Embed Size (px)
Citation preview
EPCOS
For superior solutions
EPCOS
4161 o MMPO
EPCOS
83550 • S2LN
f:PCOS
4149 • 7LO
Surface acoustic wave components
• All systems All frequency bands
• Alldesigns • All pertormance classes
More information at www.epcos.com
just everywhere ...
Holger Heuermann
Hochfrequenztechnik Lineare Komponenten hochintegrierter Hochfrequenzschaltungen
Mit 296 Abbildungen
Herausgegeben von Otto Mildenherger
Studium Technik II vaeweg
Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über <http://dnb.ddb.de> abrufbar.
Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Otto Mildenherger lehrte an der Fachhochschule Wiesbaden in den Fachbereichen Elektrotechnik und Informatik.
1. Auflage August 2005
Alle Rechte vorbehalten © Springer Fachmedien Wiesbaden 2005
Ursprünglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden
Lektorat: Reinhard Dapper
Der Vieweg Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media. www.vieweg.de
Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, www.CorporateDesignGroup.de
Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.
ISBN 978-3-528-03980-6 ISBN 978-3-322-93845-9 (eBook) DOI 10.1007/978-3-322-93845-9
V
Vorwort
Die Schaltungsentwicklung in der Hochfrequenztechnik hat in den letzten Jahren bedingt durch den Mobilfunk- und Kommunikationstechnikboom eine sehr rasche Wandlung erfahren. Der Bedarf an preisgünstigen Hochfrequenzmassenprodukten veränderte die in der Vergangenheit auf Sende-, Richtfunk-, Militär- und Satellitenanlagen ausgerichtete Hochfrequenzentwicklung immens. Diese Verlagerung der Schwerpunkte bedeutet für eine Vielzahl von Hochfrequenztechnikern, dass sich die Bauelemente und Komponenten verändert haben. Neben einem verstärkten Einsatz an Halbleitertechniken sind Aufbautechniken mittels der sogenannten LTCC-Technologie und insbesondere die SMD-Technik hinzugekommen.
Neben den veränderten Produkten hat sich auch im Bereich der Entwicklungsumgebung durch den Einsatz von Computern und moderner Messtechnik sehr viel verändert. Klassische Entwicklungstools wie das sogenannte Smith-Chart werden heutzutage in ganz anderer Art und Weise sinnvoll in der Entwicklung eingesetzt, als es früher der Fall war.
Die präzise Messtechnik und die Unterstützung durch Schaltungssimulatoren erlaubt es dem Hochfrequenztechniker seine Bauelemente präzise zu modellieren und somit im Schaltungsdesign hervorragende Vorhersagen zu treffen. Immer mehr nähert man sich dem Wunsch aller Manager: Aus der Simulation in die Produktion! Die Hochfrequenztechnik verliert durch das präzise ModeHing den Ruf der Black Magie-Wissenschaft. Vielmehr erlaubt sie den Aufbau von Präzisionselektronikbausteinen.
Darüber hinaus gibt es für junge Ingenieure und somit für die Industrie ein verändertes Ausbildungsprofil. Die Einführung von Bachelor- und Master-Studiengängen erfordert eine zweistufige Berufsqualifikation. Der Bachelorabsolvent soll bereits als qualifizierter Ingenieur in der Industrie eingesetzt werden können. Dieses erfordert in der Ausbildung eine Umstrukturierung der Studieninhalte und der Ausbildungskonzepte.
Die Inhalte des vorliegenden Lehr- und Fachbuches sollen allen diesen Aspekten möglichst gerecht werden. Dieses Buch beruht auf dem Vorlesungsmanuskript der Fachhochschule Aachen "Grundlagen der Hochfrequenztechnik" sowie auf Teilen der Wahlpflichtvorlesung "Hochfrequenzmesstechnik", die beide samt eine Bachelorqualifikation für das Arbeiten als Hochfrequenzentwicklungsingenieur vermitteln sollen. Trotz des stark ausgeprägten Lehrbuchcharakters wurde Wert darauf gelegt, dass das Buch nicht zu letzt durch eine Vielzahl von Hilfsblättern im Anhang und ergänzenden Kapiteln auch für erfahrene Ingenieure in der Industrie eine wertvolle Hilfestellungen bietet.
