Inhaltsverzeichnis

A Einleitung Gundlach

1 Hinweise zur Benutzung des Taschenbuchs . . . . . . 2 Physikalische Größen, ihre Einheiten und Formelzeichen 3 Schreibweise physikalischer Gleichungen .

4 Frequenzzuordnungen . . . . . . . .

B Elektromagnetische Felder und \Vellen Lange

Grundlagen . . . . . . . I .I Koordinatensysteme . 1.2 DifTcrcntialoperatoren . 1.3 Maxwellsehe Gleichungen .

2 Wellenausbreitung in homogenen Medien 2.1 Ebene Welle im verlustlosen Medium 2.2 Ebene Welle im verlustbehafteten Medium 2.3 Leitendes Gas . . . . 2.4 Anisotropes Medium . 2.5 Gyrotropes Medium

3 Polarisation . . . . . . 3. I Lineare Polarisation . 3.2 Zirkulare Polarisation

4 Wellen an Grenzflächen .

4.1 Senkrechter Einfall . 4.2 Schräger Einfall . 4.3 Obcrnächenwellen .

5 Skineffekt . . . . . .

6 Oberflächenstromdichte .

7 Elektromagnetische Beeinflussung durch Hochfrequenzstrahlung . 8 Gefahrdung \'On Lebewesen durch elektromagnetische Strahlung .

C Grundlagen der Schaltungsberechnung, Leitungstheorie Lange (t bis 6) ; Sicgl (7); Dalichau (8)

I Spannungen, Ströme, Feldgrößen und ihre komplexe Darstellung 2 lmpedanzebene, Admittan1.ebcnc . .

3 Ein- und Mchrtore, Streuparameter . 4 Transmissionsparameter

Al

Al

A3 A 4

Bt Bt Bt B3

B3 B3 B4 BS 85 B 6

B7 B7 B7 B8 BS 8 9

Bt2 Bl 3 B16 B1 7 B20

C l C3 C9

c J 1

X lnhalts\'crtck hnis

5 Frequen7..selektive Filter .

6 Theorie der Leitungen

6.1 Leitungskenngrößen . 6.2 Verlustlose Leitungen . 6.3 Gcdiimplle Leitung

7 Theorie gekoppelter Leirungen

8 Rechnerunterstützter Entwurf

8. 1 Einleitung . . . . . . . 8.2 Analyse linearer Schaltungen . 8.3 Analyse nkhtlinearer Schaltungen 8.4 Layout und Dokumentation . . . . . . . 8.5 Synthese \'On Filler- und Anpaßschaltungcn 8.6 Analyse von Systemen . . . . . . . . . 8. 7 Ersatzschaltbilder für Transiston:n . . . . . . 8.8 Berechnen von Bauelementen ; FciJherechnunu . 8.9 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . .- .

D Grundbegriffe der Nachrichtenübertragung Löcherer (3); Lükc (1 , 2. 4. 5)

C 12

( 17

C 17 C20 C24

C25 c 11.)

C29 C 31 C34 C35 C36 C37 C38 C39 C40

1 Nachrichtenübcrtragungss)'Stemc D I

2 Signale und Systeme . . . . . D 2 2.1 Signale und Signalklassen . . D 2 2.2 Li'ileare. zeitin~ariantc Systeme und die Faltung D 3 2.3 Fourier-Transformation . . . . 04 2.4 Tief paß- und Bandpaßsysteme . . . . . . . D 6 2.5 Diskrete Signale und Digitalfilter . . . . . D 9

3 Grundbegriffe der s talistischcn Signalbeschreibung und des elektronischen Rauschcns . . . . . . . . . . . . . . . D II 3.1 Einrührung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D 12 3.2 Mathematische Verfahren zur ße:;c.:hrcibung von Zufallssignalen D 12 3.3 Rauschquellen und ihre Ersatzschaltungen . . . . . . D lS 3.4 Rauschende lineare Vierpole . . . . . . . . . . . . D 21 3.5 Übertragung von Rauschen durch nichtlineare Netzwerke D 26

4 Signalarten und Übertragungsanforderungen D 28 4.1 Fernsprech- und Tonsignale 028 4.2 Bildsignale . . . . . . . . . . . . D 30

5 Begriffe der Jnfonnationstheoric . . . . . D 32 5.1 Diskrete Nachrichtenquellen und Kanäle 033 5.2 Kontinuierliche Nachrichtenquellen und K;mi.iJc D 35

E Nlaterialeigenschaften und konzentrierte passh·e Bauelemente Kkinschmidt (7. 8); Lange ( I bis 6. 9. 10)

1 Leiter . . . . . . . .

2 Dielektrische Werkstoffe

2. 1 Allgemeine Werte . 2.2 Substratmaterialien 2.3 Sonstige Materialien

3 Magnetische Werkstoffe

4 Wirkl\'iderstände

E I

E I E I E3 E3 E4

ES

lnh:tltsverzeichnis XI

5 Kondensatoren E 9

5.1 Kapazitiit . E9 5.2 Anwcndungsfiillc E 9 5.3 Kondensatortypen . . . . . . . . . E 10 5.4 Bauformen für die Hochfrequenztechnik E 11 5.5 BclaslUngsgrcnzcn . . . . E 12

6 lnduktivitätcn . . . . . . . . . . . . . E 13

6.1 Induktivität gerader Leiter . . . . . E 13 6.2 Induktivität von ebenen Leiterschleifen E 13 6.3 Gcgeninduktivitiit . . . . . . . . . E 14 6.4 Spulen . . . . . . . . . . . . . . El4

7 Piezoelektrische Werkstorfe und Bauelemente E 16

7.1 Allgemeines . . . . . . E 16 7.2 Piezoelektrischer Effekt . E 16 7.3 Piezoelektrische Wandler E 17 7.4 Piczoresonatoren E 19 7.5 Materialien . . . . . . E20

8 Magnctostriktive Werkstoffe und Bauelemente E 22

8. 1 Allgemeines . . . . . . E22 8.2 Materialeigenschaften E 23 8.3 Chantkteristischc Größen E23 8.4 Schwinger . . . . E23

9 HF-Durchführungsfilter . E 25

10 Absorber . . . . . . . E25

F Hochfrequenzverstärker Dalichau

Einleitung . . . . . . . . . . . . . .

1.1 Übl!rblick . . . . . . . . . . . . 1.2 Aufbau eines 1-1 F-Transistorverstärkers

2 Kenngrößen . . .

2.1 Stabilität . . . 2.2 S-Parameter 2.3 Wirkungsgmd . 2.4 Verstärkung . .

3 Schaltungskonzepte

3. 1 Grundschaltungen . . 3.2 Rückkopplung, Neutrntisation . 3.3 Rückwirkungsfreiheit . 3.4 Verstärkungsregelung . . . . . 3.5 Anpaßnetzwerke . . . . . . .

4 Ven;tärker für spezielle Anwendungen

4.1 Breitb<tndvcrstärkcr 4.2 Selektive Verstärker . . . 4.3 Leistungsverstärker 4.4 Rauscharme Verstärker . . 4.5 Logarithmische Vcrstkirker

5 Nichtlinearität . . . . . . 5.1 1-dB-Kompressionspunkt 5.2 Harmonische . . 5.3 lnlermodulation . 5.4 Kreuzmodulation

F1 F1 F3

F5

FS F8 F8 F9

Ft2

F 12 F14 F 14 F 15 F 15

F 19 F 19 F21 F22 F24 F25

F 27

F27 F28 F28 F29

XII lnbalL~\'t!l7.cichnis

5.5 AM-PM-Umwandlung 5.6 Erholzl!it . . . . . . 5.7 Nichtharmonische Störsignale

6 Transistoren, integrierte Verstärker

7 Technische Realisierung . . .

7. I Gleichstromarbeitspunkt 7.2 Schaltungsaufbau . . . 7.3 Schaltungsabglcich . . . 7.4 Gleichstromcmkopplung 7.5 Gehäuse . . . . . . .

