Hochfrequenz technik. Holger Heuermann

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1 Holger Heuermann Hochfrequenz technik Komponenten für High-Speedund Hochfrequenzschaltungen, 2., durchgesehene und erweiterte Auflage Mit 394 Abbildungen STUDIUM VI1EWEG+ TEUBNER

2 VII 1 Einführung Inhalte der modernen Hochfrequenztechnik HF-Technik: Zwischen Elektronik und Optik Aufbau von Hochfrequenzanordnungen Schaltungstheoretische Grundlagen Systemvoraussetzungen Die Streumatrix Einführung der Wellengrößen Bedeutung der Streuparameter Die Netzwerkparameter der Elektronik Schaltungsentwurf von Zweitoren über Streuparameter Streumatrizen von Netzwerken mit speziellen Eigenschaften Eigenschaften der Streuparameter von passiven Komponenten Eigenschaften der Streuparameter von passiven verlustlosen Komponenten Gängige Umrechnungen von Streuparametern Transmissions-, Ketten- und sonstige Matrizen Die Transmissionsmatrix Die Kettenmatrix [A] und die AB CD-Matrix 28 3 Passive HF-Komponenten aus konzentrierten Bauteilen Konzentrierte Elemente und Bauteile Ideale konzentrierte Elemente Reale konzentrierte Bauteile Güte von Spulen und Kondensatoren SMD's 35

3 VIII Halbleiterbauteile Multilayerbauteile in LTCC und Laminaten Gekoppelte Induktivitäten Zweitore Dämpfungsglieder Impedanztransformatoren ±90 -Phasenschieber Drei- und Viertore DC- und Steuersignal-Einspeisung Beschattungen Resistive Signalteiler Reaktive Signalteiler Verschiedenste Koppler und Symmetrierglieder Multifunktionskomponenten 55 4 Hochfrequenzleitungen: Theorie, Leitertypen und Anwendungen Die allgemeine Leitungstheorie Schwach verlustbehaftete Leitungen Dämpfung einer Leitung Leitungstheorie verlustloser Leitungen Wellenlänge und Phasengeschwindigkeit Gruppenlaufzeit Augendiagramm und BER-Test TEM- und Quasi-TEM-Wellenleiter Die Koaxialleitung Die Band- und Paralleldrahtleitung Die geschirmte Streifenleitung Quasi-TEM-Wellenleiter: Mikrostreifen- und Koplanarleitung Technologie der planaren Schaltung Koaxialleitung als Referenzleitung Leitungstransformation und Smith-Chart Eingangswiderstand einer Leitung Leitungen als Impedanztransformatoren Der Reflexionsfaktor r Stehwellenverhältnis und Anpassungsfaktor 102

4 IX Das Smith-Chart Quasi-konzentrierte Leitungsbauteile Schaltungstheorie und -Synthese mit Gleich- und Gegentaktgrößen Einführung von Mixed-Mode-TEM-Systemen Unsymmetrischer Mode und Gegentaktmode in Zweileitersystemen Gleich- und Gegentaktmoden in Dreileitersystemen Komponenten mit Dreileitersystemen am Ein- und Ausgang Transceiver für die digitale Datenübertragung Differentielle Leitungstechnik für die digitale Datenübertragung Modeblocker 130' ±90 -Phasenschieber mit Modeblocker- und Impedanztransformatorfunktionalität Modekonverter und Modeweichen Propagation-Matrix für Mixed-Mode-Systeme Komponenten mit Zwei- und Dreileitersystemen Zusammenhang zwischen S- und allgemeinen M-Parametern Symmetrischer Signalteiler :3 Symmetrierglieder Schaltungssynthese von symmetrischen Netzwerken Analyse von symmetrischen Zweitornetzwerken Synthese von symmetrischen Mixed-Mode-Netzwerken Koppler und Grundlagen der Kopplersynthese Wilkinson-Koppler Leitungskoppler Hybrid-Koppler Resistiver Koppler und ±90 -LC-Koppler Resonatoren und Filter Synthese aus Butterworth- oder Tschebyscheff-Standardtiefpässeri Schaltungsentwurf von Standardfiltern Synthese von speziellen Filtern Grundlagen der Resonatoren Theorie der A/4-Leitungsresonatoren Beschaltete Resonatoren Transmissionsresonatoren 191