Dieses Buch stellt ein Modell vor, wie sich eine Separation in Bachelor- und Masterinhalte durchführen lässt. Neben einer ungekürzten Darstellung der wichtigsten Grundlagen, Bauelemente, Komponenten und Systeme der Hochfrequenztechnik werden komplexe Komponenten und Subsysteme wie Hochfrequenzmischer, Oszillatoren und Synthesegeneratoren nur in ihrer Funktionalität dargestellt. Auf die zugehörigen Grundlagen wie die nichtlineare Schaltungstechnik wird nicht eingegangen. Der Schwerpunkt liegt eindeutig bei den linearen Komponenten hochintegrierter Hochfrequenzschaltungen.
Weiterhin war es ein Anliegen, die Inhalte der Hochfrequenzelektronik in den Vordergrund zu stellen und deshalb Hohlleitertheorien, die in zahlreichen Lehrbüchern ausgiebig erläutert sind, außen vor zu lassen.
VI Vorwort
Bedanken möchte ich mich bei allen Mitarbeitern und Diplomanden des Lehrgebietes Hochfrequenztechnik der Fachhochschule Aachen, die Beiträge geleistet haben. So erarbeitete Dipl.-Ing. H. Erkens viele Beiträge zu den Mixed-Mode-Parametern. Darüber hinaus enthält das Buch einige Illustrationen die auf Arbeiten von Prof. Dr.-Ing. R. Knöchel der Universität Kiel beruhen, die er zur Verfügung stellte. Weitere Illustrationen und Grundlagen der MixedMode-Parameter stammen dankenswerter Weise von Prof. Dr.-Ing. M. Möller, Universität Saarbrücken. Für die Korrekturlesung muss ich mich sehr bei Dr.-Ing. R. Stolle, Infineon München, und Prof. Dr.-Ing. W. Bogner, FH Degendorf, bedanken. Ganz herzlich möchte ich meinem Lehrmeister Prof. Dr.-Ing. B. Schiek, Ruhr-Universität Bochum, danken.
Dem Herausgeber Prof. Dr.-Ing. 0. Mildenherger und dem Verlag Vieweg gilt auch für die sehr gute Zusammenarbeit und die hochqualitative Ausführung des Druckes Dank. Meiner Frau Regina, die mir das Schreiben dieses Buches erst ermöglichte, gilt mein ganz besonderer Dank.
Aachen, im Juli 2005 Holger Heuermann
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1 Einitihrung
1.1 Inhalte der modernen Hochfrequenztechnik . . . . . .
1.2 Hochfrequenztechnik: Zwischen Elektronik und Optik
1.3 Aufbau von Hochfrequenzanordnungen ........ .
2 Schaltungstheoretische Grundlagen
2.1 Systemvoraussetzungen
2.2 Die Streumatrix .....
2.2.1 Einführung der Wellengrößen
2.2.2 Bedeutung der Streuparameter
2.2.3 Die Netzwerkparameter der Elektronik .
2.3 Schaltungsentwurf von Zweitoren über Streuparameter
2.4 Streumatrizen von Netzwerken mit speziellen Eigenschaften
VII
1
1
3
6
7
7
8
8
11
14
17 18
2.4.1 Eigenschaften der Streuparameter von passiven Komponenten . 19
2.4.2 Eigenschaften der Streuparameter von passiven verlustlosen Kom-ponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4.3 Gängige Umrechnungen von Streuparametern 23
2.5 Transmissions-, Ketten- und sonstige Matrizen
2.5.1 Die Transmissionsmatrix :E ...... .
2.5.2 Die Kettenmatrix [A] und die ABCD-Matrix
3 Passive HF-Komponenten aus konzentrierten Bauteilen
3.1 Konzentrierte Elemente und Bauteile .
3.1.1 Ideale konzentrierte Elemente
3.1.2 Reale konzentrierte Bauteile .
3.1.2.1 SMD's ..... .
3.1.2.2 Halbleiterbauteile
24
24
26
27
27
27
28
30
32
VIII
3.1.2.3 Multilayerbauteile in LTCC und Laminaten .
3.1.2.4 Gekoppelte Induktivitäten
3.2 Zweitore . . .
3.2.1 Dämpfungsglieder
3.2 .2 Impedanztransformatoren
3.2.3 ±90°-Phasenschieber .
