Hochfrequenztechnik in Funk und Radar

263 Pages·1994·4.135 MB·German

by  Dr.-Ing. H.-G. Unger (auth.)

Teubner
Studienskripten (TSS)
Mit der preiswerten Reihe Teubner Studienskripten
werden dem Studenten ausgereifte Vorlesungsskripten
zur Unterstützung des Studiums zur Verfügung ge
stellt. Die sorgfältigen Darstellungen, in Vorle
sungen erprobt und bewährt, dienen der Einführung
in das jeweilige Fachgebiet. Sie fassen das für
das Fachstudium notwendige Präsenzwissen zusammen
und ermöglichen es dem Studenten, die in den Vor
lesungen erworbenen Kenntnisse zu festigen, zu ver
tiefen und weiterführende Literatur heranzuziehen.
Für das fortschreitende Studium können Teubner
Studienskripten als Repetitorien eingesetzt werden.
Die auch zum Selbststudium geeigneten Veröffent
lichungen dieser Reihe sollen darüber hinaus den
in der Praxis Stehenden über neue Strömungen der
einzelnen Fachrichtungen orientieren.
Zu diesem Buch
Dieses kleine Lehrbuch führt den Ingenieur
und Physiker in die wichtigsten hochfre
quenztechnischen Grundlagen ein und be
rücksichtigt dabei insbesondere ihre
Anwendungen in Rundfunk, Richtfunk,
Satellitenfunk und Radar. Vorausgesetzt
werden beim Leser nur die Kenntnis der
allgemeinen Grundlagen der Elektrotechnik
und die einfachsten Begriffe aus der
Nachrichtentechnik. Die Behandlung beginnt
jeweils bei den physikalischen Grundlagen
und umspannt den ganzen Bereich bis zur
exemplarischen Systemanwendung.
Das Skriptum bildet Inhalt und Ergänzung
einer Vorlesung, die die Studierenden der
Elektrotechnik an der T.U. Braunschweig
in die Hochfrequenztechnik einführt. Es
ist aber so ausführlich abgeLaßt, daß es
sich auch zum Selbststudium und zur
Einarbeitung eignet. Es wendet sich an
die Studierenden der Elektrotechnik und
Physik an Universitäten und Fachhoch
schulen sowie an Elektroingenieure,
Elektroniker und Physiker in der Praxis.
Hochfrequenztechnik
in Funk und Radar
Von Dr.-Ing. H.-G. Unger
Dr. rer. nato h. c. Dr.-Ing. E. h. muh.
o. Professor an der
Technischen Universität Braunschweig
4., überarbeitete und erweiterte Auflage
Mit 206 Bildern
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 1994
Prof. Dr.-Ing. Hans-Georg Unger
Dr. rer. nat. h. c. Dr.-Ing. E. h. mult.
1926 geboren in Braunschweig. Studium der Elektrotechnik,
Dipl.-Ing. (1951), Dr.-Ing. (1954) an der Technischen
Hochschule Braunschweig. Entwicklungsingenieur und Leiter
der Mikrowellenforschung bei Siemens (1951 - 1955), Mit
glied des technischen Stabes und Abteilungsleiter in den
Bell Telephone Laboratories, USA (1956 - 1960). Seit 1960
ord. Professor und Direktor des Institutes fUr Hochfre
quenztechnik der Technischen Hochschule Braunschweig,
jetzt Technische Universitiit. Veroffentiichungen uber
Elektromagnetische Theorie, Mikrowellen, Elektronik und
Wellenleiter sowie Quantenelektronik und optische
Nachrichtentechnik.
Die Deutsche Bibiiothek - CIP-Einheitsaufnahme
Unger, Hans-Georg:
Hochfrequenztechnik in Funk und Radar / von H. G. Unger. -
4., uberarb. und erw. Aufl.
