basis- und spezialwissen in theorie und praxis
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Jon B. Hagen
HF-Technik mit Tiefgang Basis- und SpezialWissen
in Theorie und Praxis
Elektor-Verlag, Aachen
Inhaltsverzeichnis
Vorwort 11
1. Einführung 13 HF-Schaltkreise 15
Die Schmalbandigkeit von HF-Signalen 15 Analyse von Wechselstromkreisen — ein kurzer Überblick 16 Impedanz und Admittanz 16 Nichtlineare Schaltkreise 18
Aufgabenstellung 18
2. Impedanz Anpassung I 21 Übertrageranpassung 21 L-Netzwerke 22
Schneller Entwurf von L-Netzwerken 24 Höhere Güte Q — PI- und T-Netzwerke 25 Geringere Güte Q — Das doppelte L-Netzwerk 27
Äquivalente serielle und parallele Kreise 28 Verlustbehaftete Reaktanzen und der Wirkungsgrad von Anpassungsnetzwerken.... 28 Zusammenfassungen zum Q-Faktor 29
Aufgabenstellung 30
3. Lineare Verstärker 33 Einschleifige Verstärker 33
Emitterfolger 34 Verstärker in Emitter- und Basis-Schaltung 35 Ein Transistor, zwei Spannungsversorgungen 36 Zwei Transistoren, zwei Versorgungsspannungen 37
Wechselspannungs- Verstärker 39 Audio-Verstärker 39
HF-Verstärker 41 Aufgabenstellung 43
4. Filter I 47 Prototyp eines Tiefpaßfilters 48
Beispiel für ein Tiefpaß-Filter 49 Konvertierung in ein Bandpaß-Filter 51 Anhang 4.1 54 Aufgabenstellung 57
5. Frequenzumsetzer 61 Der ideale Multiplizierer als Mischer 61
Schaltmischer 63 Einfache, nichtlineare Mischer 65
Dioden-Mischer 66 Aufgabenstellungen 67
6. HF-Empfänger 69
3
Inhaltsverzeichnis
Grundlegende Kenngrößen 69 Verstärkung 69
Detektor-Empfänger 70 Mehrkreis-Empfänger 70 Der Superheterodyne-Empfänger 71
Spiegelfrequenz-Unterdrückung 72 Die Lösung des Spiegelfrequenz-Problems 73 Superheterodyne-Empfänger mit zweifacher Umsetzung 74
Automatische Verstärkungseinstellung 76 Rausch- und Störunterdrückung 76 Digitale Signalverarbeitung in Empfängern 76 Aufgabenstellung 77
7. Verstärker der Klasse С und D 79 Klasse-C Verstärker 79
Einfache Funktionsanalyse in Klasse-C Bausteinen 80 Funktionsanalyse der Klasse-C unter Berücksichtigung nichtidealer Röhren oder Transistoren 82 Überlegungen zur Ansteuerung 83 Serielle und parallel gespeiste Schaltkreise 83 Klasse-C Verstärker als Spannungsmultiplizierer 84 Klasse-C Verstärker für hohe Leistung 85 Modifizierte Klasse-C Verstärker mit höherem Wirkungsgrad 85
Verstärker der Klasse D 85 Klasse-D Verstärker mit seriellem Resonanzkreis 86 Klasse-D Verstärker mit parallelem Resonanzkreis 87
Welche Schaltungsart ist vorzuziehen — Klasse С oder Klasse D? 88 Aufgabenstellung 88
8. Ubertragungsleitungen 91 Grundlagen 91 Die Bestimmung der charakteristischen Impedanz und der Ausbreitungsgeschwindigkeit . . . 92 Impedanzänderung durch eine Übertragungsleitung 94 Aufgabenstellung 96
9. Impedanzanpassung II 99
Impedanzbestimmung über den Reflexionsfaktor 99 Aufgabenstellung 106
10. Stromversorgung 109
Vollwellen-Gleichrichter 109 Selbständige Regelung einer Stromversorgung mit Drosselspule 110 Welligkeit 111 Halbwellen-Gleichrichter 112 Elektronisch geregelte Stromversorgungen 113 Drei-Phasen-Gleichrichter 114 Aufgabenstellung 115
