Hochfrequenz-Bauteile

Dummy Load / Abschlusswiderstand
Attenuator / Abschwächer
Verstärker
Power Splitter / Leistungsteiler
Zirkulator
Isolator
Richtkoppler
Mixer
Filter
Detektor
Step-Recovery-Diode
Balun
SWR-Brücke
 

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Weiter oben ging es um Impedanz. Dabei wurde klar, dass man einen unbenutzten Ausgang (z.B. ein offenes Kabelende) niemals offen lassen darf. Dort würde die Leistung zurückreflektiert werden. Deshalb verbindet man alle unbenutzten Ausgänge mit Abschlusswiderständen, die im Falle eines Falles jede Leistung dort absorbieren. Im Prinzip sind das Steckverbinder mit integrierten HF-tauglichen 50 Ohm Widerständen. Man braucht also nicht nur ein Dummy Load im Labor, sondern am Besten ein Dutzend - oder zumindest ein halbes Dutzend. Die meisten Loads funktionieren schon ab 0 Hz, haben aber eine Maximalfrequenz. Wird diese überschritten, dann wird ein zu großer Teil der eingespeisten Leistung nicht mehr absorbiert, sondern reflektiert. Das liegt dann daran, dass die integrierten Widerstände immer auch eine parasitäre Induktivität haben, die bei hohen Frequenzen dafür sorgt, dass die Impedanz nicht mehr 50 Ohm ist. Bei der Maximalfrequenz wird schon etwa 1% der Leistung reflektiert, was einer Reflektionsdämpfung von -20dB entspricht. Das linke Foto zweigt zwei Loads mit N-Anschluss. Beide sind für 2,7GHz spezifiziert. Der linke leisten aber auch darüber gute Arbeit (27dB@6GHz). Rechts sind verschiedene SMA-Dummy Loads. Diese sind viel kleiner, und da fragt man sich schon, was denn mit der Wärme passiert, in die die HF-Leistung umgewandelt wird. Nun ja, in meinem Bastellabor bleibe ich meist unter 100 mW, und das können selbst die kleinsten hier abgebildeten Loads problemlos als Wärme abstrahlen. Wer aber z.B. Sender entwickelt, und diese dann ohne Antenne testen will, der muss natürlich Loads verwenden, die auch die dann anfallende Leistung als Wärme abstrahlen (oder wenigstens für die Dauer des Tests aufnehmen) können. Das sind dann Loads mit großen Alu-Kühlkörpern, oder Loads in Eimer-Form.

Attenuator / Abschwächer

Manche Geräte arbeiten nur korrekt, wenn die eingespeiste Leistung weder zu hoch noch zu klein ist. Gerade einige Messgeräte kann man sehr leicht zerstören, wenn man zu viel Leistung einspeist. Und da man bisher keine nebenwirkungsfreien HF-Sicherungen erfunden hat, sterben auch immer wieder Messgeräte den Über-Leistungs-Tod. Abschwächer sind entfernte Verwandte der Dummy Loads. Anstatt aber alle Leistung in Wärme zu wandeln, absorbieren Sie nur einen bestimmten Teil, und lassen den Rest zum Ausgang durch. Sie funktionieren in beiden Richtungen gleich gut. Intern enthalten sie eine Schaltung aus drei HF-tauglichen Widerständen. Normale Abschwächer haben einen festen Dämpfungswert, wie z.B. 5dB, 10dB oder 20dB. Es gibt aber auch einstellbare Versionen für das Labor. Es ist wichtig, dass diese Dämpfung über den gesamten spezifizierten Frequenzbereich konstant ist, und dass keine nennenswerte Leistung am Eingang des Abschwächers reflektiert wird. Die Leistung muss stattdessen wirklich in Wärme gewandelt werden. Das Foto zeigt eine Reiche chinesischer Attenuatoren die ich auf Ebay erstanden habe, und die ganz gut funktionieren. Dummy-Loads für größere Leistungen (>1W) haben Kühlkörper aus Aluminium. Hat man übrigens gerade kein Dummy-Load zur Hand, braucht aber eines, dann kann man auch einen Abschwächer mit mindestens 10dB Dämpfung  anschließen. Die Leistung geht in ihn hinein, wird um 10 dB gedämpft, erreicht den offenen Ausgang, wird dort reflektiert und läuft zurück. Die verbleibende Leistung muss nun noch mal durch den Abschwächer, bevor sie wieder in die Schaltung zurückläuft. Insgesamt wurde die Leistung also  um 20 dB vermindert. Mehr schaffen viele Dummy-Loads auch nicht. Weiterführende Informationen sind hier.