(Teubner-Studienskripten ; 18 : Elektrotechnik)
ISBN 978-3-519-30018-2 ISBN 978-3-663-10313-4 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-10313-4
NE: GT
Das Werk einschIieBiich aller seiner Teile ist urheberrechtlich
geschutzt. Jede Verwertung auBerhalb der engen Grenzen des
Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages
unzuliissig und strafbar. Das gilt besonders fur Vervielfiilti
gungen, Olîersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeiche
rung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
© Springer Fachmedien Wiesbaden 1994
Urspriinglicb erschienen bei B.G. Teubner Stuttgart 1994
Gesamtherstellung: Druckhaus Beltz, Hemsbach/BergstraBe
Während einerseits meist alle elektrischen Vorgänge und Anwendungen mit
Frequenzen zwischen dem Hör- und dem optischen Bereich zur Hochfrequenz
technik gezählt werden, gelten andererseits die Nachrichtentechnik und
die Elektronik als eigene Gebiete. Hochfrequenztechnisch arbeiten dann im
engeren Sinne nur noch solche Anordnungen, bei denen Laufzeiteffekte von
Teilen und Feldern vorkommen. Damit bilden Funk und Radar die Domäne der
Hochfrequenztechnik. Aber auch die schnelle Nachrichtenübertragung und
-verarbeitung gehören dazu sowie viele medizinische und industrielle
Anwendungen.
Dargestellt und gelehrt werden diese Gebiete oft im Rahmen der Nachrich
tentechnik und Elektronik und müsse" dann durch eine geeignete Darstel
lung der Hochfrequenztechnik ergänzt werden. Dieses Studienskriptum lie
fert die Ergänzung. Vorausgesetzt werden die Grundlagen der Elektrotech
nik sowie der Nachrichtentechnik und Elektronik. Es werden mit den Anten
nen und der Wellenausbreitung, mit Senderöhren und Sendern, mit Empfangs
verstärkern und -mischern solche Hochfrequenzvorgänge und -schaltungen
behandelt, die in den einfachen Darstellungen der Nachrichtentechnik und
Elektronik fehlen. Am Beispiel der wichtigsten Funk- und Radarsysteme
wird die praktische Anwendung dieser Hochfrequenzeinrichtungen erläutert.
Um den Rahmen dieses Skriptums nicht zu sprengen, werden manche Sachver
halte nur verständlich gemacht und zur gen auen Begründung wird auf andere
Lehrbücher verwiesen. Das Skriptum bildet Inhalt und Ergänzung zu einer
Vorlesung, die die Studierenden der Elektrotechnik der TU Braunschweig in
die Hochfrequenztechnik einführt. Es ist aber so ausführlich abgefaßt,
daß es sich auch zum Selbststudium und zur Einarbeitung eignet.
Diese vierte Auflage ist gegenüber der vorhergehenden erweitert um die
digitale Trägerfrequenztechnik und geht auf ihre Anwendungen beim Mobil
funk und Richtfunk sowie beim Satellitenfunk ein. Auch Satelliten-Fern
sehen wird zusätzlich behandelt.
Braunschweig, November 1993 H.-G. Unger
Inhaltsverzeichnis
Einleitung 8
1 Antennen 11
1.1 Die lineare Antenne als Strahler 11
1.2 Kenngrößen von Antennen 19
1. 2.1 Richtdiagramm und Antennengewinn 19
1.2.2 Strahlungswiderstand und Eingangswiderstand 24
1.2.3 Wirkfläche und Übertragungsfaktor 30
1.3 Einfache Antennenformen 38
1.3.1 Verlängerte und schwundmindernde Vertikalantennnen 38
1.3.2 Rahmen- und Ferritantennen 41
1.3.3 Faltdipol und Breitbanddipole 45
1.4 Gruppenstrahler 49
1.5 Drahtantennen mit Wanderwellen 57
1. 5.1 Langdrahtantennen 57
1.5.2 V-Antennen und Rhombusantennen 59
1.5.3 Wendel antennen 61
1.6 Flächen- und Schlitzstrahler 62
1.6.1 Flächenstrahler 66