1 1 . Amplituden-Modulation 119
AM im Zeitbereich 119
4
AM im Frequenzbereich 122 Endstufen-Modulation 123
Modulatoren der Klasse A 123 Modulatoren der Klasse В 124 Modulatoren der Klasse S 125 Digital/Analog-Modulator 125
Die Praxis 126 Aufgabenstellung 127
12. AM mit unterdrücktem Träger 129 Einseitenband 131
Produkt-Detektor 131 Weitere Vorteile von SSB 132
Das Generieren von SSB-Signalen 133
Die Filtermethode 133 Die Phasenmethode 134 Die Weaver-Methode 134
SSB mit Verstärkern der Klasse С oder D 135 Aufgabenstellung 136
13. Oszillatoren 139 Kipposzillatoren 139 Elektronische Sinus-Oszillatoren 141 Unerwünschtes Schwingen 143 Oszillatoren mit seriellem Resonanzkreis 145 Oszillatoren mit negativem Widerstand 146 Dynamische Oszillatoren 147 Stabilität 147
Entwurfsbeispiel — der Colpitts-Oszillator 148 Zahlenbeispiel 149
Aufgabenstellung 151
14. Phasenstarre Kreise 153 Phasenregulierung mit den Mitteln der Frequenzsteuerung 153 Das mechanische Gegenstück zu einem PLL-Kreis 155 Dynamische Schleifen 157 Schleifenfilter 158 Lineare Analyse eines PLL-Kreises 158
Der Frequenzgang bei Typ-I-Kreisen 159 Frequenzverhalten bei Typ-II-Kreisen 160 Einschwingverhalten 161
Multiplizierer und Phasendetektoren 162 Arbeitsbereich und Stabilität 163 Nachführungszeit 163 PLL-Empfänger 164 Aufgabenstellung 165
15. Frequenz-Synthesizer 167 Direkte Synthese 167
Inhaltsverzeichnis
Direkte Synthese mit Mischern und Teilern 168 Indirekte Synthese 169 Direkte digitale Synthese 170
Das Rauschspektrum eines DDS 171 Schaltgeschwindigkeit und Phasenkontinuität 173 Phasenrauschen durch Multiplizierer und Teiler 173 Aufgabenstellung 175
16. Schaltregler 177 Der grundlegende Aufbau der Schalter 177 Kompensationskreis 177
Kontinuierlicher Modus 177 Unstetiger Modus 179
Kompensations-/Boost-Kreis 180 Kontinuierlicher Modus 180 Der unstetige Modus 180
Der Boost-Kreis 181 Kontinuierlicher Modus 181 Unstetiger Modus 182
Andere Regler-Varianten 183 Regler mit Transformatorkopplung 183
Der horizontale Ausgangskreis in Kathodenstrahl-Monitoren und Fernsehempfängern... 184 Aufgabenstellung 187
17. Gerichtete Leistungsmesser und Stehwellen 189 Gerichtetes Wattmeter in Reihenschaltung 189 Ohmsche Impedanzbrücke 191 Stehende Wellen 192 Auswirkungen von stehenden Wellen auf Antennenübertragungsleitungen 193 Aufgabenstellung 194
18. HF-Kleinsignalverstärker 197 Lineare Netzwerke mit zwei Eingängen 197 Kenngrößen für Verstärker — Verstärkung, Bandbreite und Impedanzen 198 Die Stabilität eines Verstärkers 199 Kenngrößen bei Übersteuerung 200
Intermodulation 200 Dynamikbereich 202
Schmalbandige Verstärkerkreise 202 Breitbandige Verstärkerschaltkreise 203 Transistor-Ersatzschaltbilder 203 Der Entwurf eines Verstärkers 204
Einfache NF-Verstärker 205 Verstärker in Basisschaltung 206
Aufgabenstellung 207
19. Filter II — gekoppelte Resonanzfilter 209 Impedanz-Inverter 210 Arbeitsbeispiel — Ein Bandpaßfilter mit einem Bandbreitenquotienten von 1% 212
6