G Netzwerke mit nichtlinearen passh·en und akth·en Bauelementen Blum (3. 4); Hoffmann (2); Maurer {1.1 bis 1.4) ; J>etry ( 1.5 bis 1.7)

1 Mischung und Frequenzl·en ·iclfachung . . . . . . . .

1.1 Kombinationsfrequenzen . . . . . . . . . . . 1.2 Auf- und Abwärtsmischung. Gleich- und Kehrlage . . . . . . . 1.3 Mischung mit Halbleiterdiode als nichtlinearem Strom-Spannungs-

Bauelement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I .4 Mischung mit Halbleiterdiode als nichtlinearem Spannungs-Ladungs-

Bauelement . . . . . . . . . . . . . . . 1.5 Mischung mit Transistoren . . . . . . . . 1.6 Rauschmessungen an Mischern . . . . . . 1.7 Frequenzvervielfachung und Frequenzteilung

2 Begrenzung und Gleichrichtung

2. I Kennlinien . 2.2 Begrenzer . . . . . . . . 2.3 Gleichrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Übertragung von verrauschten Signalen durch Begrenzer und

Gleichrichter . . . . . . . . . . .

3 Leistungs\·erstärkung . . . . . . . . . . . . . . .

3.1 Kenngrößen von Leistungsverstärkern . . . . . 3.2 Betriebsarten, Wirkungsgrad und Ausgangsleistung 3.3 Verzerrungen, Verzerrungs- und Störminderung durch Gegenkopplung 3.4 Praktische Ausführung von Leistungsverstärkern 3.5 Schutzmaßnahmen gegen Überlastung . . . .

4 Oszillatoren 4.1 Analysemethoden flir ham10nischc Oszillatoren 4.2 Zweipoloszillatoren . . . . . . . . . . . . 4.3 Dreipol- und Vierpoloszillatoren . . . . . . . 4.4 Nichtlineare Beschreibung. Ermittlung und Stabilisierung der

Schwingungsamplitude . . . . . . . . . 4.5 Langzeit- und Kurzzeitstabilität. Rauschen 4.6 Funktions- und Impulsgeneratoren . . . . . . . . . . . .

H \Vellenausbreitung im Raum Damboldt (3.3. 4, 6.1. 6.2); Dintclmann (2, 3.4); Kühn (2): Lorenz (1. 3. t. · 5. 6.3); Ochs (7); Rücker (6.4); Valentin (3.2, 5, 6.4)

Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1 Begriffe . ... ... . .... ... . 1.2 Statistische Auswertung von Meßergcbnissen 1.3 Theoretische Amplitudenverteilungen . . . .

F29 F30 F30

F31

F34

F 34 F36 F37 F37 F38

GI G2 G2

04

G 12 G18 G21 G22

G27

G27 G28 G28

G33

G33

G33 G34 G37 G37 G38

G39

G40 G42 G43

G45 G46 G47

Hl

H1 H1 H2

lnhalts\'erzcichnis X lll

2 Ausbreitungserscheinungen H 4 2.1 Freiraumausbreitung 2.2 Brechung . . . H4 2.3 Reflexion . . . . . H 5 2.4 Dämpfung . . . . H 5 2.5 Streuung . . . . . H 5 2.6 Ausbreitung entlang ebener Erde. H6 2.7 Beugung . . . H 7

3 Ausbreitungsmedien H 9

3.1 Erde . . . . H 10 3.2 Troposphäre H 11 3.3 Ionosphäre . H I 3 3.4 Weltraum . . H 15

4 Funkrauschen . . H t 6 4.1 Atmosphärisches Rauschen unterhalb etwa 20 MHz H 16 4.2 Galaktisches und kosmisches Rauschen . . . . . H 17 4.3 Atmosphärisches Rauschen oberhalb etwa t GHz H 17 4.4 Industrielle Störungen . . . . . . . . H 17

5 Frcqucn:tSClekth·er und zeitnrianter Schwund H 18 5.1 Das Modell für zwei Ausbreitungswege H 18 5.2 Mehrwegeausbreitung . . . . . . . . H 19 5.3 Funkkanalsimulution . . . . . . . . . H 22

6 Planungsunterlagen für die Nutzung der Frequenzbereiche H 23 6.1 Frequenzen unter1600kHz (Längstwellen. Langwellen, Mittelwellen) H 23 6.2 Frequenzen zwischen 1,6 und 30 MHz (Kurzwellen) . . . . . . H 24 6.3 Frequenzen zwischen 30 und 1000 MHz (Ultrakurzwellen, unterer

Mikrowellenbereich) . . . . . . . . . . . . . . . H 26 6.4 Frequen7en über 1 GHz (Mikrowellen) . . . . . . . H 28

7 Störungen in partagierten Bändern durch Ausbreitungseffekte H 36 7.1 Störungen durch ionosphärische EfTekte H 37 7.2 Störungen durch tropesphärische Eflekte . . . . . . H 37

I Hochfrequenzmeßtechnik Dalichau

Messung \ 'OR Spannung, Strom und Phase

1.1 Übersicht: Spannungsmessung . I .2 Überlagerte Gleichspannung 1.3 Diodengleichrichter 1.4 HF-Voltmeter . J .5 Vektorvoltmeter J .6 Oszilloskop . . 1.7 Tustköpfe . . . 1.8 Strommessung 1.9 Phasenmessung

2 Leistungsmessung . 2.1 Leistungsmessung mit Bolometer . . 2.2 Leistungsmessung mit Titcrmoelcment 2.3 Leistungsmessung mit Halbleiterdioden 2.4 Ablauf der Messung, Meßfehler . 2.5 Pulsleistungsmessung . . . . . . 2.6 Kalorimetrische Leistungsmessung

3 Netzwerkanalyse: Transmissionsfaktor

3.1 Meßgrößen der Netzwerkanalyse . 3.2 Direkte Leistungsmessung

II

II 12 12 12 13 13 15 16 16

!7 18 18 18 19

110 110 110 110 I 11

XIV lnhaltsvcrzeichni~

3.3 Messung mit Richtkopplcr oder Leistungsteiler 112 3.4 Empfänger . . . . . . . . . . . . . . . . J 12 3.5 Substitutionsverfahren . . . . . . . . . . . I t 3 3.6 Meßfehler durch Fehlanpassung . . . . . . . . . . . . . . 1 14 3.7 Meßfehler durch Harmonische und parasitäre Schwingungen des

Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . J 15 3.8 Meßfehler durch Rauschen und Frequenzinstabilität I 16 3.9 Meßfehler durch äußere Verkopplungen . I t 6 3.10 Gruppenlaufzeit . . . . . . . . . . I 16

4 Netzwerkanalyse: Reßexionsfaktor . . . . . I 17 4:1 Richtkoppler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I 17 4.2 Fehlerkorrektur bei der Messung von Betrag und Phase . I 18 4.3 Kalibrierung . . . . . . . . . . . I t 9 4.4 Reflexionsfaktorbrücke . . . . . . . . . I 19 4.5 Fehlerkorrektur bei Betragsmessungen . . 120 4.6 Meßleitung . . . . . . . . . . . . . . 121 4. 7 Sechstor-Reflek tometer . . . . . . . . . 1 2 t 4.8 Netzwerkanalyse mit zwei Reflcktometern . . . . . 123 4.9 Umrechnung vom Frequenzbereich in den Zeitbereich 123 4.10 Netzwerkanalysatoren . 124

