HF-Technik
Als Übetragungskanal können EM-Wellen
- mit elektrischer Leiter (PCB-Stripline, Koaxialkabel, Hohlleiter) geführt werden.
- Themengebiet Leitungstheorie
- über dielektrische Medien (Luft, PCB-Substrat) ausgebreitet werden.
- Themengebiet Feldtheorie
Telegrafengleichung
In der HF-Technik ist man häufig daran Interessiert, wie sich Strom und Spannungswellen auf einer Leitung bzw. EM-Wellen in einem Medium ausbreiten. Wellen variieren sowohl örtlich als auch zeitlich. Die Wellenbetrachtung ist vorallem für RF-Signale notwendig. Man sucht im Allgemeinen einen Weg, die Welle mathematisch zu beschreiben. Die Telegrafengleichungen leifern ein solches Modell.
Zum aufstellen und lösen der Wellengleichung gibt es in der Elektrotechnik zwei relevante herangehensweisen:
- Telegrafengleichung allgemein im Zeitbereich: D’Alembertsche Wellengleichung
- Telegrafengleichung vereinfacht für Sinusgrößen: Helmholtzsche Differenzialgleichung
Unter der Telegrafengleichung können zwei Anwendungsbereiche gemeint sein:
- Telegrafengleichung: Die Ausbreitung von
und Feld in einem Medium (Elektrodynamik) - Telegrafenleitungsgleichung: Die Ausbreitung einer Strom und Spannungswelle auf einer Leitung (Leitungstheorie)
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Herausforderungen in der HF-Technik
Design Komplexität
- Entwurf von HF-Schaltungen und Leiterplatten erfordert nicht nur das Wissen von konventionellen Schaltungsentwurf, hinzu kommt vorallem Elektromagnetismus und Signalverarbeitung (analog/digital).
- Bei Leiterplatten: Nicht nur diskrete Bauteile sind von bedeutung, auch die verbindungen dazwischen sind zu berücksichtigen.
- Geometrie von elektrischen Leitern ist relevant.
Design Einschränkungen
- Material Limitationen
- empfindlich auf Elektromagnetische Inteferenz von benachbarten Schaltungen (geteiltes Medium).
- Kosten (Hochwertige PCB Substrate, HDI)
Anwendungen der HF-Technik
Hohe Frequenzen ermöglichen:
- Höhere Datenraten für Übertragungen
- Kompaktes Antennen Design.
Klassische Anwendungen im Mikrowellenbänder des Elektromagnetischen Spektrums
Gebiete
- Drahtlose Übertragung
- Radar Systeme
- Satelliten Kommunikation
- Medizinische Bildgebung
Drahtlose Netzwerke
- Viele verscheidene teilbereiche: HF-Block für WLAN (oben links) und Bluetooth, Prozessor für Digitale Signalverarbeitung.
- Theoretisch hunderte GBit/s möglich
- Frequenzbereich von 2.4 GHz bis 71 GHz
- Multiple-input multiple-output (MIMO) antennen konfiguration. (Schwarze und Beige Kästchen im HF-Bereich)
Smartphones
-
Smartphones kombinieren eine große anzahl an drahtlosen funktionen
- Mobilfunk, WLAN, Bluetooth, GPS, FM-Radio
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Niedrigere Frequenzen: z.B. FM-Radio
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Hohe Frequenzen: z.B. 5G
-
ersichtlich ist hier, dass die Antennengeometrie eine wichtige Rolle spielt
Navigation
- Ermittlung der Position und geschwindigkeit durch messung von Zeitverzögerung und Doppler-Verscheibungen.
- Verschiedene Nationen verfügen über deren Eigene SatNav Systeme:
Basiert auf HF-Prinzipien:
- Eine EM-Welle, die sich in einem Medium (Freiraum) Ausbreitet weist eine gewisse Geschwigkeit (
Lichtgeschwindigkeit) auf. - Die Satelliten senden Signale aus, welche eine gewisse Laufzeit zum empfänger aufweisen.
- Der Empfänger misst die unterschiedlichen Laufzeiten, die die Welle von mehreren Satelliten benötigt. Können genügend Satelliten erreicht werden, kann so die Position bestimmt werden.