Einflüsse durch ein begrenztes Q 214 Abstimmung 215 Andere Filter 216 Aufgabenstellung 216
20 . Hybridrichtkoppler 219
Richtungsabhängige Kopplung 220 Differentialübertrager (Hybrid-Transformator) 220
Anwendungen für den Differentialübertrager 221 Hybridrichtkoppler mit 90° Phasenverschiebung 222
Symmetrische Verstärker 223 Leistungsverknüpfung 224 Verschiedenartige Hybridrichtkoppler 225
Leistungsteiler (oder Verknüpfer) von Wilkinson 225 Ringförmiger Hybrid 226 Verzweigende Hybridrichtkoppler 227
Hybrids aus konzentrierten Elementen 227 Der allgemeine, richtungsabhängige Koppler 228 Aufgabenstellung 229
2 1 . Verstärker-Rauschen I 231
Thermisches Rauschen 231 Rauschzahl 233 Verstärker in Kaskadenschaltung 234 Weitere Rauschparameter 235 Messung der Rauschzahl 236 Aufgabenstellung 237
22 . Transformatoren und Symmetrieübertrager 239
Transformatorströme und der ideale Transformator 240 NF-Ersatzschaltbild eines perfekt gekoppelten, verlustlosen Transformators 240
Die Abläufe im perfekt gekoppelten, verlustlosen Transformator 242 Das mechanische Analogon eines perfekt gekoppelten Transformators 243
Ein nicht perfekt gekoppelter Transformator 244 Zweifach abgestimmter Transformator 245
Transformatoren mit magnetischem Kern 246
Wirbelströme und geschichtete Kerne 246 Entwurf von Transformatoren mit Eisenkern 247 Maximale Temperaturen und die Abmessungen eines Transformators 249
Übertragungsleitungs-Transformatoren 250 Symmetrieübertrager 252 Aufgabenstellung 255
23. Schaltkreise mit Wellenleitern 257
Wellenleiter 257 Einfache Erklärung der Übertragung auf Wellenleitern 257 Ausbreitung der Grundwelle in einem rechteckigen Wellenleiter 259
Wellenlänge im Leiter 259 Das magnetische Feld 260
Inhaltsverzeichnis
Wandströme 262 Übertragung mit geringen Leistungsverlusten: Wellenleiter contra Koaxkabel 262 Impedanz von Wellenleitern 262 Anpassung von Schaltkreisen mit Wellenleitern 263 Wellenleiter-Verbindungsstücke mit drei Eingängen 264 Verbindungsstück mit vier Anschlüssen 265 Anhang 1: Wellenleiter mit geringsten Verlusten im Vergleich mit ebensolchen Koaxialleitungen. . 266 Anhang 2: Abmessungen einer Koaxialleitung für minimale Verluste, höchste Leistung und maximale Spannung 269
Minimale Verluste 269 Höchste Leistung 269 Maximale Spannung 269
Relatives Leistungsvermögen einer 50 Cl Koaxialleitung 270 Aufgabenstellung 270
24. Fernsehsysteme 273
Bildaufteilung 273 Das Nipkow-System 273 Die NTSC-Norm 274 Das Videosignal 275
Horizontale Synchronisation 276 Vertikale Synchronisation 277 Modulation 278
Ton 279 Weitere Fernsehnormen 279 Farbfernsehen 280
Drei Farben über einen einzelnen Kanal 280
NTSC 280 Kompatibilität 281 Kammfilter 283
Das PAL-Farbsystem 285 Das SECAM-Farbsystem 288
Fernsehsender 289 Fernsehempfänger 289
Farbfernsehempfänger 290 Digitales Fernsehen 296
Das ATSC-System 297 Aufgabenstellung 300
25. Radarimpuls-Modulatoren 301
Leitungsmodulatoren 303 Aufgabenstellung 306
26. Sende-/Empfangsumschalter 307
Selbstschaltende Duplex-Radartechniken 307 Bauteile und Schaltkreise zur Sende-/Empfangsumschaltung 309