S Spektrumanalyse . . . . . . . . . . . . . I 25

5.1 Grundschaltungen . . . . . . . . . . . 125 5.2 Automatischer Spektrumanalysator (ASA) I 25 5.3 Formfaktor des ZF-Filters . . . . . I 25 5.4 Einschwingzeit des ZF-Filtcrs . . . . I 26 5.5 Stabilität des Überlagerungsoszillators J 26 5.6 Eigenrauschen . . . . . . 126 5. 7 Lineare Verzerrungen . . . . . . . 126 5.8 Nichtlineare Verzerrungen . . . . 126 5.9 Harmonischenmischung . . . . . 127 5.10 Festabgestimmter AM-Empfänger . 128 5.1 t Moduliene Eingangssignale . 128 5.12 Gepulste Hochfrequenzsignale 128

6 Frequenz- und Zeitmessung . . 129 6.1 Digitale Frequenzmessung 129 6.2 Digitale Zeitmessung . . . 131 6.3 Analoge Frequenzmessung 131

7 Rauschmessung . . . . . . . 132

7.1 Rauschzahl. Rauschtempcratur, Rauschbandbreite 132 7.2 Meßprinzip . . . . . . . . 132 7.3 Rauschgeneratoren . . . . I 33 7.4 Meßfehler . . . . . . . . I 33 7.5 Tangentiale Empfindlichkeit . 134

8 Spezielle Gebiete der Hochfrequenzmeßtechnik 135 8.1 Messungen an diskreten Bauelementen 135 8.2 Messungen im Zeitbereich 136 8.3 Feldstärkemessung . . . . . 137 8.4 Messungen an Antennen . . 138 8.5 Messungen an Resonatoren . I 40 8.6 Messungen an Signalquellen . I 42

9 Hochfrequenzmeßtechnik in speziellen Technologiebereichen . I 45

9.1 Microstripmcßtcchnik . . . 145 9.2 Hohlleitermeßtechnik 146 9.3 Lichtwellenleiter-Meßtechnik 147

10 Rechnergesteuertes Messen 149 10.1 Übersicht . . . . 149 t 0.2 RS232-Schnittstcllc . I 50

lnhahsvc:rzeichnis XV

10.3 JEC-Bus . . . . . . . . . . . . . I 51 10.4 YXJbus . . . . . . . . . . . . . I 52 10.5 Modulares Meßsystem (MMS) . . . 153 10.6 Programme zur Meßgerätesteuerung . 153

K Hochfrequenz-Wellenleiter Bretting (6); Dalichau (1, 2, 7) ; Groll (4); Petem1ann (5) ; Siegl (3)

1 Z'ft·eidrahtleitungen K 1

1.1 Feldberechnung . . . . . K t 1.2 Bauformen . . . . . . . K2 1.3 Leitungswe11cnwidcrstände K2

2 Koaxialleitungen . . . . . . . K 3 2.1 Feldberechnung . . . . . K4 2.2 leitungswellenwiderstände K4 2.3 Bauformen . . . . . . . K 5 2.4 Betriebsdaten . . . . . . K5

3 Planare Mikrowellenleitungen . K 7 3.1 Anwendung und Realisierung von planaren MikroweHenleitungen K 7 3.2 Mikrostreifenleitung . . . . . . . . . . . . K9 3.3 Gekoppelte Mikrostreifenleitungen . . . . . . K 13 3.4 Kaplanare Streifenleitung und Schlitzleitung . . K 15 3.5 Koplanarleitung und gekoppelte Schlitzleitungen K 16 3.6 Übergänge und Leitungsdiskontinuitäten . . . K 18

4 Hohlleiter . . . . . . . . . . . . . . . K 20 4.1 Allgemeines über Wellen in Hohlleitern . K21 4.2 Felder unterhalb der kritischen Frequenz . K 22 4.3 WeHenausbreitung oberhalb der kritischen Frequenz K 23 4.4 Die magnetische Grundwelle . . . . K 24 4.5 Andere magnetische Wellentypen . . . K 26 4.6 Elektrische Hohlleiterwellentypen K 28 4.7 Technische Formen ftir die H10-Welle . K29 4.8 Hoh11citer besonderer Form . . . . K 32 4.9 Hohlleiterwellen der Koaxialleitung K 35

5 Dielektrische Wellenleiter, Glasfaser K 36 5.1 Der dielektrische Draht . K 36 5.2 Optische Fasern . . . . . . . K 37 5.3 Scltichtwellenleiter . . . . . . K 40

6 Wellenleiter mit periodischer Struktur 6.1 Allgemeine Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . K 41 6.2 Die Wellenausbreitung in Leitungen mit periodischer Struktur K42 6.3 Wendelleitung . . . . . . . . . . K44 6.4 Leitungen mit gekoppelten Kreisen . . . . . . . . . . . . K 45

7 Offene Wellenleiter 7.1 Nicht-abstrahlende Wellenleiter K46 7.2 Leckwellenleiter . . . . . . . K 48

L Schaltungskomponenten aus passiven Bauelementen Dalichau (2 bis 4); Klcinschmidt (11) ; Lange (9.1 bis 9.6, 10); Pötzl (8}; Röschmann (9.8); Sicgl (7.1, 7.3); Stocker (12); Treczka (1. 5, 6, 7.2, 7.4) ; Wolfram (9.7)

Transfonnatioos- und Anpassungsglieder . . . . . . . . . 1.1 Verlustbehaftete Widerstandsanpassungsglieder 1.2 Transformation mit konzentrierten Blindwiderständen

Ll Lt L1

XVI lnhal tSverl eichnis

1.3 Leitungslängen mit unterschiedlichem Wellenwiderstand . 1.4 Inhomogene verlustfreie Leitungen . . 1.5 Transformation bei einer Festfrequenz

2 Stecker und Übergänge . . . . . . . . . 2.1 Koaxiale Steckverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Übergänge zwischen gleichen Leitungen mit unterschiedlichem

Querschnitt . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Konusleitung, Konusübergang . . . . . . . . . . 2.4 Qbergang zwischen Koaxial- und Zweidrahtleitung . 2.5 lJbergang zwischen Koaxial- und Microstripleitung . 2.6 Übergang zwischen Koaxialleitung und Hohlleiter .

3 Reßexionsarme Abschlußwiderstände 4 Dämpfungsglieder . . . .

4.1 Allgemeines . . . . . . . . . 4.2 Festdämpfungsglieder . . . . 4.3 Veränderbare Dämpfungsglieder 4.4 Hohlleiterdämpfungsglieder . .

5 Verzw·eigungen

5.1 Angepaßte Verzweigung mit Widerständen 5.2 Leistungsverzweigungen . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Verzweigungen mit )./4-Leitungen und gleichen Leistungen . 5.4 Verzweigung mit Richtkoppler . . . . .

6 Phasenschieber . . . . . . . . . . . . . . 6.1 Phasenschiebung durch Serienwiderstand . 6.2 Phasenschiebung durch Parallelwiderstand 6.3 Nichttransformierende Phasenschieber 6.4 Phasenschiebung durch Ausziehleitung 6.5 Phasenschiebung durch Richtkoppler .

