Glossar

In der Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik begegnet man zahlreichen spezialisierten Begriffen und technischen Definitionen. In unserem Glossar finden Sie verständliche Erklärungen zu den wichtigsten Begriffen.

Ob Smith-Chart, S-Parameter, RFID, Hochfrequenz-Simulation oder Antennentechnik – unser Glossar unterstützt Sie dabei, technische Zusammenhänge besser zu verstehen und Fachbegriffe schnell nachzuschlagen. Die Inhalte werden laufend erweitert und praxisnah erklärt.

Smith-Chart

In der Smith-Chart werden Impedanzen, bezogen auf eine Nennimpedanz, als komplexer Zahlenwert dargestellt. Mit Hilfe der Smith-Chart lassen sich Anpassnetzwerke einfach entwickeln, um eine beliebige Impedanz auf die Nennimpedanz zu transformieren, so dass diese optimal angepasst ist.

Die dargestellten Zahlenwerte sind sowohl als Impedanz Z als auch als Admittanz Y ablesbar. Mit der Frequenz verändert sich die Impedanz, weshalb in einer Smith-Chart im Regelfall nicht nur einzelne Punkte aufgetragen werden, sondern Impedanzkurven in Abhängigkeit von der Frequenz.

Impedanz Z

Z kann mit einem Realteil und einem Imaginärteil dargestellt werden. Alternativ kann Z auch durch den Betrag und den Phasenwinkel beschrieben werden. Der Realteil der Impedanz wird auch «Wirkwiderstand» genannt, während der Imaginärteil als «Blindwiderstand» bezeichnet wird. Die Impedanz Z ist im Regelfall frequenzabhängig. Also ist die Impedanz Z die komplexe Quellen- oder Lastimpedanz in der Hochfrequenz-Technik.

Admittanz Y

Die Admittanz Y bezeichnet den komplexen Leitwert, entspricht also dem komplexen Kehrwert der Impedanz Z. Entsprechend wird auch hier zwischen Wirkleitwert (auch «Konduktanz» genannt ) und Blindleitwert (genannt «Suszeptanz») unterschieden. Die Admittanz Y verändert sich im Regelfall über die Frequenz.

Hochfrequenz-Technik

Die Hochfrequenz-Technik befasst sich mit elektromagnetischen Wellen und deren Übertragung. Sie ist ein Teilgebiet der Elektrotechnik und somit eine Ingenieurwissenschaft. Die Hochfrequenz-Technik hat sich mehr und mehr zu einem eigenen Fachgebiet innerhalb der Fächer Elektrotechnik und Physik entwickelt.

Im Fokus stehen Methoden, Geräte und Anlagen zur Erzeugung und Übertragung von Hochfrequenz-Signalen. Dabei stehen Themen wie «Wellenausbreitung» und «Sende- und Empfangsanlagen» im Vordergrund. Deshalb spielen auch die Teilgebiete der Antennentechnik und der Hochfrequenz-Messtechnik eine bedeutende Rolle.

Spektrumanalyzer

Der Spektrumanalyzer wird auch «selektiver Messempfänger» genannt. Er erlaubt die Darstellung eines Mess-Signals als Leistung im Frequenzbereich. Im Betrieb tastet der Spektrumanalyzer den eingestellten Frequenzbereich zyklisch zwischen der Start- und Stopfrequenz ab. Anschliessend zeigt er das Messergebnis auf dem eingebauten Bildschirm an. Durch die variablen eingebauten Filter und die Möglichkeit, mehrere Einzelergebnisse zu einem Gesamtergebnis zu verrechnen, erschliessen sich dem Anwender viele Detailbetrachtungen der Signale. Dies ist bei der Qualitätsbeurteilung oder Fehlersuche hilfreich. Moderne Spektrumanalyzer besitzen zusätzlich die Möglichkeit, empfangene Signale zu verarbeiten und zum Beispiel zu demodulieren.

Netzwerkanalyzer

Der Netzwerkanalyzer zeigt die Reflexionen und Übertragungen von Ein- oder Mehrportsystemen (beziehungsweise von Prüflingen) an den Ports und zwischen den Ports an.