Sende-/Empfangsumschalter für verzweigende Leitungen 309 Symmetrische Duplexer 310
X
'
Diodenschalter 310 Dioden für HF-Schalter 312 Aufgabenstellung 313
27. Demodulatoren und Detektoren 315
Dioden-Detektoren 315 Die Analyse unter der Annahme eines idealen Gleichrichters 316 Analyse mit einer realen Diode 317 Wechselspannungsgekoppelter Dioden-Detektor 318
Einseitenband- (ESB) und Morsecode-Detektion 318 Produkt-Detektor für AM 319 Synchroner AM-Detektor 320 FM-Demodulatoren 320
PLL FM-Demodulator 321 FM-Detektor mit Geschwindigkeitsmesser 321 FM-Detektor mit Verzögerungsleitung 321
Quadratur-FM-Demodulator 322 Slope-Detektor 322 Der Foster-Seeley Diskriminator 323
Leistungs-Detektoren 325 Aufgabenstellung 328
28. Frequenz- und Phasenmodulation 329
Grundlagen der Winkelmodulation 329 Das Frequenzspektrum der FM 330
Schmalbandige Frequenz- oder Phasenmodulation 331 Breitbandige, spektrale FM-Bandbreite 331
Frequenzmultiplikation eines FM-Signals 332 Rauschen 332
Analyse der SRV-Verbesserung unter FM 333 SRV am Ausgang bei einem AM-Signal mit gleicher Trägerleistung 334 Rauschvergleiche — FM gegen AM mit hoher Signalstärke 335 Vorverzerrung und nachträgliche Entzerrung (Preemphasis und Deemphasis) 335
FM, AM und das Fassungsvermögen der Kanäle 336 Aufgabenstellung 338
29. Antennen und die Ausbreitung von radiowellen 339
Antennen 339 Elektromagnetische Wellen 339 Die Ausbreitung im Vakuum 340 Antennen-Richtwirkung und Gewinn 341 Absorptionsfläche einer Antenne 342 Funkverbindung mit einem Raumschiff 343 Terrestrische Funkverbindungen 345 Die Ionosphäre 345
Wellenausbreitung in der Ionosphäre 346 Wellenreflexion an der Ionosphäre 347 Ausbreitung während der Tages- und der Nachtzeit 347
Inhaltsverzeichnis
Andere Formen der Ausbreitung 348 Aufgabenstellung 349
30. Verstärker-Rauschen II 351
Rauschanpassung 351 Ersatzschaltbilder für rauschende Vierpol-Netzwerke 352 Rauschzahl des Ersatzschaltbildes 352 Parallelschaltung 355 Rauschmaß 356 Aufgabenstellung 357
3 1 . Oszillatorrauschen 359
Das Leistungsspektrum eines linearen Oszillators 360 Form des Seitenbandes 362 Phasenrauschen 362
Nichtlineare Effekte 363 Aufgabenstellung 364
32. Radio- und Radarastronomie 365
Die Entdeckung kosmischen Rauschens 365 Strahlungsmessung (Radiometrie) 366 Spektrometrie 367 Interferometrie 368
Abbildungs-Interferometrie 368 Radar-Astronomie 370
Der Mond 370 Venus 372 Abbildung mit Dopplerverzögerung 372 Zu große Ausdehnung 373
Aufgabenstellung 374
33. Radio-Spektrometrie 377
Filter und Filterbänke 378 Autokorrelations-Spektrometrie 378
Hardware-Autokorrelatoren 380 1-Bit Autokorrelation 381
Spektrometrie mit Fouriertransformation 382 Akustisch-optische Spektrometrie 383 Zirpende Spektrometrie 384 Verdichtung von Radarimpulsen 386 Aufgabenstellung 387
34. Laborgeräte 389
Leistungsmesser 389 Spannungsmessungen 389 Impedanzmessungen 390
Impedanzmessung bei gewobbelter Frequenz 392 Aufgabenstellung 394
Stichwortverzeichnis 395
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