3.3 Drei- und Viertore . . .
3.3.1 DC-Einspeisung
3.3.2 Beschaltungen .
3.3.3 Resistive Signalteiler
3.3.4 Verschiedenste Koppler und Symmetrierglieder
Inhaltsverzeichnis
34
34
35
35
35
40
41
42
43
44
46
3.4 Multifunktionskomponenten . . . . . . . . . . . . . . . 4 7
4 Hochfrequenzleitungen: Theorie, Leitertypen und Anwendungen 49
4.1 Die allgemeine Leitungstheorie ...... .
4.1.1 Schwach verlustbehaftete Leitungen
4.1.2 Dämpfung einer Leitung ....
51
56
57
4.2 Leitungstheorie verlustloser Leitungen 58
4.2.1 Wellenlänge und Phasengeschwindigkeit 60
4.3 TEM- und Quasi-TEM-Wellenleiter 61
4.3.1 Die Koaxialleitung . . . . . . 64
4.3.2 Die Band- und Paralleldrahtleitung . 65
4.3.3 Die geschirmte Streifenleitung . . . . 66
4.3.4 Quasi-TEM-Wellenleiter: Mikrostreifen- und Koplanarleitung 68
4.3.5 Technologie der planaren Schaltung . . 71
4.3.6 Dispersionen aufgrund der Eindringtiefe 73
4.4 Leitungstransformation und Smith-Chart 78
4.4.1
4.4.2
4.4.3
4.4.4
4.4.5
Eingangswiderstand einer Leitung
Leitungen als Impedanztransformatoren
Der Reflexionsfaktor r . . . . . . . . . .
Stehwellenverhältnis und Anpassungsfaktor
Das Smith-Chart . . . . . . .
4.5 Quasi-konzentrierte Leitungsbauteile
78
82
83
85
86
91
Inhaltsverzeichnis IX
5 Schaltungstheorie und-synthesemit Gleich- und Gegentaktgrößen 95
5.1 Einführung von Mixed-Mode-TEM-Systemen . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.1.1 Unsymmetrischer Mode und Gegentaktmode in Zweileitersystemen 97
5.1.2 Gleich- und Gegentaktmoden in Dreileitersystemen . . 99
5.2 Komponenten mit Dreileitersystemen am Ein- und Ausgang . 101
5.2.1 Modeblocker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.2.2 ±90°-Phasenschieber mit Modeblocker- und Impedanztransforma-torfunktionalität . . . . . . . . . . 110
5.2.3 Modekonverter und Modeweichen . . . . . . . . 112
5.2.4 Propagation-Matrix für Mixed-Mode-Systeme . 115
5.3 Komponenten mit Zwei- und Dreileitersystemen . . . . 117
5.3.1 Zusammenhang zwischen S-und allgemeinen M-Parametern . 118
5.3.2 Symmetrierglieder . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.4 Schaltungssynthese von symmetrischen Netzwerken .
5.4.1 Analyse von symmetrischen Zweitornetzwerken
5.4.2 Synthese von symmetrischen Mixed-Mode-Netzwerken
5.5 Kopplerund Grundlagen der Kopplersynthese ........ .
6 Resonatoren und Filter
6.1 Grundlagen der Resonatoren ........ .
6.1.1 Theorie der .X/4-Leitungsresonatoren .
6.2 Beschaltete Resonatoren .....
6.2.1 Transmissionsresonatoren
6.2.2 Reflexionsresonatoren ..
6.2.3 Dielektrischer Resonator und Reaktionsresonatoren .
6.3 Dual-Mode-Resonatoren ................. .
6.4 Gekoppelte zweikreisige Resonatorfilter beliebiger Güte
129
135
135
136
141
144
149
154
154
158
161
163
168
6.4.1 Übersicht: Zweikreisige Resonatorfilter . . . . . . 168
6.4.2 Synthese von gekoppelten Parallelschwingkreisen mit Spannungs-kopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
