Hochfrequenztechnik


Hochfrequenztechnik

Die Hochfrequenztechnik (auch HF-Technik) befasst sich mit der Elektrotechnik im Hochfrequenz-Bereich. Sie ist unter anderem von Bedeutung für die Gebiete der Radio- und Fernsehtechnik, Nachrichtentechnik, Sende- und Empfangstechnik, Antennentechnik, Radartechnik und Schweißtechnik.

Inhaltsverzeichnis

Charakteristik

Früher unterschied man die HF-Technik von der NF-Technik (Niederfrequenztechnik). In der Radiotechnik war der HF-Teil die Antenne, der Antennenverstärker usw. Er umfasste alle Frequenzen oberhalb der Hörgrenze. Der Audioteil bis ca. 10–20 kHz gehörte zur Niederfrequenztechnik.

Heute kann man die Hochfrequenztechnik dadurch abgrenzen, dass hier die Bauteil- und Baugruppengröße im Bereich der Wellenlängen der verwendeten Frequenzen ist. Bei niederen Frequenzen kann man Schaltungen mit diskreten Bauteilen wie Widerständen, Kondensatoren und Spulen, aber auch Transistoren und Röhren aufbauen. Jedes Bauteil kann dabei als eigenständiges elektrisches Element mit nahezu idealen Eigenschaften (elektrischer Widerstand, Kapazität, Induktivität) betrachtet werden.

ein Feldeffekttransistor (links) und sein HF-Ersatzschaltbild (rechts)

Bei höheren Frequenzen werden parasitäre (= zusätzliche ungewollte) Eigenschaften immer wichtiger. Beim Einsatz von HF-Transistoren müssen z. B. Ersatzschaltbilder eingesetzt werden, die zusätzliche Widerstände, Kapazitäten oder Induktivitäten enthalten.

Bei noch höheren Frequenzen unterscheiden sich die Baugruppen, da hier die elektromagnetischen Wellen mit entsprechend kurzen Wellenlängen für das Verhalten wichtig sind. Es existieren neue Bauteile wie Antennen, Hohlleiter, Wanderfeldröhren.

Für die Abgrenzung kann heute keine Frequenz mehr angegeben werden. Sie hängt auch von der Größe des jeweiligen Anwendungsfalls ab. Im Extremfall gehören Stromversorgungsleitungen mit 50 bzw. 60 Hz bereits zur HF-Technik, wenn weite Strecken überbrückt werden. Hierzu gehören die Überlandleitungen in Kanada. Auf elektronischen Leiterkarten beginnt der Hochfrequenzbereich bei etwa 100 MHz, die bei digitalen Signalen ab etwa 10 MBit/s vorkommen. Innerhalb von Mikrochips gehören einige 100 MHz über sehr kurze Strecken noch zum Niederfrequenzbereich.

Niedrige Frequenzen HF-Technik, mittlere Frequenzen HF-Technik, hohe Frequenzen
Bauteile Diskrete Bauteile (Widerstände, Transistoren) Diskrete Bauteile, speziell für HF-Technik (z. B. HF-Transistoren) Spezielle Bauteile (Antennen, Wanderfeldröhren)
Leiterkarten Beliebige Leiterbahnführung Spezielle Leiterbahnführung, Abschlusswiderstände PTFE-Leiterplatten, Microstrip
Theorie RLC-Netzwerke, Schaltungstechnik Diskrete Bauteile mit Ersatzschaltbild in RLC-Netzwerken, speziell geformte Leiterbahnen mit Ersatzschaltbild Maxwellsche Gleichungen
Frequenzen und Wellenlänge niedrige Frequenz, sehr große Wellenlänge Wellenlänge im Bereich der Bauteilgröße (bis etwa zum Zehnfachen der Größe) Wellenlänge kleiner als Bauteilgröße
Beispiele Audioverstärker,
RS-232 Datenübertragung
Antennenverstärker, Netzwerkkarte Antenne, Ethernetkabel

Beispiel: Hauptplatine von Computern

Elektromagnetische Wellen im Vakuum breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus, also mit etwa 300.000.000 m/s. Auf elektronischen Leiterkarten ist ihre Geschwindigkeit kleiner, nur etwa die Hälfte bis 2/3 dieser Geschwindigkeit.

Die ersten PCs eines großen Herstellers arbeiteten mit ca. 5 MHz. Zur sauberen Signalübertragung müssen etwa 10fach höhere Frequenzen auf der Platine übertragen werden, also ca. 50 MHz. Die Wellenlänge einer elektromagnetischen Welle mit dieser Frequenz und 200.000.000 m/s beträgt über vier Meter. Da die Hauptplatine viel kleiner ist, können die Leiterbahnen beliebig ausgeführt werden, gegebenenfalls auch krumm und mit unterschiedlicher Länge. Sie können als normale, elektrisch kurze Drähte aufgefasst werden.

Spätere PCs arbeiteten auf der Platine mit 133 MHz oder 266 MHz. Die Wellenlängen der auf der Platine zu übertragenden Signale (zehnfache Frequenz) liegen hier im Bereich von etwa 10 cm. Da die Leiterbahnen ebenfalls in dieser Größenordnung liegen, müssen sie hier als HF-Bauteile aufgefasst werden. Ihre Leitungsführung und -länge ist daher für die Funktion sehr wichtig. Außerdem muss ihr Leitungswellenwiderstand berücksichtigt werden. Um Reflexionen der Signale zu vermeiden, wird das Leitungsende üblicherweise mit dem Widerstand in der Größe des Leitungswellenwiderstands abgeschlossen.

Siehe auch

Literatur

  • Jürgen Detlefsen, Uwe Siart: Grundlagen der Hochfrequenztechnik 2. Auflage. München, 2006. ISBN 978-3-486-57866-9.
  • H. H. Meinke, F. Gundlach: Taschenbuch der Hochfrequenztechnik. 5. Auflage. Springer, Berlin 1992 ISBN 3-540-54717-7.
  • Holger Heuermann: Hochfrequenztechnik. 2. Auflage. Vieweg+Teubner, Wiesbaden 2009, ISBN 978-3-8348-0769-4.
  • Frank Gustrau: Hochfrequenztechnik, Carl-Hanser Verlag, München, 2011, ISBN 978-3-4464-2588-0

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