Verstärker

Ein Verstärker verstärkt ein HF-Signal um einen bestimmten Betrag. Dieser wird meist in Dezibel angegeben. Ein typischer moderner einstufiger Verstärker hat meist 16 ... 20 dB Verstärkung (Gain), das ist also 40fach bis 100fach. Für höhere Verstärkungen schaltet man mehrere Verstärkerstufen hintereinander. Die Verstärkung wird immer als Verstärkung der Leistung angegeben und nicht als Verstärkung der Signalspannung. So ein Verstärker funktioniert ab einigen zehn Megaherz bis zu einigen Gigaherz. Mit steigender Frequenz nimmt die Verstärkung zunächst langsam und dann schließlich drastisch ab. Deshalb wird für jeden Verstärker eine Maximalfrequenz angegeben, bei der er sich noch sinnvoll einsetzen lässt. Das Herz des Verstärkers ist ein als MMIC ausgeführter Verstärker-Chip. Früher waren die immer rund und und hatten 4 Anschlussfähnchen , die in alle 4 Richtungen wiesen. Heute findet man oft SOT-89 Gehäuse (siehe Foto) mit 4 Anschlüssen. Dabei sind Pin 2 (mitte) und 4 (Kühlfahne) Masse-Anschlüsse, Pin 1 ist der Eingang und Pin 3 der Ausgang. Gute Chips haben am Ein- und Ausgang 50 Ohm Impedanz (von anderen Chips sollte man die Finger lassen) was den Einsatz leicht macht. Es fällt auf, das ein Pin für die Betriebsspannung fehlt. Diese wird bei allen diesen Chips durch das Ausgangspin zugeführt. Damit das funktioniert, muss die Spannung durch eine Drossel zugeführt werden (die die HF nicht abfließen lässt) und der Ausgangsanschluss über einen Kondensator (welcher die Betriebsspannung nicht durch lässt).

Power-Splitter / Leistungsteiler

Will man an einer Steckdose drei Lampen anschließen, dann nimmt man einfach ein Verlängerungskabel mit Dreifachsteckdose. Das funktioniert, da man sich bei 50 Hz keine Gedanken um die Impedanz machen muss. Nun ja, es ist alles eine Frage der Leitungslänge. Bei 50 Hz ist die Wellenlänge in einem Kabel mit Plastikisolierung etwa 4000 km. Unsere Anschlussleitungen sind im Vergleich so kurz, dass sich 230V/50Hz nicht wie Hochfrequenz verhält. Das ist etwas anders, wenn man Kabel hat, die tausende Kilometer lang sind. Und nun kannst du mal raten, warum man bei extrem langen interkontinentalen Stromleitungen Gleichspannung bevorzugt. Einfach drei Verbraucher an eine Quelle mit 50 Ohm Impedanz anzuschließen ginge nur, wenn alle drei parallel auch 50 Ohm hätten. Man bräuchte also drei Verbraucher mit jeweils 87 Ohm. In der Praxis hat man aber 50 Ohm, und ein einfaches Parallelschalten funktioniert also nicht ohne große Verluste durch Reflektionen. Deshalb braucht man dann einen Leistungsteiler, der die Eingangsleistung auf mehrere Ausgänge gleichmäßig aufteilt, und dafür sorgt das die Ausgänge auch 50 Ohm Impedanz haben. Es gibt dafür verschiedene Techniken, wie den (nahezu) verlustlosen Wilkinson-Teiler oder Teiler, die mit Widerständen arbeiten. Neben der Leistungsteilung muss auch noch was anderes beachtet werden: Die Ausgänge müssen möglichst gut untereinander entkoppelt werden. Das bedeutet, das ein versehentlich in einen der Ausgänge hineingelangtes Signal nicht ungehindert auch den anderen Ausgang erreicht. In der Praxis zeigt sich oft, dass ein für einen bestimmten Frequenzbereich spezifizierter Leistungsteiler auch bei höheren oder tieferen Frequenzen die Leistung noch gut aufteilt, aber nicht mehr in der Lage ist, die nötige Entkopplung (Isolation) der Ausgänge untereinander zu garantieren. Was man hier im Foto sieht ist schon etwas besonderes - ein Teiler  mit drei Ausgängen. Die meisten Teiler haben 2, oder 4 oder 8 Ausgänge.