1.6.2 Schlitzstrahler 77
2 Wellenausbreitung 80
2.1 Bodenwelle 80
2.2 Raumwelle und Ionosphäre 82
2.3 Beugungsgrenzen der freien Ausbreitung 87
2.4 Reflexionen und Mehrfachempfang 90
2.5 Troposphärische und ionosphärische Streuung 92
2.6 Absorption in der Troposphäre 93
2.7 Ausbreitung in den technischen Wellenbereichen des
Funkspektrums 94
3 Senderöhren 95
3.1 Vakuumdioden 95
3.2 Vakuumtriode 102
3.3 Sendeverstärker 107
3.3.1 A-Betrieb 108
3.3.2 B-Betrieb 109
3.3.3 C-Betrieb 112
3.3.4 Betrieb im Grenzzustand 114
3.3.5 Sendeverstärker mit Strahltetrode 116
3.4 Aufbau von Sendetrioden 118
3.5 Klystron 120
3.6 Wanderfeldröhre 125
3.6.1 Aufbau und Wirkungsweise einer Wanderfeldröhre 125
3.6.2 Stabil ität 127
3.6.3 Frequenzabhängigkeit der Verstärkung 127
3.7 Magnetron 128
3.7.1 Elektronenbahnen in gekreuzten Feldern 128
3.7.2 Elektronenwechselwirkung mit Kettenleiterwellen 130
3.7.3 Das Magnetron als Oszillator 132
7
4 Hochfrequenz-Empfang 134
4.1 Hochfrequenzvorverstärkung 135
4.1.1 Der MESFET 136
4.1.2 Hochfrequenzverstärker mit MESFETs 148
4.2 Überlagerungsempfang 151
4.2.1 MESFET-Mischer 151
4.2.2 Diodenmischer 153
4.3 Empfangsempfindlichkeit und Rauschen 157
4.3.1 Widerstandsrauschen 158
4.3.2 Die Rauschzahl von Vierpolen 160
4.3.3 MESFET-Verstärkerrauschen 161
4.3.4 Dioden-Mischer-Rauschen 164
5 Rundfunktechni k 166
5.1 AM-Rundfunksender 167
5.2 FM-Rundfunksender 170
5.3 Hörrundfunk-Empfänger 172
5.4 Fernseh-Sender 174
5.5 Fernsehempfänger 177
6 Richtfunktechnik 178
6.1 Frequenzmodulation 179
6.2 Sendeleistung 182
6.3 Das Richtfunksystem FM 1800/6000 183
7 Digitale Trägerfrequenztechnik 188
7.1 Amplitudentastung (ASK) 188
7.2 Zweiphasenumtastung (2-PSK) 193
7.3 2-PSK mit Differenzcodierung (2-DPSK) 196
7.4 Vierphasenumtastung (4-PSK) 198
7.5 Höherwertige Trägerumtastung 201
7.6 Zwei frequenzumtastung (2-FSK) 205
7.7 Das Mobilfunknetz D 207
7.8 Digitale Richtfunksysteme 212
8 Sate 11 i tenfunk 216
8.1 Streckendämpfung und Frequenzbereiche 217
8.2 Leistungspegel, Verstärkung und Rauschzahlen 219
8.3 Modulationsverfahren und Vielfachzugriff 221
8.4 Aufbau eines Nachrichtensatelliten 224
8.5 Bodenstation 227
8.6 Satelliten-Fernsehen 228
9 Radar 229
9.1 Radarquerschnitt und Reichweite 229
9.2 Impulsradarverfahren 232
9.3 Impulsmodulation 234
9.4 Sende-Empfangs-Duplexer 236
9.5 Aufbau von Impulsradaranlagen 237
9.6 Sekundärradar 240
Einleitung
Hochfrequenztechnik ist ganz allgemein die Technik der schnelien Vor
gänge. Sie befaßt sich mit den Prinzipien schneller Vorgänge, den be
sonderen Problemen, die mit ihnen auftreten, der theoretischen und
praktischen Lösung dieser Probleme und der Anwendung schneller Vorgän
ge, um bestimmte Wirkungen zu erzielen oder Funktionen zu erfüllen.
Dabei ist schnell natürlich nur ein relativer Begriff, den wir bei Be
wegungsvorgängen am besten mit der Laufzeit festlegen. Wenn die Lauf
zeit von Teilen oder Feldern durch eine Anordnung nicht mehr klein ist
gegen die Dauer des Vorganges, dann sprechen wir von einem schnellen
Vorgang. Wenn beispielsweise die Belichtungszeit bei einer photogra
phischen Aufnahme so kurz ist, daß sie mit den Zeiten vergleichbar
wird, die zum öffnen und Schließen des optischen Verschlusses ver
streichen, so haben wir es mit einem schnellen Vorgang zu tun. Die
Laufzeit für den Verschluß wird hier durch die Massenträgheit der Ver
schlußteile bestimmt.
