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-
D c3
i)
{)
-50
. V
_ &
-~-A·I "
V
n ' ll
1\ r1
-r 1'
R,
\ lA 1
Vl
I
~ I rrR• j 1\ : \ I
0' ,. 2'
risation. die an der 18.3-m-Antenne der Bodcnstalion Usingcn 1 bei 11.45 GHz gemessen wurden.
Spcnclk litrr.ttur: (I) I'DE: First c:uropc-dn confc:rencc on sottdlitc communications in Munich. lkrlin: VDE-Verlag 1989. - 121 Remu•r. U.: Naud.;. J.: &1/teas, N. : Satellitc:ntcchnik. Bcrlin : Springcr 1988. - (3) lkrli11. P.: The gcosta· tionary appliatioru S3tcllite. Cambridgc: c~mbridge Uni\-crsity Press 1988. - (4) CC/R: Handbook on sutellite communications. Gc:nc\~.s : 1985. - Wu. IV. IV. : Elements of digjt.-:sl satdlite. Communications Vol. I + II. Computer Seien~ l'rc:M 1984. - (6) Clorkt•, A.C. : Asccnt to orbit. A .Klc:ntific autobiograph)•: The t~-chnical writings of Arthur C. Clarkc. Ncw York : Wilc:y 1984. - (7) Kobel. R.: Striit· lmg. T. : Kommunikation pcr Satellit. Ein intcrmuiomtlcs Handbuch. Bcrlin: Vist:ts 1984. - (8) Miuro. R. ; Jmbrialt•, WA . . .\lt'anJ(rs. E.J.: S..tc:llitc communic-.uions antenna tcchnolo a;y. Amstcrdam. O~ford. Ncw York : North Hol!.lnd f•ublications 1983. - (9) Maju.r. J.: Spu11iol, 0 .: Data nct\\otks " i th satdlitcs. lkrlin: Springer 1983. - (10) CrUit· ~;. J.·L: S..tc:llitc and computc:rcommunications. Amsterdam : North Holland 1983. - (II) Junsky, D.M.: World atwofs;&tc:llitcs. Dcdham: Ancch House 1983.-(12)Jansl.:y , D.M.: Jc•rurhim. M.C. : Communication satcllitcs in thc gorostationary orbit. Dcdham: Artcch Housc 1983. -(13) 1/t'rUr. E.: Rupp. H.: Nachrichtenübertragung uber S:ttdlitcn. 2. AuO. lkrlin : Springer 1983. - (141 Brot\'lt , .\I.P. : Compcndium of communication and broadcast sa· tdlites 1958 - 1980. Chichestcr: Wiley 1982. - (IS) Miya. K.: S:ttdlitc communications tc:chnology. Tokyo: KDD Eng. :and Coruult. 191$2.- (16) Bhargawa. J~K.; Hoccoutt , D.: .~lar.t•tu._ R.: Nldpl. P.: Digital communications by satc:lhtc. Chtehc::stcr. NC~A• York : Wilcy 1981. - (171 J'tm TruJ. II.L. : S..tdlitc communications. Chichcstcr: Wiley 1_980. - (18) M~rtin. J.: ~ommunications satcllitc systcms. E~S;iC\\'ood ChfT~: P~nttcc·Hull 1978. - (19) SpilkC'r. J.J.: Dtgt~l communtcallonli by satcllitc. Englcwood Cliffs: Prmll~·Hall 1977. - (20)/lcm/, P.: Fcmwirku.-chnik der Raumfahrt (J'dc:mctric. Telckommando. Oahnvennessung). Bcrlin : Springer 1977. - (21] Goulcl. R.G.: Lum, Y.F. :
5 Optische Nachrichtenübertragungssysteme R 57
~ lß I.AJ 1 \
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
Communications satellite systems: An overvicw over tbc technology. Ncw York : IEEE Press 1976.
5 Optische Nachrichtenübertragungssysteme Optical communication systems
Allgemeine Literatur: Goll'ar. J. : Optical communic:ation systcm.s. London: _Prcnticc-Halll984. - Grau, G.: Optische Nochnchtcntechmk. 2. AuO. Berlin: Springer 1986. - Kerstm, R. Tlr.: Einführung in die optische Nachrichtentechnik. ßcrlin: Springer 1983. - Krt•s.rcl. H. : Scmiconductor dcviccs for optical communications. Bcrlin: Springer 1980. - Miclll'illler. J.E.: Optical libres for transmission. New York : Wiley 1979. - Mlller. S .E.; Chynot••t•th. A.G.: Opti· cal liber tclccommunications. New York: Academic Press 1979. - Petc-rnuum, K. : Laserdiodemodulation and noise. l)ordrecht: Kluwcr Academic Pub. 1988. - Persottick. S.D.: Opticallibcr Iransmission systc:ms. Ncw York: Plenum Press 1980. - Timmermamt, C.C.: Licht\\--ellenlciter· komponcntcn und -systcme. ßmunschwcig: Vic:wcg 1984. Uttgt'r, H.G.: Optische Nachrichtentechnik. Berlin: Elitcra 1976. - Unger, H.G. : Optische Nachrichtentechnik I, 11. lieidelberg: H üthig 1984, 1985.
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
Top Related