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.