Moderne Netzwerkanalyzer arbeiten mit komplexen Impedanzen und werden deshalb «Vektorielle Netzwerkanalyzer» (VNA) genannt. Sie bestehen aus Signalquellen, S-Parameter-Messbrücken und Messempfänger. Die Signalquelle kennt die Frequenz- und Phasenlage, wodurch das empfangene Messsignal in der komplexen Ebene bestimmt und dargestellt wird. Durch die Kalibration der Messports wird die Messung genauer und die geräteinternen Signalpfade werden mathematisch kompensiert. So entspricht das Messergebnis dem geprüften Objekt.

Gated Messung

Trotz Kalibration an den Messports des VNAs kann es vorkommen, dass bis zum Punkt der Messung noch eine Signalstrecke zu überwinden ist. Bei realen Signalstrecken wird der entsprechende Einfluss aus dem Ergebnis herausgerechnet. Für diesen Zweck lässt sich eine Gated Messung durchführen. Dabei wird die Messung nur auf einen definierten Leitungsabschnitt bezogen und die davor und dahinter liegenden Leitungsteile werden mathematisch ausgeblendet. Gated Messungen benötigen für eine gute Distanzauflösung eine hohe Messbandbreite.

Impedanzanpassung

Die einzelnen Hochfrequenz-Stufen müssen durch Impedanzanpassungen aufeinander abgestimmt werden, damit die Signalübertragung effizient und ohne Verzerrungen stattfindet. Hierfür werden Anpassungsnetzwerke verwendet, die komplexe Impedanzen mit unterschiedlichen Zielsetzungen aufeinander abstimmen lassen. Die eingesetzten Bauelemente sind meist reaktiv mit konzentrierten und/oder verteilten Elementen realisiert. Der verwendete Frequenzbereich und die zu erreichende Güte bestimmen, ob konzentrierte oder verteilte Elemente eingesetzt werden.

Hochfrequenz-Simulation

Die Hochfrequenz-Simulation verwendet Modelle, um Bauteil- und Schaltungseigenschaften über die Frequenz zu berechnen. In der Hochfrequenz-Technik lässt sich das Verhalten von Bauelementen gut mit Regeln beschreiben, die auch «Modelle» genannt werden. Durch die Aneinanderreihung von Modellen entstehen Schaltungen, deren Eigenschaften sich berechnen lassen.

Die ursprünglichen, statischen Modelle wurden so adaptiert, dass zum Beispiel der Arbeitspunkt eines Halbleiters berücksichtigt wird und so nichtlineare Modelle entstehen. Als Erweiterung dienen auch dreidimensionale elektromagnetische Modelle, mit welchen mechanische Strukturen zu elektrischen Modellen ausgebildet werden. Dadurch lassen sich die hochfrequenz-elektrischen Eigenschaften von dielektrischen und metallischen Strukturen beschreiben und berechnen.

Lineares Modell

Das lineare Modell beschreibt das Verhalten eines Bauteils oder eines Systems unabhängig von deren Eingangsleistung. Im Regelfall werden lineare Modelle für passive Strukturen verwendet, welche nicht magnetisch sind. Weiter werden lineare Modelle unter anderem für Kleinsignalverstärker verwendet. Dort ist die lineare Verstärkung, das Verhalten bezüglich Anpassung und das Rauschen von Interesse.

Mit einem linearen Modell lässt sich das Grosssignalverhalten nicht untersuchen – hierfür werden nichtlineare Modelle verwendet.

Nichtlineares Modell

Das nichtlineare Modell beschreibt das Bauteil- oder Systemverhalten in Abhängigkeit von der eingehenden Leistung und des gewählten Arbeitspunkts. Mit einem nichtlinearen Modell lässt sich auch das Grosssignalverhalten des entsprechenden Bauteils oder Systems untersuchen. Da jedes Modell seine Grenzen hat, kann selbst ein nichtlineares Modell nicht beliebig angesteuert werden. Ansonsten besteht die Gefahr, dass das ausgegebene Ergebnis nicht korrekt ist. Der Hochfrequenz-Spezialist muss deshalb sicherstellen, dass er bei seiner Hochfrequenz-Simulation die Modellgrenzen nicht überschreitet.

S-Parameter

Die Bezeichnung S-Parameter ist die abgekürzte Bezeichnung von «Streuparameter». Mit S-Parametern lässt sich das lineare Verhalten von einzelnen Komponenten und Netzwerken beschreiben. S-Parameter stammen entweder von einem Komponentenhersteller, sind das Resultat einer Hochfrequenz-Messung oder das Ergebnis einer HF-Simulation. Zur Vereinfachung der Darstellung werden S-Parameter auf eine Nennimpedanz normiert – häufig sind dies 50 Ohm.