7 Ricbtkoppler . . . . . . . . . . . 7.1 Wirkungsweise und Anwendung . . . 7.2 Richtkoppler mit Koaxialleitungen . . 7.3 Richtkoppler mit planaren Leitungen . 7.4 Hohlleiterrichtkoppler . . .

8 Zirkulatoren und Einwegleitungen . . . 8.1 Zirkulatoren . . . . . . . . . . 8.2 Einwegleitungen (Richtungsleitung)

9 Resonatoren . . . . . 9.1 Schwingkreise . . . . . . . . . . 9.2 Leitungsresonatoren . . . . . . . 9.3 Hohlraumresonatoren . . . . . . 9.4 Abstimmung von Hohlraumresonatoren 9.5 Ankopplung an Hohlraumresonatoren 9.6 Fabry-Perot-Resonator . . . . 9.7 Dielektrische Resonatoren 9.8 Ferrimagnetische Resonatoren .

10 Kurzschlußscllieber . . . . . . . . II Elektromechanische Resonatoren und Filter

11.1 AUgemeines . . . . . . . . . . . 11.2 Resonatoren . . . . . . . . . . . 11 .3 Filter . . . . . . . . . . . . . . 11 .4 Elektromechanische Verzögerungsleitungen

12 Akustische OberflächenweDen-Bauelemente 12.1 Übersicht . . . . 12.2 Interdigitalwandler . . . . . . . .

L3 L5 L8 L9 L9

L 10 L 12 Ll2 Ll4 L 15 L 17 L 19

L 19 L20 L21 L23 L24 L24 L24 L25 L25 L26

L26 L27 L27 L28 L28

L29 L29 L31 L33 L35

L38

L38 L43 L45

L45 L46 L47 L49 L50 L51 L51 L53 L56 L57

L57 L57 L59 L64

L65 L65 L66

lnhaltsverzcicbnis XVII

12.3 Reflektoren. Kopplerund Wellenleiter L67 12.4 Filter . . . . . . . . . . . . · L68 12.5 Resonatoren und Reflektorfilter . . L 71 12.6 Konvoiver und Korrelataren . . . . L 72

M Aktive Bauelemente Bretting (4.1 bis 4.10); Döring (4.11); Hominger (1.3); Petennann (2) ; Pettenpaul (1.2); Pfleiderer (1.3); Russer (3); Schrenk (1.2) ; Weigel (3); Wieder (1.1 , 1.3)

1 Akth·e Halbleiterbauelemente . . . . . . . . . . . . 1.1 Physikalische Grundlagen fUr Halbleitermaterialien . 1.2 Diskrete Halbleiterbauelemente . . 1.3 Integrierte Schaltungen . . . . . .

2 Optoelektronische Halbleiterbauelemente 2.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Lichtemission und -absorption in Halbleitern 2.3 Werkstoffe und Technologie . . . 2.4 Liehtemittierende Dioden (LED) . 2.5 Halbleiterlaser . . . . . . . 2.6 Photodioden . . . . . . .

3 Quantenphysikalische Bauelemente 3.1 Physikalische Grundlagen . 3.2 Der Laser . . . . . . . 3.3 Der Maser . . . . . . . 3.4 Nichtlineare Optik . . . . 3.5 Supmleitende Bauelemente

4 Elektronenröhren . . . 4.1 Elektronenemission . . . 4.2 Glühkathoden . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Grundgesetze der Elektronenbewegung in elektrischen und

magnetischen Feldern . . . . . . . . . . 4.4 Röhrentechnologie . . . . . . . . . . . . 4.5 Gittergesteuerte Röhren für hohe Leistungen 4.6 Laufzeitröhren für hohe Frequenzen 4. 7 Klystrons . . . . . . . . . . . . 4.8 Wanderfeldröhren . . . . . . . . 4.9 Rückwärtswellenröhren vom 0-Typ 4.10 Kreuzfeldröhren 4.11 Gyrotrons . . . . . . . . . . .

N Antennen Adelseck (10.2); Dombek (13.2, 15) ; HoBmann (14.2); Hornbach (12.2; 12.3, 13.1, 16); Kühn (12.1) ; Landstorfer (1 bis 3, 8); Lange (4, 5, 7) ; Lindenmeier (1 I}; Reiche (6); Scheffer (12.1); Schmidt {10.1); Thielen (14.1); Uhlmann (9)

1 Grundlagen über Strahlungsfelder und Wellentypwandler

2 Elementare Strahlungsquellen 2.1 Isotroper Kugelstrahler . . . 2.2 Hertzscher Dipol . . . . . 2.3 Magnetischer Elementardipol 2.4 Huygenssche Elementarquelle

M1 Ml

M 11 M20

M48 M48 M48 M49 MSO M52 M56

M59 M59 M60 M63 M65 M65

M71 M71 M72

M73 M74 M76 M77 M78 M81 M83 M84 M87

Nt

N3 N3 N3 N4 NS

XVIII lnhaiiS\'cm:cichnis

3 Kenngrößen ,·on Antennen . . . . _ . . . . . . . . N 6

3.1 Leistungsgrößen, Strahlungswiderstand, Verlustwiderstand . N 6 3.2 Kenngrößen des Strahlungsfeldes . N 7 3.3 Riebtfaktor und Gewinn . . . . . N9 3.4 Wirksame Fläche, wirksame Länge . N 10

4 Einfache Antennen . . . . . N 1 1 4.1 Stabantennen und Dipole . N t 1 4.2 Langdrahtantennen . . . N 15 4.3 Rahmenantennen . . . . N 16 4.4 Schlitzantenneo . . . . . . . . . . . N 17 4.5 Zusammenstellung wichtiger Eigenschaften N 17

5 Grundlagen über Richtantennen N 18 5.1 Systeme mit zwei Strahlern N 18 5.2 Strahlende Linie . . . . . N t 9

6 Rundfunk- und Fernsehantennen N 20

7 Planare Antennen . . . . . . N 24 8 Yagi-Uda-Antennen . . . . . N 26 9 Logarithmisch-periodische Antennen N 28

9.1 Einführung . . . . . . . . . N 28 9.2 Dimensionierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . N29 9.3 Weitere Ausführungsformen von logarithmisch-periodischen Antennen N 31

10 Spiral- und Wendelantennen N 33

10.1 Spiralantennen . . . N 33 10.2 Wendelantennen . . N 35

11 Akth·e Empfangsantennen . N 36

12 Hohlleiter- und Hornstrahler N 40

12.1 In der Grundwelle erregte Hohlleiter- und Hornstrahler N 40 12.2 Strahler mit höheren Wellentypen N 43 12.3 Hybridwellenstrahler N44

13 Dielektrische Antennen . . . N 46 13.1 Stielstrahler . . . . . N 47 13.2 Nahfeldlinsenantennen N 48

14 Reflektor- und Linsenantennen . N 49 14.1 Reflektorantennen N 49 14.2 Linsenantennen . . . . N 53

IS Gruppenantennen . . . . . . N 56 15.1 Prinzipieller Aufbau und Anwendungsgebiete N 56 15.2 Strahlungseigenschaften N 58 15.3 Verkopplung . . . . . . . . . . . . . . . N 62 15.4 Speisenetzwerk . . . . . . . . . . . . . . N 63

16 Berechnung mn Drahtantennen mit der Momentenmethode N 65

16. t Grundlagen . . . . N 65 J 6.2 Drahtgittermodelle . N 66 ·16.3 Berechnungsverfahren N 67

0 Modulation und Demodulation Gier (I); Heckel (5.2. 5.3, 5.5); Reutter (3) ; Schmid (4) ; Schmoll (2) ; Tschieche (5. t. 5.4)