Circulator / Zirkulator

Ein Zirkulator ist soetwas wie ein Kreisverkehr, den man an der erstmöglichen Abfahrt verlassen muss. Die meisten Zirkulatoren haben drei Anschlüsse (Ports): 1, 2 und 3. - Speist man ein Signal am Port 1 ein, dann verlässt es den Zirkulator am Port 2. - Speist man ein Signal am Port 2 ein, dann verlässt es den Zirkulator am Port 3. - Speist man ein Signal am Port 3 ein, dann verlässt es den Zirkulator am Port 1. Das erreicht man durch die Verwendung von Ferrit-Scheiben und Permanentmagneten, weshalb man auch außen am Gehäuse immer noch etwas Magnetismus nachweisen kann. Große Zirkulatoren muss man in einiger Entfernung von anderen Magneten oder auch Eisenteilen montieren, um eine einwandfreie Funktion zu garantieren. Verwenden kann man so einen Zirkulator z.B. um eine Antenne sowohl mit einem Sender als auch mit einem Empfänger zu verbinden, ohne dass dabei der Sender direkt in den Empfänger "bläst". - Port1: Sender - Port2: Antenne - Port3: Empfänger Da kein Bauteil perfekt ist, gelangt auch immer etwas vom eingespeisten Signal an den falschen Port. Dort ist es dann aber etwa 20dB (1%) kleiner, als am richtigen Port.

Ein Isolator ist in der HF-Technik ein Zirkulator, bei dem ein Ausgang mit einem Dummy-Load abgeschlossen wurde. Es bleiben noch zwei Anschlüsse, und Leistung kann jetzt nur von einem Anschluss zu zweiten fließen. Energie, die den entgegengesetzten Weg versucht, endet im Dummy-Load.

Das ist dann so etwas wie eine „Diode“ für HF.

Man kann fertige Isolatoren kaufen, bei denen ist das Dummy-Load fest eingebaut. Man kann  aber auch aus einem Zirkulator und einem Dummy-Load einen Isolator zusammenschrauben. Letzteres ist dann immer die bessere Wahl, wenn hohe Leistungen zu absorbieren sind. Das kann ein kleines integriertes Load dann schlechter leisten, als ein größeres externes.

Directional Coupler / Richtkoppler

In der HF-Technik ist es normal, dass in einem Kabel gleichzeitig Signale in beide Richtungen laufen. Also z.B. von links nach rechts als auch von rechts nach links. Meistens ist das aber nicht beabsichtigt, sondern ein Nebeneffekt einer nicht perfekten Schaltung. Wenn man z.B. einen Sender mit Hilfe eines Kabels an eine Antenne anschließt, dann wird die Antenne die vom Sender angelieferte Leistung abstrahlen - meist aber nicht komplett. Damit Antennen möglichst viel abstrahlen, muss man sie "anpassen", und das ist eigentlich nach jedem Frequenzwechsel fällig. Bei leistungsstarken Sendern macht man das auch, da die nicht abgestrahlte Leistung durch das Kabel wieder zurück zum Sender läuft, und dort ernsthafte Probleme bis hin zu Beschädigung des Senders verursachen kann. Wie kann man nun messen, wieviel Leistung von der Antenne zurück zum Sender kommt, ohne dass einen bei der Messung das stärkere Signal in Gegenrichtung (also vom Sender zur Antenne?) stört? Mit einem Richtkoppler. Im Foto sieht man einen Richtkoppler mit drei Anschlüssen (mit gelben Schutzkappen). Diesen schleift man in das Antennenkabel ein: an den rechten Anschluss kommt der Sender und an den linken Anschluss die Antenne. Zwischen diesen beiden Anschlüssen gibt es kaum einen Verlust, Signale können durch den Richtkoppler in beide Richtungen problemlos hindurchlaufen. Bei Signalen, die von links nach rechts durch den Richtkoppler hindurchlaufen, wird allerdings 1/10 der Leistung abgezweigt (-10dB), und an den dritten Anschluss (oben links) geleitet. Wenn man dort z.B. 1 mW (0 dBm) misst, dann weiß man, dass insgesamt 10 mW (10 dBm) von der Antenne zurück reflektiert wurden. Davon kam nun 1 mW zum Messanschluß, und die verbleibenden 9 mW laufen weiter nach rechts zum Sender. Ein Signal, dass in der Gegenrichtung unterwegs ist, wird dagegen (fast) nicht zum Messausgang durchgelassen.