Die Anzahl der Tore des Netzwerks bestimmt die Komplexität der S-Parametermatrix. Die Komplexität der S-Parametermatrix steigt im Quadrat der Anzahl der Tore des Netzwerks.

Hochfrequenz-Filter-Design

Hochfrequenz-Filter sind wichtige Elemente, um gewünschte Signale von unerwünschten Signalkomponenten zu trennen. Das Design von Hochfrequenz-Filtern ist vielfältig, weil die Ausprägung und die Anforderungen an Hochfrequenz-Filter sehr unterschiedlich sein können. Entsprechend wird der Aufbau durch konzentrierte oder verteilte Elemente realisiert. Im höheren Frequenzbereich kann die Realisierung auch mit der Hohlleitertechnologie erfolgen.

Neben den primären Filtereigenschaften, wie Übertragung und Anpassung, sind auch die Anforderungen an die Eingangsleistung, das Intermodulationsverhalten, die mechanische Grösse und der erforderliche Temperaturbereich sehr wichtig.

PCB-Design für Hochfrequenz

In der Hochfrequenz-Technik haben die Materialisierung, der Aufbau der Leiterplatte (PCB = Printed Circuit Board) und die Eigenschaften der Metallisierungsschichten einen massgebenden Einfluss auf die Schaltungseigenschaften. Deshalb müssen die Impedanzen kontrolliert und teilweise Leitungsstrukturen als Schaltplan-Elemente verwendet werden. Bei höheren Frequenzen werden Substratmaterialien eingesetzt, welche präziser spezifiziert sind als handelsübliche FR4-Produkte (Flame Retardant= flammhemmend). Bei höheren Frequenzen und spezifischen Schaltungseigenschaften hat die Anordnung der Bauelemente einen Einfluss auf die Schaltungsfunktion. Um weitere Risiken dabei auszuschliessen, eignet sich die abschliessende Verifikation des PCB-Designs in der Hochfrequenz-Simulation.

Wellenleiter/Hohlleiter

Ein Wellenleiter ist ein speziell geformter metallischer Kanal, in dem Hochfrequenz-Wellen effizient und kontrolliert transportiert werden. Der Wellenleiter wird anstelle eines Kabels verwendet, weil er weniger Verluste pro Längeneinheit aufweist. Er ist typischerweise rechteckig oder rund geformt und bildet eine Art «Tunnel» für die elektromagnetischen Wellen. Der Innenraum ist in der Regel mit Luft gefüllt. In Spezialfällen kann der Innenraum auch mit Gas gefüllt oder luftleer sein.

Die Grösse eines Wellenleiterquerschnitts bestimmt den Frequenzbereich, in dem der Wellenleiter eingesetzt werden kann. Je grösser der Querschnitt, desto tiefer liegt der nutzbare Frequenzbereich des Wellenleiters.

RFID – Technik/Radio Frequency Identification

RFID stammt aus dem Englischen und bedeutet «Radio Frequency IDentification», also die Erkennung der Identität eines Artikels mittels Hochfrequenz-Technik. Genau genommen wird nicht der Artikel direkt erkannt, sondern der darauf angebrachte RFID-Tag, welcher ausgelesen und dessen Inhalt übersetzt wir

Durch die Erweiterung von RFID-Protokollen ist es heutzutage möglich, eine hohe Anzahl nahe beieinander liegender RFID-Tags parallel fehlerfrei auszulesen, was deren Einsatz universeller macht. Ein Spezialstandard ist die heute vielfach verwendete NFC-Kommunikation, stehend für «Near Field Communication», welche einem internationalen Standard auf dem Gebiet von RFID entspricht.

Antennentechnik

Die Antenne dient in der Hochfrequenz-Technik der Abstrahlung und dem Empfang von elektromagnetischen Wellen. Je nach Verwendungszweck und abgedecktem Frequenzbereich ist die Bauform einer Antenne sehr unterschiedlich. Dabei gibt es unterschiedliche Bauformen: Diese reichen von freistehenden Antennenmasten bis hin zu vollständig in ein Produkt integrierten Antennenlösungen. Entsprechend tragen die Antennen Strukturnamen wie «Monopol», «Dipol», «gestockte Antenne», «Hornantenne», «Parabolantenne» und viele mehr. Häufig bedarf eine Antenne einer massgeschneiderten Impedanzanpassung, damit sie ihr Potenzial vollständig entfalten kann.