1 Analoge Modulationsverfahren . . 1.1 Amplitudenmodulation (AM) 1.2 Frequenzmodulation (FM) .

01 Ot 07

lnhahsYerzeichnis XIX

1.3 Phasenmodulation (PM) . . . . . . . . . 0 t3 1.4 Vergleich der analogen Modulationsverfahren 0 14

2 Modulation digitaler Signale 0 15

2.1 Einführung . . . . . . . 015 2.2 Amplitudenmodulation . . 016 2.3 Frequenzumtastung (FSK) 017 2.4 Phasenumtastung (PSK) . 019 2.5 Trägerrückgewinnung 0 25 2.6 Taktableitung . . . . . . 0 27 2.7 Vergleich der verschiedenen Verfahren 0 28

3 Digitale Signalaufbereitung 0 30

3.1 Einführung . . . . 0 30 3.2 Pulscodemodulation 0 31 3.3 Deltamodulation 0 38

4 Mehrfachmodulation . . 042 4.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . 042 4.2 Digitale Modulationsverfahren mit zusätzlicher analoger Modulation 043 4.3 Signalspreizung . . . 0 46

S Vielfach-Zugriffsverfahren 0 50

5.1 Einftihrung . . . . . . . . . . 051 5.2 Vielfachzugriff im Frequenzmultiplex (FDMA) 051 5.3 Vielfachzugriff im Zeitmultiplex (TDMA) . . . . . . . . . 053 5.4 Codemultiplex (CDMA) = Sprcad Spcctrum-Multiplex (SSMA) 055 5.5 Verfahrensvergleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 063

P Sender Bretting (4.2) ; Demmet (4.1) ; Lustig (4.3; 4.4) ; Wysocki (I bis 3)

1 Übersiebt . . . . . . . . . . . . . . . . . .

I. 1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Grundsätzliche Wirkungsweise eines Senders . 1.3 Bezeichnungen von erwünschten Aussendungen 1.4 Bezeichnungen von unerwünschten Aussendungen

2 Funktionseinheiten der Sender

2.1 Frequenzerzeugung 2.2 Leistungsverstärkung . 2.3 Modulationsverstärker 2.4 Endstufenmodulation 2.5 Leistungsauskoppelung 2.6 Para1le1scha1tung 2. 7 Betriebseinrichtungen

3 Senderklassen . . . . . .

3. t Amplitudenmodulierte Tonrundfunksender 3.2 Frequenzmodulierte Tonrundfunksender 3.3 Nachrichtensender . . 3.4 Fernsehsender . . . .

4 Sender mit Laufzeitröhren

4.1 Klystronsender . . . 4.2 Wanderfeldröhrensender 4.3 Magnetronsender . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Senderendstufen mit Kreuzfeldverstärkerröhren (CFA)

Pt

Pt Pt P2 P3

P3

P3 P4

p J I PJ4 p 15 PJ8 P20

P2t

P21 P22 P22 P23

P26

P26 P28 P30 P35

XX lnhalts~·er.lc:ichnis

Q Empfänger Esprester (J.l, 2.2); Fliege (3.2); Humann (1.3, 3.1); Lange (3.3) ; Ungenauher (2.5. 2.6, 3.4); Renkerl (1.3, 2.4); SchaUer (1 .2, 3.4); Schöffe! (1.3): Schuster (2.3); Söllner (1.3, 2.1, 3.4); Supritz (2.6 bis 2.8)

1 Grundlagen . . . . . . . . Q 1

1.1 Definitionen . . . . . Q 1 1.2 Empfängerkonzepte . . Q4 1.3 Empfängereigenschaften Q9

2 Baugruppen eines Mehrfach-Übcrlagerungsempfangers . Q 18 2.1 HF-Selektion . . . . . . . Q 19 2.2 HF-Verstärkung . . . . . . Q20 2.3 Mischstufen . . . . . . . . Q 21 2.4 Oszillatoren und Synthesizer Q 23 2.5 ZF-Teil. . . . Q32 2.6 Demodulation . Q 36 2.7 NF-Teil . Q44 2.8 Schnittstellen . Q45

3 Anwendungen . . . Q 49

3.1 Nachrichtenempfänger . . . . . . . . . . . . . . . . . . Q49 3.2 Pcilempfäng_er . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Q 53 3.3 Such- und Uberwachungsempfänger für Kommunikationssignale Q 53 3.4 Digitaler Empfänger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Q 57

R Nachrichtenübertragungssysteme Büchs (4); Eden (2); Krumpholz (5); Küglcr (1) ; Mehner (1); Nossek (3.2) ; Peterknecht (3.3); Petennann (5); Spatz (1) ; Thaler (3.1 , 3.4)

I Koaxialkabelsysteme . 2 Rundfunksysteme . .

2.1 Allgemeines . . . . 2.2 Rundfunkversorgung . 2.3 AM-Hörrundfunk 2.4 FM-Hörrundfunk . . 2.5 Fernsehrundfunk . . 2.6 Satellitenrundfunk . . . . . . . . . . 2. 7 Kabelrundfunk und Gemeinschaftsantennenanlagen

3 Richtfunksysteme . . . . 3. I Grundlagen . . . . . . . . . . . 3.2 Modulationsverfahren . . . . . . 3.3 Streckenaufbau und Geräte . . . . 3.4 Planung von Richtfunkverbindungen

4 Satelliteafunksysteme . . . . . . . . 4.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . 4.2 Grundzüge der Satellitenübertragung 4.3 Übertragungsarten . . . . . . . . 4.4 Raumstationen . . . . . . . . . 4.5 Bodenstationen . . . . . . . . .

S Optische Nacluicbteoübertragungssysteme

5.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Komponenten der optischen Nachrichtentechnik . . 5.3 Charakterisierung des optischen Übertragungskanals 5.4 Übertragungsverfahren . . . . . . . . 5.5 Reichweite optischer Systeme . . . . . 5.6 Kohärente optische Übertragungssysteme

Rt RlO

RIO RIO R J 1 R13 R 15 R19 R21

R23

R23 R26 R32 R37

R42

R42 R44 R47 R49 R53 R57 R57 R58 R61 R66 R69 R70

Inhaltsverzeichnis XXI

S Hochfrequenztechnische Anlagen Detlefsen (1 , 2.2 bis 2.4); Fliege (2.1); Janzen (3); Zimmermann (4)

1 Radartechnik . . . . . . . . . 1.1 Grundlagen der Radartechnik t .2 Dauerstrichradar . . . . 1.3 Nichtkohärentes Pulsradar 1.4 Kohärentes Pulsradar t .5 Verfolgungsradar . 1.6 Radarsignaltheorie . 1.7 Seitensichtradar 1 .8 Sekundärradar

2 Funkortungssysteme

2.1 Funkpeilverfahren 2.2 Richtsendeverfahren . . . 2.3 Satellitennavigationsverfahren 2.4 Hyperbelnavigationsverfahren

3 Technische Plasmen . . . . . . 3.1 Hochfrequenzanwendungen bei Plasmen · . 3.2 Elektromagnetische Wellen in Plasmen .

4 Radioastronomie . . . . . . . . . . . . 4.1 Frequenzbereiche und Strahlungsquellen 4.2 Antennensysteme der Radioastronomie 4.3 Empfangsanlagen . . . . . . . . . .