Mixer

Bringt man zwei unterschiedliche Frequenzen zusammen, und speist sie gemeinsam in ein Bauelement mit ungerader Kennlinie (z.B. eine Diode) Dann entstehen dabei normalerweise zwei neue Frequenzen. Das sind die Summe und die Differenz der beiden ursprünglichen Frequenzen. Dadurch lassen sich also neue Frequenzen erzeugen, oder es lässt sich die Frequenz einen Signales (RF) um den Betrag einer zweiten Frequenz (LO) erhöhen oder vermindern. Letzteres ist in Empfängern nötig. In Superheterodyn-Empfängern (fast jeder Empfänger ist ein solcher) wird die von der Antenne empfangene Frequenz (deutsch: HF - Hochfrequenz; englisch: RF - radio frequency) mit der Frequenz eines Hilfsoszillators (englisch: LO - local oscillator) in einem Mischer gemischt, und die Differenz als sogenannte Zwischenfrequenz (deutsch: ZF; englisch: IF - intermediate frequency) ausgegeben. Manchmal macht man das sogar mehrmals hintereinander, um die Frequenz für die weitere Verarbeitung zu verringern. Das Foto zeigt einen Mischer mit zwei seitlichen Eingängen für RF (links) und LO (rechts). Der Ausgang für die Zwischenfrequenz ist unten. Das Ausgangssignal ist in diesem Fall immer die Differenzfrequenz zwischen den beiden Eingangssignalen. Aus beispielsweise 3 GHz (RF) und 3,2 GHz (LO) entsteht so 200 MHz. Gleichzeitig entsteht auch die Summe (6,2 GHz), welche entweder schon im Mischer oder in der nachfolgenden Schaltung mit einem Frequenzfilter unterdrückt werden muss. Damit ein Mixer korrekt funktioniert, muss das eingespeiste Signal so groß sein, dass das intern eingesetzte nichtlineare Bauteil (Diode) auch in seinem nichtlinearen Arbeitsbereich ist. Das erreicht man dadurch, dass man das LO-Signal mit der korrekten Signalstärke einspeist. Das RF-Signal darf dann kleiner sein. Dieser Mixer hier erwartet eine LO mit +7dBm.  Hier ein Bild vom Innenleben dieses Mixers und hier von einem anderen Typ.

Frequenzfilter

Frequenzfilter sollen nur einen festgelegten Teil des gesamten Frequenzbandes hindurchlassen. Der Rest soll stark gedämpft (20 ... 30 dB) werden. Je nach Verhalten unterscheidet man zwischen: Tiefpassfilter (lässt nur Frequenzen bis zu einer Maximalfrequenz durch) Hochpassfilter (lässt nur Frequenzen oberhalb einer Minimalfrequenz durch) Bandpassfilter (lässt nur Frequenzen zwischen einer Minimalfrequenz und einer Maximalfrequenz durch) Bandstoppfilter (blockiert Frequenzen zwischen einer Minimalfrequenz und einer Maximalfrequenz ) Aufgebaut sind Filter aus Kondensatoren und Induktivitäten. Im Durchlassfrequenzbereich sollte die Dämpfung <1,5 dB sein. Im Sperrbereich dagegen sollte die Dämpfung >20dB oder besser >30 dB sein. Dazwischen muss es einen Übergangsbereich geben, in dem die Dämpfung ansteigt. Die Werte sind im Datenblatt angegeben. Der auf dem Filter stehende Wert bezieht sich meist auf den Punkt, wo die Dämpfung irgendwo zwischen 1,5 dB und 3 dB erreicht. Der oder das Filter? Beim Frequenzfilter sage ich "das" und beim Kaffeefilter "der".