Hochfrequenz-Verstärker

Der Verstärker hat die Aufgabe, ein schwaches Eingangssignal auf einen höheren Signalpegel anzuheben. Das Mass dieser Pegelanhebung nennt sich «Verstärkung». Das Gebiet der Hochfrequenz-Verstärker reicht von rauscharmen Empfangsverstärkern zu leistungsfähigen und energieeffizienten Ausgangsverstärkern. Entsprechend sind die Umsetzungen in der Hardware sehr unterschiedlich. Bei rauscharmen Empfangsverstärkern müssen die Verluste vor der ersten Verstärkerstufe minimal sein, während bei der leistungsfähigen Sendeendstufe die Effizienz und das gute Management des Wärmehaushalts im Vordergrund stehen.

Mikrowellentechnik

Die Mikrowellentechnik ist ein Untergebiet der Hochfrequenz-Technik. Je nach Literatur umfasst die Mikrowellentechnik den Frequenzbereich 1 bis 300 GHz oder 300 MHz bis 1 THz. Unterhalb des Mikrowellenbereichs ist der Bereich der Radiowellen angesiedelt, oberhalb des Mikrowellenbereichs liegt der infrarote Bereich des optischen Spektrums.

Hochfrequenz-Messtechnik

In der Hochfrequenz-Messtechnik werden komplexe Messgeräte eingesetzt, die entweder empfangen, senden oder beides. Wegen der grossen Empfindlichkeit und den hohen Qualitätsanforderungen sind Hochfrequenz-Messgeräte meist schwer. Vor allem, weil die notwendigen Abschirmungen nur durch massive Metallstrukturen gewährleistet werden können. Zudem sind die Anforderungen an die verfügbare Signalreinheit beim Senden oder die Grosssignalfestigkeit beim Empfangen hoch, damit die Messgeräte vielseitig und anwendungsgerecht eingesetzt werden können.

Hochfrequenz-Kabel und Steckverbinder

Die einwandfreie Qualität und Unversehrtheit von Steckern und Kabeln sind die Grundlage von präzisen Signalübertragungen. Dies ist ein häufig vernachlässigtes Detail, denn verschmutzte Steckerübergänge führen zu schlechten Kontakten, vorzeitigem Verschleiss und somit schlecht reproduzierbaren Verbindungen. Entsprechend ist die Pflege der Steckverbinder im Bereich der Hochfrequenz ein Muss, damit längerfristig auch hochfrequente Steckverbindungen zuverlässig und verlustarm bleiben. Hinter der Steckverbindung folgt häufig ein Hochfrequenz-Kabel, welches je nach Aufbau ebenfalls mit grosser Vorsicht behandelt werden muss.

Demodulation

Nach der Demodulation eines empfangenen Signals ist der Zugriff auf den Inhalt der empfangenen Daten möglich. Die Demodulation kann analog wie auch digital erfolgen, wobei heute die digitale Demodulation aus praktischen Gründen vielfach überwiegt.

Die Demodulationsstufe kann auch ein Teil der Decodierungsstufe sein, in welcher die übertragenen Redundanzen verarbeitet und bei Bedarf der Empfangsstrom korrigiert wird, bevor die Daten nach der Demodulation ausgegeben werden.

Nennimpedanz

Die Nennimpedanz steht für den Normierungswert in einem Hochfrequenz-System. Aus praktischen Gründen werden hier häufig 50 Ω verwendet, es gibt aber auch Systeme mit 75 Ω oder 600 Ω Nennimpedanz. Bei der Angabe einer Impedanz, einer Leistung oder einer Feldstärke ist immer auch die Nennimpedanz zu berücksichtigen, weil es sonst zu Rechenfehlern führt.

Spreizspekturm-System

Spreizspektrum-Übertragungssysteme haben ihren Ursprung im Zweiten Weltkrieg und dienten damals der verborgenen Signalübertragung beziehungsweise der Verhinderung, dass unautorisierte Parteien Informationen empfangen und dekodieren konnten.

Moderne Spreizspektrum-Systeme bezwecken primär die robustere Datenübertragung, so dass zum Beispiel mehrere WLAN-Systeme parallel und ohne grosse Leistungseinbussen betrieben werden können. Aus der heutigen Welt der Kommunikationstechnik sind die einzelnen Verfahren der Spreizspektrums-Technologie nicht mehr wegzudenken.