St

St S2 S4 S3 S6 S7 S8 S8 S9

S9 S13 S15 S16

St7

SJ7 St8

S22 S22 S24 S27

Medien bceinflußt. Eine grobe Vorstellung über die Ausbreitung entlang der Grenzfläche Erde/ Luft (Bodenwelle) gev.•innt man, wenn man die Brechza hlen von Luft und Boden als konstant annimmt und die Erdkrümmung vernachHissigt. Dieses Modell beschreibt die Ausbreitung ent­lang der kugelförmigen Erde fiir Entfernungen < 10 ()./m)1' 3 km und geringe Antennenhöhen (14). Das Strahlungsfeld eines Hertzsehen Dipols di­rekt über ebener Erde hat die Form [15)

E = 2E0 F(a).

E stellt die Komponente des elektrischen Feld­vektors senkrecht (vertikaler Dipol) bzw. parallel (horizontaler Dipol) zur Erde dar. E0 ist die Frei­raumfeldstärke. F(Q) ist eine Dämpfungsfunk­tion, deren Größe zwischen 1 (nahe beim Sender) und 0 (in großer Entfernung) liegt. Für !! gilt:

0 = {ndfi. lt12

- l l/lu212 vert. Polar.isat.ion,

- ndfi. lt1 2 - ll hor. Polansatton,

wobei ). die (Frciraum)-Wellenliinge, d die Ent­fernung und

tl2 = r..- jT.-i.Z0 /(21t) (17)

das Quadrat der Brechzahl der Erde bedeuten. In Bild 2 ist der Zusammenhang F(a), abhiingig von dem Parameter

Q = Rc(t1 2)/ lrn (t12) = 2ne./{ldZ0 ) , (18)

für vertikale und horizontale Polarisa tion aurge­tragen. Für {] > 10 ist

F(a) ~ 1f(2e) .

Da für Böden immer la2 1 ~ 1 (Tabelle mit typi­schen Wencn für 1:, und K, s. H 3.1) gilt. ist !! bei horizontaler Polarisation wesentlich größer als bei vertikaler. Horizontal polarisierte Wellen

0 1 - 1-

I~ --t-< "'-, = I 0 = CJO

~ ~~ Ko horizonlole 0 -

Polarisation ~ ~t\ I

2 Ausbreitungserscheinungen H 7

werden daher an der Grenzfläche stärker gc­diimprt als vertikal polarisierte. Im Grenzfall K- CI'J gilt für vertikale Polarisation E = 2E0 ,

wiihrend bei horizontaler Polarisation E = 0 wird. Mit zunehmendem Abstand von der Grenzfläche wird der Dämpfungsunterschied im­mer kleiner.

2.7 Beugung. Diffraclion

Elektromagnetische Wellen können um Hinder­nisse herumgreifen und damit in die geometri­sche Schattenzone gelangen. Diesen Vorgang nennt man Beugung. Wie stark das Feld in den Schattenraum eindringt, hängt von der Wellen­lünge, geringfügig auch von der Gestalt des Hin­dernisses ab. Der Beugungsschatten ist um so schärfer ausgepriigt, je kürzer die Wellenlänge ist.

Kantenbeugung. Mit dem Modell der Beugung an einer Halbebene, die senkrecht zur direkten Verbindungslinie Sender-Empfanger eingefügt ist, lassen sich die Auswirkungen schariKantiger Hindernisse auf die Ausbreitung beschreiben (Kantenbeugung). Für die Feldstärke am Emp­fangsort erhält man (9]:

E/E0 = 11 /2- exp(- jn/4) [C(v) + jS(v)]J'-{21. (19)

E0 ist die Frciraumfeldstürke, die vom Sender am Emprangsort erzeugt wlirde, wenn der Ausbrei­tungsweg frei wäre. Die Funktionen C(l') und S(r) bezeichnen die Fresnd-lntegrale

\ '

C(v) = J cos(nt2/2)dt; 0

vom Argument

• S(") = f sin(nt2/2) dt

0

v = H ) 2/i. (1 /ds + l fdt:)· (20)

-t-1· • I I

ver1tkole Polarisation

t\ l

0 dB

1 ·10 ~

!'.."-~ ..... ,..,

~ ~

' b.. -'"'I-

1'

!:!' ~ ·ZO

' 6 a 10'1 1 6 B 1 I 6 B 10 ( 6 s 10· -30_'7---,.L-----1.--.1--...J 5,0 2.5 0 ·2,5 ·5,0

2Q - - -Bild2 Bild 3 -v

Bild 2. Dämpfungsfunktion f (!!) nir die Ausbreitung entlang ebener Erde. Nach [ 15]. Parameter Q IHlCh Gl. (I t;)

Bild 3. Dämpfung durch ßcugung ;~n einer Halbebene nls Funktion von ,, nach GI. (20)

H 8 H Wellenaushrcitung im Raum

tls und d~: sind die Abstände vom Sender bzw. Empfiinger zur Halbcbenc; H stellt den Abstand von der Verbindungslinie Sender-Empfänger zur Kante der Halbebene dar; bei endlichen Brech­zahlgradienten der Troposphäre ist II aus dem Streckenschnitt abzulesen (s. H 3.1 und H3.2). H und damit ,. werden negativ gezählt, wenn die Kante unterhalb der Sichtlinie liegt, andernralls positiv. Der Zusammenhang zwischen E und \'ist in Bild 3 dargestellt. Bei " = 0 ist E = E0 /2. In der Schattenzone (v > 0) nimmt die Feldstärke monoton gegen 0 ab, w~ihrend sie im Sichtbe­reich (v < 0) oszillierend der Asymptote E0 zu­strebt. Die Oszillationen folgen aus der partiellen Abschattung der aus der Wellenoptik bekannten Fresnel-Zonen (Beugung an der Kreisblende [16]) durch die Halbebene. Die Fresnel-Zonen sind Schnitte senkrecht zur Drehachse der Fresnei-Ellipsoidc, die die geometrischen Orte der Punkte im Raum darstellen. fl.ir welche die Summe der Abstünde zu Sender und Empfänger um m2/2 (m = 1, 2, ... ) größer sind als der Ab­stand Sender-Empfänger. Der Radius der m-ten Frensel-Zone ist durch m rF mit

(21)

gegeben. Aus den Gin. (20) und (21) folgt

v = j2 11/rF. (22)

Im Funk haben die Fresnel-Ellipsoide als Pla­nungskriterium Bedeutung. Für gerichtete Funkverbindungen wird oft gerordert, daß das erste Fresnei-EIIipsoid umer Normalbedingun­gen (kc = 4/3, s. H 3.2) frei ist von Hindernissen [1 7]. Diese Forderung ist etwas willkürlich, weil die Abschattung in der Natur nicht durch kreis­förmige Blenden, sondern eher durch kantenrör­migc Hindernisse erfolgt. Für eine Kante, die am ersten Fresnei-Ellipsoid einer Funkstrecke endet, gilt nach GI. (22): v = - ,/2. Nach Bild 3 ist da­mit Gewähr gegeben, daf3 anniihernd die Frei­raumfeldstürke (mit einem Sicherheitsabstand gegenüber Schwankungen des Brechwerts) er­reicht wird.