Auch elektrische Ladungsträger haben eine Massenträgheit und bewegen
sich immer nur mit endlicher Geschwindigkeit, die oft noch durch Hin
dernisse im Laufraum entscheidend begrenzt wird, so beispielsweise
für bewegliche Ladungsträger im praktisch unregelmäßigen Gitter eines
Festkörperkristalles. Ebenso wandern Felder und Wellen immer nur mit
endlicher Geschwindigkeit, und zwar elektromagnetische Felder höch
stens mit Lichtgeschwindigkeit.
Wir sehen damit schon, daß der Begriff "schnell" sich auf ganz verschie
dene Zeitspannen bezieht, je nachdem, ob wir es mit mechanischen oder
mit elektrischen Vorgängen zu tun haben. Wenn es sich um einen perio
dischen Vorgang handelt oder wenn wir einen sonstwie ablaufenden Vor
gang durch Fourieranalyse in sein Schwingungsspektrum zerlegen, so ist
die Periode des Vorganges bzw. seiner größten Schwingungskomponenten
ein gutes Maß für die Dauer des Vorganges und die Grundfrequenz ein
Maß dafür, wie schnell er ist.
In der konventionellen Mechanik beginnt mit diesem Maß die Hochfre
quenztechnik im allgemeinen schon bei IOD Hz. In der Akustik, wo die
9
Schallgeschwindigkeit Laufzeiten bestimmt, beginnt die Hochfrequenz
technik auch schon bei 300 Hz bis 1 kHz. In der Elektrotechnik, in der
zunächst einmal die Lichtgeschwindigkeit für Felder und Wellen maßge
bend ist, beginnt die eigentliche Hochfrequenztechnik aber erst bei
300 MHz. Bei dieser Frequenz wird nämlich die elektromagnetische Wellen
länge im freien Raum gerade A = 1 m und kommt damit in die Größenord
nung der Abmessung von handlichen Anordnungen.
Die elektrische Hochfrequenztechnik beginnt also nach diesen Oberlegun
qen "erst bei 300 MHz. Ein typischer elektrischer Hochfrequenzeffekt ist
aber die Abstrahlung elektromagnetischer Energie in den Raum und ihre
drahtlose Obertragung. Auf diesem Effekt beruht die ganze Funktechnik
mit ihren Anwendungen zum Signalübertragen und Messen. Die Antennen
müssen die Größenordnung der Wellenlänge haben oder größer sein, um
wirksam zu strahlen. Darum müssen zur Abstrahlung längerer elektromag
netischer Wellen die Antennen entsprechend groß sein. Weil nun in der
Funktechnik nicht nur mit m-Wellen und kürzeren, sondern auch mit län
geren Wellen bis zu einigen km Wellenlänge gearbeitet wird, beginnt
die elektrische Hoch"frequenztechnik nicht erst bei 300 MHz, sondern
für die funktechnischen Anwendungen schon bei 30 kHz.
Die wichtigste Anwendung findet die Hochfrequenztechnik, wie schon an
geklungen, in der Nachrichtenübertragung wie beim Rund- und Richtfunk
sowie in der Funkmeßtechnik für Navigation und Ortung (Radar). Außer
dem wird sie noch industriell und medizinisch angewandt, wobei meistens
die HF-Energie vom Stoff absorbiert wird und ihn so beeinflußt oder ver
ändert. Auch hier kommt es sehr auf die Frequenz an; die Absorption
hängt von Stoff zu Stoff verschieden von der Frequenz ab.
Die industriellen und medizinischen Anwendungen der HF-Technik sind
recht vielseitig und verschiedenartig. Sie werden in diesem Text aber
nicht behandelt, sondern es wird in die Grundlagen der HF-Technik hier
nur am Beispiel der funktechnischen Anwendungen eingeführt. Dabei spie
len Senden und Empfangen elektromagnetischer Wellen und ihre Ausbrei
tung im freien und erdnahen Raum die wichtigste Rolle. Aber auch die
Schwingungserzeugung, Modulation und Verstärkung zum Senden sowie die
Demodulation beim Empfang werden behandelt. Für die Ortung mit Radar
10
kommt es schließlich auch noch auf die Reflexion der Wellen am Meßob
jekt an.
Zu allen diesen Problemen sollen hier die jeweils einfachsten Lösungen
dargestellt und es soll erläutert werden, wie entsprechende Anordnungen
und Schaltungen zu bemessen sind. An repräsentativen Beispielen wird dann
noch gezeigt, wie mit diesen Anordnungen und Scha1tungen Funksysteme auf
gebaut werden.