Grundlagen der Hochfrequenztechnik

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1 Grundlagen der Hochfrequenztechnik von Jürgen Detlefsen, Uwe Siart 2., erweiterte Auflage Oldenbourg Verlag München Wien

2 Inhaltsverzeichnis Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen VII 1 Einführung 2 Elektromagnetische Wellen ' 2.1 Maxwellsche Gleichungen für zeitharmonische Vorgänge Verschiedene Formen der maxwellschen Gleichungen Durchflutungsgesetz J Induktionsgesetz Quellenfreiheit des magnetischen Feldes H Quellen des elektrischen Feldes Materialgleichungen und Randbedingungen Elektrisch polarisierbare Stoffe Magnetisch polarisierbare Stoffe Grenzflächen Skineffekt lb Leitfähigkeit und Wirbelströme I Stromdichte in kreiszylindrischen Leitern Definition der Eindringtiefe I Anwendungsbeispiele 2.4 Ebene Wellen Die Wellengleichung Eine einfache Lösung der Wellengleichung Polarisation Leitungsgeführte Wellen Transversal elektromagnetische Wellen Feldgrößen und Leitungsgrößen Übungsaufgaben 3 Theorie der Leitungen 3.1 Leitungsgleichungen Spannungs- und Stromverteilung Wellenwiderstand Reflexionsfaktor Leistungstransport Dämpfungskonstante bei kleinen Verlusten 55 47

3 XII Inhaltsverzeichnis 3.2 Leitungen mit beliebigem Abschluss Transformation des Reflexionsfaktors Stehwellenverhältnis und Anpassungsfaktor Blindleitungen g2 3.3 Smith-Diagramm g Grundlagen PA Konzentrierte Bauelemente Leitungsabschnitte 7Q Stichleitungen Impedanzmessung mit Hilfe einer Messleitung Zusammenfassung JQ 3.4 Übungsaufgaben 77 4 Bauelemente der Hochfrequenztechnik Leiter und Widerstände gl Skineffekt in kreiszylindrischen Leitern g] Widerstandsbauformen g Hochfrequenz-Ersatzschaltbilder g4 4.2 Kondensatoren gg Grundlagen gg Geschichtete Dielektrika Beschreibung von Wirkverlusten Technische Ausführungsformen Induktivitäten OQ Definition Leitender Kreisring ni Zylinderspule gr y Gegeninduktivität g^ Spulen mit magnetischem Kern JQQ Ringkern mit Luftspalt Magnetische Werkstoffe ^ Übungsaufgaben mg 5 Passive lineare Schaltungen Transformationsschaltungen Resonanzschaltungen -^ Resonanzkreis Schmalbandnäherung Güte von Reflexionsresonatoren i2q Resonanztransformatoren Das fostersche Theorem Brcitbandsehaltungen 12g 5.4 Filterschaltungen Grundlagen -,.,-

4 Inhaltsverzeichnis XIII Zweikreisige Kopplungsbandfilter Übungsaufgaben Elektromagnetische Wellen in homogenen Medien Beschreibung von Wirkverlusten im Medium Komplexe Materialparameter Näherung bei kleinen Verlusten Materialien mit endlicher Leitfähigkeit Mittlerer Lcistungsfluss bei Verlusten Wechselwirkung mit dielektrischen Materialien Makroskopische Betrachtungsweise Mikroskopische Betrachtungsweise Debye-Beziehung Einflüsse elektromagnetischer Wellen auf biologische Gewebe Wirkungsweise Sicherheitsnormen zum Schutz des Menschen Bewertung Reflexion ebener Wellen an Grenzflächen Senkrechter Einfall Schräger Einfall Totalreflexion Reflexion an einer leitenden Ebene Rechteckhohlleiter Dielektrische Wellenleiter Übungsaufgaben Antennen Grundbegriffe Isotroper Kugelstrahler Antennenkermgrößen Gewinn Richtfaktor Wirkfläche Effektive Länge Richtcharakteristik Lineare Antennen Hertzscher Dipol Halbwellenstrahler Elektrisch kurze Antennen Antennenanordnungen Anordnungen von zwei Strahlern Dipolzeilen Multiplikatives Gesetz Spiegelungsprinzip 199

5 XIV Inhaltsverzeichnis Technische Ausführungsformen Übungsaufgaben ' 2oq 8 Ausbreitung elektromagnetischer Wellen Funkfelder im freien Raum Brechung in der Atmosphäre Reflexion ' Erdboden Ionosphäre 91 ß Ausbreitung durch Streuung Atmosphärische Dämpfung 2iq 8.5 Beugungserscheinungen Übungsaufgaben ' Sende- und Empfangstechnik Nichtlineare Kennlinien Bauelemente und Potenzreihenentwicklung Aussteuerung mit einer Frequenz Aussteuerung mit zwei Signalen unterschiedlicher Frequenz Aussteuerung mit zwei Signalen gleicher Frequenz 9^9 9.2 Mischer ' ' Beschreibung ' ' Kenngrößen ' ' Konversionsarten o Schwingungserzeugung ' Entdämpfung eines Schwingkreises Rückkopplung eines Verstärkers Einfache Oszillatorschaltungen Spannungsgesteuerte Oszillatoren Quarzoszillatoren r, Frequenzvervielfachung ' Frequenzteilung Frequenzaufbereitung 9.4 Hochfrequenzverstärker Vor Verstärkung ' ' ' Leistungsverstärkung 9.5 Aufbau von Sendern und Empfängern Endstufenmodulation 2ß Zwischenfrequenzmodulation Geradeausempfänger r, fr Überlagerungsempfänger Modulation und Demodulation Amplitudenmodulation Einseitenbandmodulation 271

6 Inhaltsverzeichnis XV Frequenzmodulation Grundzüge digitaler Modulationsverfahren Rauschen Grundbegriffe des elektrischen Rauschens Effektive Rauschtemperatur Rauschzahl Kettenrauschzahl Rauschpegel Rauschanpassung Antennenrauschen Übungsaufgaben 294 A Mathematische Grundlagen und Hilfsmittel 299 A.l Der Feldbegriff 299 A.2 Koordinatensysteme 300 A.2.1 Kartesische Koordinaten 300 A.2.2 Zylinderkoordinaten 301 A.2.3 Kugelkoordinaten 302 A.3 Vektoranalytische Operationen 303 A.3.1 Skalarprodukt 303 A.3.2 Kreuzprodukt 304 A.3.3 Der Gradient eines skalaren Feldes 304 A.3.4 Die Divergenz eines Vektorfeldes 305 A.3.5 Die Rotation eines Vektorfeldes 305 A.4 Kurven-, Flächen- und Volumenelemente 306 A.5 Kurven-, Flächen- und Volumenintegrale 311 A.6 Sätze und Korrespondenzen der Fouriertransformation 313 B Elektrotechnische Grundlagen und Hilfsmittel 315 B.l Komplexe Zeiger 315 B.2 Leistung im Netzwerk 316 B.3 Leistungstransport auf Hochfrequenzleitungen 321 B.4 Das Dezibel 322 B.4.1 Definition 323 B.4.2 Pegelrechnung 325 B.5 Grafische Auswertung der Richtcharakteristik 328 C Lösungen zu den Übungsaufgaben 333 Literaturverzeichnis 351 Index 353