Beugung an der Erdkugel. Die Beugung an der Erdkugel (Radius rE) haben V an der Pol und Bremmer [18] untersucht; zusammenfassende Darstellungen ihrer Theorie finden sich in [15, 19, 20]. Die Berechnung des Feldes führt auf unendliche, z. T. sehr schlecht konvergierende Reihen mit komplizierten mathematischen Funktionen. Aus der allgemeinen Lösung sind Näherungen für den Sichtbereich (Interferenz­zone) und die Schattenregion (Beugungszone) entwickelt worden. Der Übergang zwischen bei­den Regionen wird durch einander berührende Radiohorizonte von Sender (dRs) und Empfänger (dRE) festgelegt. Für eine Antenne in der Höhe h

über Grund ist der Abstand zum Radiohorizont durch

(23)

gegeben. Mit kc wird der Brechzahlgradient der Troposphiire berücksichtigt; bei kc = 1 fallen Radiohorizont und geometrischer Horizont zu­sammen. Für StreckenHingen d > dRS + dRr: =

~ (jhs + Jh.J befindet sich der Empfän­ger im Beugungsschallen, für d < dRs + dRE im In terferenzbereich.

lnterfercnzzonc. In diesem Bereich ist zwischen geringen und großen Antennenhöhen zu unter­scheiden:

(a) hs und IIF. < 30 (J.fm) 1f3 m.

Die Ausbreitung erfolgt hier wie über ebener Erde (s. 2.6). Für die Feldstärke gilt [15]:

E = 2E0 F(!!) f(hs) f(IJE) (24)

mit

(25)

für verL Polarisation,

für hor. Polarisation.

.Die Größen tl2 und Q sind durch die Gin. (17)

und (18) definiert. F(h) stellt eine Korrekturrunk· tion für endliche Antennenhöhen dar; rür II __. 0 ist F(h) ::::: 1, bei h ~ /r0 wird P(h) ~ lt/lt0 • Im letz­teren Falllautet GI. (24) für {! > 10

(26)

GI. (24) gilt, solange zusätzlich 2rc lls lief i. ~ d bleibt.

(b) lrs undjoder he ~ 30(i.fm) 113m:

Das Feld am Empfangsort läßt sich näherungs­weise durch Überlagerung einer direkten und einer am Erdboden reflektierten Welle entspre­chend Bild 4 berechnen [15]:

E = E0 11 + b.GsR D ~ cxp(- j2Jt6/).),. (27)

E0 ist die Freiraumfcldsliirke im Abstand rd vom Sender. l!.Gs stellt die Gewinnabnahme der Sen­deantenne in Richtung des indirekten Strahls gegenüber der Hauptstrahlrichtung dar. Der Re­flexionsfaktor R (s. B 2) hängt ab von der Polari­sation des abgestrahlten Feldes, dem Elevations­winkel <5, der Wellenlänge J. und den Parametern er und K des Erdbodens. Die Auff:1cherung des an der sphärischen Erde reflektierten Strahls wird

1 Analoge Modulationsverfahren 07

u0( f J UoW)

~ M =0,5 Üo Q 0+w( 1.0 L..... ............... ""T"T"'''........,......-rr'~~--_...:... ... -. 0 ,.~:-:.~,.....?1.;;::--..-:-;-.• ::-••• -.•• -

;' D 0-ro

1,0

0.5 0,5

0

-0.5 -0.5

.. '·· ..... ·· ·1.0 UlJW.ll.Lll.l..LUJ...L.Ll..l..JL_ _ _ _ ..;..:..:."..._.~:__-- -1 .0

1/oi.O)

Go M ::; 3,1 1.0 1.0 L-. __ ...,....,...,..,...,..I"T'T"T"T""TTT"r'r"----;,....-, .~.....,.:-:-; •• :-;-:, .-, -

.· ·· ··· ... .. ·· 0.5

..

: Do : o UUU~Li-Wimlli!Hffi.~lttHffift~1 : .Qo ... ~w ;

·•• .Q0-nw :·

0 5 ... , ./ ... - 0 •••• .."...., •• • • ·. .· ··..... . ...... .. -1 .0 IW.LL.U..Lll.ll.l...L...L..J....ULLL ____ .:.!..!....~o..!..:..---

Zeitbereich Zeigerdarstellung Bild 10. Frequenz-, Phasenmodulation mit !20 /w = 10

eine Ellipse, deren lange Achse zum Träger ge­neigt ist. Ergänzende Literatur zu AM in [7-12] .

1.2 Frequenzmodulation (FM) Frequency modulation

Wenn die Momentanfrequenz Q0 (t) der Signal­spannung s(t) proportional ist, so spricht man von Frequenzmodulation: .Q0 (t) = !20 + ~Qos(t) mit ~.Q0 - as. Daraus folgt für u0 (l) gemäß GI. (4) mit dem Modulationsindex (Phasenhub)

M = df10 /w (19)

u0 (t) = ri0 cos(.Q0 t + M sin(wt + <f's) + <p0).

(20)

Statt M wird mitunter auch das Symbol '7 be­nutzt. Die komplexe Darstellung des FM-Signals lautet bei Verwendung der Bessel-Funktionen Jn(M), die für 0 ~ M ~ 5 i.n Bild J 1 dargestellt sind,

u0 (t) = ü0 ReL .. ~ .. /n(M) ·

· expij((Q0 + nw) t + <p0 + nq>$)}} (21)

Spektralbereich

Bild 10 zeigt für die beiden Modulationsindizes M = 0,5 (Schmalband-FM) und M = 3,1 (Breit­band-FM) die charakteristischen Darstellungen im Zeitbereich und Spektralbereich sowie die Zeigerdarstellung mit den Einzelzeigern für alle relevanten Seitenlinien. Bei M. = 0,5 ist im Zeitbereich keine wesentliche Verschiebung der Nulldurchgänge des Träger­signals zu erkennen; äquivalent dazu ist die ge­ringe Größe der beiden Seitenbandzeiger für .Q0 ± w bzw. der beiden Seitenlinien im Spektral­bereich. Bei M = 3,1 si.nd die Verschiebungen der Nulldurchgänge im Zeitbereich deutlich erkennbar, äquivalent dazu die zusätzlichen Seitenbandzeiger bzw. Spektrallinien bei den Frequenzen .Q0 ± nw. Man beacht~ hi7r~i insbesonders die ungeraden Settenhmen (n = 1, 3, 5, ... ), die bei FM immer unterschiedli­che Vorzeichen aufweisen. Mit handelsüblichen Spektrumanalysatoren wird nicht das hier dar~e­stellte Spektrum der HF-Spannung angeze1gt, sondern das Leistungsspektrum; dabei geht selbstverständlich die Phaseninformation verlo­ren. Für kleine Modulationsindizes (M ~ 1) tre­ten bei FM näherungsweise nur der Träger und die beiden Modulationsseitenlinien bei Q0 ± w auf; mit zunehmendem Modulationsindex nimmt die Anzahl der relevanten Spektralkom­ponenten linear zu. Die Bandbreite des FM-

0 8 0 Modulation und Demodulation

1.0

IJ,S

0,6

0,4

O,l

-!JA

a

.. ·············· .... . ··

· .. ·· ...... .. .... ··· b

... ·· ..··········· ··.

... ··... .. ... . .. ·········

·· ...

Bild 12. FM-Zcigcrdarstcllung. a Einzelzeiger; b Summen­zeiger jeweils zwcicr zu Q 0 symmetrischer Einzelzeiger

Signals, definiert als derjenige Frequenzbereich, in dem 99% der übertragenen Leistung liegen, beträgt

B11r = 2(M + 'I) BNt: (22)

(Carson-Formel [13- 15)). Die für die Amplitu­den der Spektrallinien maßgeblichen Sessel­Funktionen [2] sind für 0 ~ M ~ 12 bis zur 5. Ordnung in Bild 11 dargestellt ; der erste Null­durchgang des Tr~igers liegt bei M = 2,4, derje­nige der ersten Seitenlinien bei M = 3,8 usw. Die Leistung des modulierten Signals ist bei FM (und PM) gleich der Leistung des unmodulierten Trägers. ln der Zeigerdarstellung des FM-Signals [16] verläuft der Summenzeiger immer auf einem Kreis mit dem Radius ti 0 ; die Resultierenden zweier zu Q 0 symmetrischer Seitenlinienzeiger stehen immer senkrecht auf den Resultierenden der benachharten Zeigerpaare (s. Bild 12).