5 X Reflexionsresonatoren Dielektrischer Resonator und Reaktionsresonatoren Dual-Mode-Resonatoren Gekoppelte zweikreisige Resonatorfilter beliebiger Güte Übersicht: Zweikreisige Resonatorfilter Synthese von gekoppelten Parallelschwingkreisen mit Spannungskopplung Das kapazitiv gekoppelte Resonatorfilter Das induktiv gekoppelte Resonatorfilter Resonatoren als Koppelelemente Implementierte Impedanztransformation Frequenzweichen Hochfrequenzschalter Koaxiale Relais Reed-Relais Freilaufdiode MEMS PIN-Dioden-Funktionalität und -Schalter Aufbau einer PIN-Diode PIN-Diode im stationären Sperrbereich PIN-Diode im stationären Flussbereich Schaltverhalten von PIN-Dioden Bauformen von PIN-Dioden PIN-Dioden Schalter-Anordnungen HF-Transistor-Schalter Schalter für differentielle Schaltungen Beschreibung der symmetrischen Schalteranordnungen Lineare Verstärker und Rauschen Kenngrößen von Kleinsignalverstärkern Leistungsverstärkung Stabilität Maximaler Leistungsgewinn und maximaler stabiler Gewinn Entwurf von Schmalband-Verstärkern Analyse des Transistors im Arbeitspunkt 249

6 . XI Schaltungsoptimierung des Transistorverstärkers Analyse des nichtlinearen Verhaltens von Verstärkern Grundlagen der nichtlinearen Verzerrungen Nichtlineare Effekte und Simulation eines HF-Verstärkers Kompensation des Millereffektes Grundlagen der Theorie des elektrischen Rauschens Grundbegriffe Rauschquellen Rauschzahl eines Zweitores und einer Kaskade Auslegung rauscharmer Empfänger Modelling, Fitting und Spulenentwurf Modelle zum Fitting einer Spule Sensibilisierungsstrukturen zum optimalen Fitting Fitting einer Spule ohne Sensibilisierung Fitting einer Spule unter Verwendung eines Tiefpasses Beurteilung einer Spule unter Verwendung des MAG's Die Praxis eines Modellings mit Serenade Die Praxis eines Modellings mit ADS Entwurf und Optimierung von planaren Spulen Charakteristische Eigenschaften von planaren Spulen Dimensionierung von planaren Spulen Konzeptionelle Optimierung von differentiellen Schaltungen Grundlagen der Systemkonzeption Auslegung einfacher Übertragungsstrecken Arbeiten mit einer Ersatzlast Arbeiten mit einer Ersatzquelle Kenngrößen von Übertragungsstrecken Signalflussmethode und -diagramme Komponenten für Signalflussdiagramme Beispielrechnung: Signalverfolgungsmethode Wichtige Systemkomponenten Nichtreziproke passive Komponenten Detektoren Mischer 312

7 XII Einseitenbandumsetzer und IQ-Modulatoren Oszillatoren und Synthesegeneratoren Antennen Skalare S-Parameter-Messsysteme Transmissionsmessungen Refiexions- und unidirektionale Messungen Vektorielle S-Parameter-Messsysteme Homodyne Konzepte Heterodyne Konzepte ' Netzwerkanalysator-Konzepte Kalibrierung vektorieller Netzwerkanalysatoren Beschreibung des Dual-Mode-Funks Funktionsweise der Dual-Mode : Funk-Technik 347 A Anhang 349 A.l Hilfsblätter 349 Literaturverzeichnis 368 Verzeichnis häufig verwendeter Formelzeichen und Kürzel 375 Sachwortverzeichnis 378