6.4.2.1 Das klassische kapazitiv gekoppelte Resonatorfilter . 172
6.4.2.2 Resonatoren als Koppelelemente . . . . .
6.4.2.3 Implementierte Impedanztransformation
7 Hochfrequenzschalter
7.1 Koaxiale Relais . . .
173
175
177
177
X
7.2 MEMS ................... .
7.3 PIN-Dioden-Funktionalität und -Schalter
7.3.1 Aufbau einer PIN-Diode ..... .
7.3.2 PIN-Diode im stationären Sperrbereich
7.3.3 PIN-Diode im stationären Flussbereich .
7.3.4 Schaltverhalten von PIN-Dioden
7.3.5 Bauformen von PIN-Dioden ...
7.3.6 PIN-Dioden Schalter-Anordnungen .
7.4 HF-Transistor-Schalter ........ .
7.5 Schalter für differentielle Schaltungen.
7.5.1 Beschreibung der symmetrischen Schalteranordnungen
Inhaltsverzeichnis
178
179
180
181
182
184
187
188
191
192
193
8 Lineare Verstärker und Rauschen 197
198
198
199
8.1 Kenngrößen von Kleinsignalverstärkern.
8.1.1 Leistungsverstärkung.
8.1.2 Stabilität ...... .
8.1.3 Maximaler Leistungsgewinn und maximaler stabiler Gewinn . 202
8.2 Entwurf von Schmal band-Verstärkern . . . . . . 203
8.2.1 Analyse des Transistors im Arbeitspunkt 205
8.2.2 Schaltungsoptimierung des Transistorverstärkers 208
8.3 Analyse des nichtlinearen Verhaltens von Verstärkern. . 212
8.3.1 Grundlagen der nichtlinearen Verzerrungen . . . 212
8.3.2 Nichtlineare Effekte und Simulation eines HF-Verstärkers 213
8.4 Grundlagen der Theorie des elektrischen Rauschens . 217
8.4.1 Grundbegriffe . 217
8.4.2 Rauschquellen 217
8.4.3 Rauschzahl eines Zweitores und einer Kaskade
8.4.4 Auslegung rauscharmer Empfänger ...... .
9 Modelling und Fitting
9.1 Modelle zum Fitting einer Spule
9.2 Sensibilisierungsstrukturen zum optimalen Fitting
9.2.1 Fitting einer Spule ohne Sensibilisierung ..
9.2.2 Fitting einer Spule unter Verwendung eines Tiefpasses
9.2.3 Beurteilung einer Spule unter Verwendung des MAG's
9.3 Die Praxis eines Modellings mit Serenade .......... .
220
222
223
223
226
226
228
231
232
Inhaltsverzeichnis
10 Grundlagen der Systemkonzeption
10.1 Auslegung einfacher Übertragungsstrecken .
10.1.1 Arbeiten mit einer Ersatzlast .
10.1.2 Arbeiten mit einer Ersatzquelle
10.1.3 Kenngrößen von Übertragungsstrecken .
10.2 Signalflussmethode und -diagramme ..... .
10.2.1 Komponenten für Signalflussdiagramme
10.2.2 Beispielrechnung: Signalverfolgungsmethode .
10.3 Wichtige Systemkomponenten . . . . . . . .
10.3.1 Nichtreziproke passive Komponenten
10.3.2 Detektoren
10.3.3 Miseher . .
10.3.4 Einseitenbandumsetzer und IQ-Modulatoren
10.3.5 Oszillatoren und Synthesegeneratoren
10.3.6 Antennen ......... .
10.4 Skalare S-Parameter-Messsysteme .
10.4.1 Transmissionsmessungen ..
10.4.2 Reflexions- und Unidirektionale Messungen
10.5 Vektorielle S-Parameter-Messsysteme .
10.5.1 Homodyne Konzepte .
10.5.2 Heterodyne Konzepte
10.5.3 Netzwerkanalysator-Konzepte
10.5.4 Kalibrierung vektorieller Netzwerkanalysatoren
A Anhang
A.1 Hilfsblätter
Literaturverzeichnis
Verzeichnis häufig verwendeter Formelzeichen und Kürzel
Sachwortverzeichnis
XI
237
238
239
241
242
246
247
249
251
251
254
256
258
260
265
266
267
271
272
275
277
280
286
287
287
306
312
314