Preemphasc, Deemphase. Da bei FM der Modu­lationsindex der Modulationsfrequenz umge­kehrt proportional ist, resultiert bei sehr kleinen Modulationsfrequenzen ein sehr großer Modu­lationsindex, was i. allg. unerwünscht bzw. unnö­tig ist. Als Preemphase bezeichnet man die sen­dcrseitige Verringerung des Modulationsindex bei niedrigen Modulationsfrequenzen. Diese fre­quenzabhängige Vorverzerrung des Signals muß

Bild II. Bcssci·Funktio ncn J8 (M).

~- ( _ l)t(M /2)w- H

J.{A/1 = 'L ; k ; O k ! (t1 + k)!

J_ "(AI) =(-I}"J .. (M)

im Empfiinger rückgängig gemacht werden (Deemphasc) .

FM-Erzeugung mittels Kapazitätsdiodcn. Zur elektronischen Veränderung der Frequenz eines Oszillators hat sich die Kapazitätsdiode be­währt, ein Halbleiterbauelement, dessen Sperr­schichtkapazitiit eine Funktion der Sperrspan­nung ist : C(u) = C0 (1 - uf e/J) - '' (vgl. Gin. H 1 (16) und (25)). Der Exponent y kann vom Di­odenhersteller durch die Wahl des Dotierungs­profils veriindcrt werden, wodurch auch die Li­nearit~it der Abstimmdiode beejnflußt wird. Durch hyperabrupte Dotierung z. B. wird die Kapazitiitsabhängigkeit C (u) = C0 ju2 in einem bestimmten Vorspannungsbereich realisiert. Sol­che Dioden kann man als ideale Abstimmdioden bezeichnen, weil mit ihnen lineare Abhängigkeit von Oszillatorfrequenz und Steuerspannung er­reicht wird. Nachteilig ist die geringere Güte und die größere Streuung dieser hyperabrupten Di­oden. Zur Erhöhung der Linearität von Frequenzmo­dulatoren [17] eignet sich u.a. die Frequenzver­vielfach ung, da wegen der H ubven·ielfach ung die Aussteuerung der Dioden bei der Oszillatorfre­quenz klein gehalten werden kann. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht in der unvermeidlichen Vervielfachung des durch thermisches Rauschen verursachten Störphasenhubs und außerdem in der erforderlichen Intermodulationsarmut der Frequenzverviclfachcr. Die Nichtlinearitäten ei­ner Abstimmdiode können auch durch frequenz­abhängige Lastrückwirkung auf den Oszillator kompensiert werden, die durch ein Netzwerk zwischen Oszillator und Last einstellbar ist. Mit solchen Netzwerken können sowohl quadrati­sche als auch kubische Verzerrungen ausgegli­chen werden. Ein Verfahren zur ausschließlichen Reduktion von quadratischen VerLerrungen stellt bekanntermaßen die Gegentaktansteue­rung dar (Bild 13); eine Erweiterung ist die Ge­gentaktansteuerung zweier Frequenzmodulato­ren (Bild 14), wobei in einem Miseher die beiden Oszillatorsignale zusammengeführt werden und

R 56 R Nachrichtcnülxrtragungssystcmc

L._ c

A Ost -Ansicht Nord· Ansimt

St.hmfl C·C

Schniii A·...t Sthnit1 B·B

Btlclll. Bodenstation Usingc:n 2 für dc:n l4J II-GHz-Bc:n:ich mit einer Antenne: nach dem Tuming·hcad-J>rinzip. Ocr Durchmesser des Hauptrc:flc:ktors beträgt 19m

grain-Spcisesystemen weitgehend durchgesetzt. Die Renektoren von Kleinst- und Kleinstationen werden aus Blech oder faserverstärkten Kunst­stoffen hergestellt. Bei Durchmessern von 3 m und d<trübcr bestehen sie aus montierbaren Seg­menten. die einfach transportierbar sind. Bei mittleren und großen Bodenstationen be­steht der Hauptreflektor aus einer Fachwerk­struktur. die mit elektrisch wirksamen und indi­viduell justierbaren Paneelen belegt ist. Der Hauptreflektor ist in Elevationsrichtung dreh­bar. während sich die gesamte Tragestruktur in einem Lager (King-post- oder Turning-head­Prinzip) oder mittels Rädern auf Schienen (Wheel-on-track-Prinzip) in Azimutrichtung dreht (Bild 11 ). Bei der King-post- und Turning-head-Antennc müssen aus Platzgründen als Verbindungsleitun­gen zwischen dem Erregerhorn einerseits und den Empfangs- und Sendeverstärkern anderer­seits Hohlleiter (mindestens einer pro Polarisa­tion) verwendet werden. wobei die Antennenbe­wegungen mit flexiblen Hohlleitern und Dreh­kupplungen ausgeglichen werden. Demgegen­über haben Whcel-on-track-Antcnnen den Vor-

teil. daß sie mit voluminösen Strahlwellenleitern (die bcidc Polarisationen führen} ausgestattet werden können. Dies ist beim King-post und Turning-hcad-Prinzip zwar prinzipiell auch rea­lisierbar. doch sind dann besondere Ausführun­gen von Strahlwellenleitern erforderlich. Hohlleiterlösungen bieten den Vorteil höherer Pohtrisationscntkopplungcn: Strahlwellenleiter­konzepte haben den Vorzug niedriger Verluste. so daß der rauscharme Empfangsverstärker und der Sendeverstiirkcr im unteren Betriebsraum (sog. .. fester Einspciscpunkf") aufgestellt werden können. Die wichtigsten Anforderungen an Bodensta­tionsantennen neben bestimmten Gewinnwenen in Hauptstrahlrichtung betreffen die Strahlungs­charakteristik und die- Polarisationscntkopp­Jung. Die Forderungen bc;r_ maximalzulässiger Höhen der Nebenzipfel sind nur mit sehr hohen Oberfliichcngenauigkeitcn des Haupt- und Sub­reflektorsund mit möglichst symmetrischen und im Nahleid ungestörten Anordnungen crfüllbar. Dies crklän die l~tst ausschließliche Verwendung von Casscgrain-Antcnnen. Uild 12 zeigt Strah­lungsdiagramme für die Ko- und die Krcuzpola-

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risation. die an der 18.3-m-Antenne der Bo­dcnstalion Usingcn 1 bei 11.45 GHz gemessen wurden.

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5 Optische Nachrichtenübertragungssysteme R 57

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3' 4'

Bild 12. Strahlungsdiagramme für die ko- und kreuzpolaren Komponenten R und Rx, die an der I 8.3-m-Antenne de; Bodenstation Usingen t bei 11 ,45 GHz gemessen wurden

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5 Optische Nachrichtenübertragungs­systeme Optical communication systems

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5.1 Einleitung. I ntroduction

Die einfachste Form eines optischen Nachrich­tenübertragungssystems ist in Bild 1 skizziert Das elektrische Eingangssignal gelangt über ei­nen Verstärker zur Sendediode, die die Strom­schwankungen durch die Diode in Intensitäts­schwankungen des emittierten Lichts umsetzt. Dieses intensitätsmodulierte Licht wird über eine

Spezielle Literatur R 73