leitungsabschlüsse einer verlustlosen Leitung Angepasste Leitung Kurzgeschlossene Leitung Leerlaufende Leitung Allgemeiner Abschluss Verlustlose Leitungen als Impedanztransformatoren Der λ/4-transformator Der λ/2-transformator Reflexionsfaktor einer verlustlosen Leitung Smith-Chart-Diagramm Zeitsignale auf Leitungen... 97

10 Inhalt Sprungförmige Signale Angepasste Quelle und angepasster Abschluss Angepasste Quelle und fehlangepasster (resistiver) Abschluss Angepasste Quelle und fehlangepasster (reaktiver) Abschluss Fehlanpassung an Quelle und Last Rechteckförmige Signale Augendiagramm Zusammenfassung Übungsaufgaben Wellenleiter Überblick über technisch bedeutsame Leitungstypen Koaxialleitungen Induktivitätsbelag und Leitungswellenwiderstand Dämpfung bei schwachen Verlusten Metallische Verluste Dielektrische Verluste Nutzbarer Frequenzbereich Anwendungsgebiete Mikrostreifenleitungen (Microstrip) Wellenwiderstand und effektive Permittivitätszahl Dispersion und nutzbarer Frequenzbereich Anwendungsgebiete Streifenleitung (Stripline) Leitungswellenwiderstand Nutzbarer Frequenzbereich Anwendungsgebiete Rechteckhohlleiter Allgemeine Überlegungen Die H 10 -Grundwelle Höhere Wellentypen Einsatzgebiete von Hohlleitern Anregung von Hohlleiterwellen Hohlraumresonatoren Zweidrahtleitung Leitungswellenwiderstand Anwendungsgebiete Dreileitersysteme

11 10 Inhalt Gleich- und Gegentaktwellen Leitungswellenwiderstände und Ausbreitungskonstanten Leitungsabschluss Übungsaufgaben Streuparameter Mehrtorgleichungen in Matrixform Definition von Wellengrößen Streuparameter und Leistung Spezielle Eigenschaften von Schaltungen Anpassung Leistungsanpassung Reziprozität (Übertragungssymmetrie) Symmetrie Verlustlosigkeit bei Passivität Rückwirkungsfreiheit Besondere Bedingungen bei Dreitoren Berechnung von Streumatrizen Reflexionsfaktoren Transmissionsfaktoren Umnormierung einer Streumatrix auf andere Torwiderstände Signalflussmethode Messung von Streuparametern Übungsaufgaben Hochfrequenzbauelemente und -schaltungen Ersatzschaltbilder konzentrierter Bauelemente Widerstände Kondensatoren Spulen Leitungsresonatoren λ/2-resonator λ/4-resonator Anpassschaltungen LC-Anpassnetzwerke Anpassung mit Leitungen λ/4-transformator Stichleitung und Butterfly-Stubs

12 Inhalt Filter Klassischer LC-Filterentwurf mit Induktivitäten und Kapazitäten Entwurf von Butterworth-Filtern Filter mit Tiefpassverhalten Filter mit Hochpassverhalten Filter mit Bandpassverhalten Leitungsfilter Seitengekoppelte Filter (Edge-coupled-line-Filter) Seitengekoppelte Filter (Hairpin-Filter) Stepped-impedance-Filter Metallisch geschirmte Filter (Gehäuseresonanzen) Hohlleitungsfilter Zirkulatoren Leistungsteiler Wilkinson-Leistungsteiler Leistungsteiler mit ungleicher Leistungsaufteilung Branchline-Koppler Konventioneller 3-dB-Koppler Ungleiche Leistungsaufteilung und Impedanztransformation Rat-Race-Koppler Richtkoppler Symmetrierglieder Elektronische Schaltungen Mischer Verstärker und Oszillatoren Moderne HF-Entwurfswerkzeuge HF-Schaltungssimulatoren Elektromagnetische 3D-Feldsimulation Übungsaufgaben Antennen Grundbegriffe und Kenngrößen Antennen als Wellentypwandler Nahfeld und Fernfeld Isotroper Kugelstrahler Kenngrößen für das Strahlungsfeld einer Antenne Anpassung und Bandbreite Praktische Antennenbauformen

13 12 Inhalt 7.3 Mathematische Behandlung des Hertzschen Dipols Drahtantennen Halbwellendipol Monopol Verkürzung von Monopolantennen Planare Antennen Rechteckige Patch-Antenne Abstrahlung eines Patch-Elementes Resonanzfrequenz und Patch-Abmessungen Speisung von Patch-Antennen Patch-Antennen mit zirkularer Polarisation Planare Dipol- und Inverted-F-Antennen Gruppenantennen Einzelcharakteristik und Gruppenfaktor Phasengesteuerte Antennen Strahlformung Weitere Antennenkonzepte Übungsaufgaben Funkwellen Wellenausbreitungseffekte Reflexion und Brechung Absorption Beugung Streuung Doppler-Effekt Einfache Ausbreitungsszenarien Freiraumausbreitung Dämpfung von Wellen in Luft Ausbreitung über ebenem Grund (Zweiwegeausbreitung) Richtfunkstrecken Geschichtete Medien Komplexe Umgebungen Mehrwegeausbreitung Clutter Factor-Modell Okumura-Hata-Model Physikalische Modelle und numerische Feldberechnung Übungsaufgaben

14 Inhalt 13 A Anhang A.1 Koordinatensysteme A.1.1 Kartesisches Koordinatensystem A.1.2 Zylinderkoordinatensystem A.1.3 Kugelkoordinatensystem A.2 Logarithmische Darstellung von technischen Größen A.2.1 Dimensionslose Größen A.2.2 Relative und absolute Pegel A.2.3 Pegelplan einer Übertragungsstrecke Formelzeichen und Abkürzungen Literatur Index...323

15