Detektor / Detector

Ein Detektor wandelt ein Hochfrequenzsignal in eine der Leistung (in Milliwatt) einigermaßen proportionale Spannung um. Dafür enthält er eine Diode, die die HF gleichrichtet. Das erlaubt es, mit einfachen Mitteln eine HF-Leistung zu bestimmen. Man braucht dann nur noch ein normales Multimeter. Die meisten Detektoren erzeugen eine negative Spannung. Die Linearität eines echten HF-Leistungsmessers erreicht ein Detektor nicht, je nach Typ erzeugen sie bei 1mW Eingangsleistung bis zu 0,3V Ausgangsspannung. Das ergibt sich aus der Spitzenspannung eines 1mW-Signals an einem 50-Ohm Widerstand. Ist das HF-Signal in der Amplitude moduliert, dann kann man sich mit einem Detektor und einem Oszilloskop die Modulation anschauen, denn das Ausgangssignal des Detektors ist ja die Hüllkurve des HF-Signals. Innerhalb von Schaltungen werden Detektoren in Leistungsregelkreisen als Leistungsmesser eingesetzt. Ebenso eigen sie sich als HF-Indikatoren in Sendern. Das nebenstehende Foto zeigt einen Detektor für Frequenzen von 10 MHz bis 12,4 GHz. Der N-Anschluss ist der HF-Eingang und der BNC-Anschluss der Spannungsausgang. Er verträgt maximal 100mW (für maximal 1 Minute).

Step-Recovery-Diode (Speicherschaltdiode / Abreißdiode)

Wird eine Step-Recovery-Diode (SRD) von Vorwärtsrichtung in Sperrrichtung umgepolt, dann fließt durch sie noch für etwa 1ns ein Strom in Sperrrichtung, da sie relativ lange noch freie Ladungsträger hat. Sind diese dann aber aufgebraucht, dann bricht der Strom schlagartig zusammen und die Spannung an der Diode steigt schlagartig stark an, um gleich darauf wieder zusammenzubrechen. Es wurde also eine extrem kurze Spannungsspitze erzeugt, die bei einigen Dioden nur 100 ps (0,0000000001 Sekunde) lang ist. Legt man nun an so einer SRD eine Wechselspannung an, und stellt die Pegel an der Diode so ein, dass durch die Wechselspannung die Diode im Takt der Wechselspannung leitend und sperrend wird, dann bekommt man eine Folge sehr kurzer Pulse, deren Pulswiederholfrequenz die Frequenz der Wechselspannung ist. Ist die Wechselspannung nun ein Hochfrequenzsignal mit z.B. 1 GHz, dann entsteht durch die SRD eine 1GHz-Folge von sehr kurzen Pulsen. Das bedeutet, dass man neben dem 1 GHz Signal nun auch noch viele Oberwellen, also Vielfache der Grundfrequenz, bekommt. (1 GHz, 2 GHZ, 3 GHz, 4 GHz ....) Sowas ist dann ein sogenannter Frequenzkamm. Um so eine Diode sicher zwischen Sperrrichtung und Vorwärtsrichtung hin- und herzuschalten, braucht man eine ausreichend hohe Spannung. Das Eingangssignal einer SRD muss mindestens +20 dBm (100 mW) groß sein.

Dieses Foto zeigt das Ausgangsspektrum (0 ... 6,5 GHz) einer SRD bei einem Eingangssignal von 250 MHz und +10dBm. Es ist fast nur die Grundfrequenz zu sehen.	Hier beträgt das Eingangssignal +20dBm. Man sieht deutlich die Harmonischen, die ab 4 GHz in der Amplitude deutlich abnehmen.	Bei einem Eingangssignal von +22dBm steigt die Amplitude der höheren Harmonischen noch weiter an. Ab 6 GHz fällt die Amplitude ab.

Balun

Bisher ging es hier fast immer um Koaxialleitungen, bei denen ein Leiter - der Schirm - geerdet ist. Und auch auf Platinen gab es immer eine Signalleiterbahn und die geerdete Masseebene. So eine Signalleitung, bei der eine Leitung direkt mit Masse verbunden ist, nennt man unsymmetrische Leitung.

Es gibt auch symmetrische Leitungen, die aus zwei „gleichberechtigten“ Drähten oder Leiterbahnen bestehen, von denen keine mit Masse verbunden ist. Der zweite Draht (Leiterbahn) enthält dabei das invertierte Signal des ersten Drahtes.

Manchmal muss man ein symmetrischen (balanced) Signal in ein unsymmetrisches (unbalanced) Signal wandeln – oder umgekehrt. Dazu dient der Balun – der Balancer/Unbalancer. Das ist meist ein kleiner Transformator.

SWV-Brücke / SWR-Bridge

Oben hatte ich einen typischen Anwendungsfall für einen Richtkoppler erläutert: Die Messung der von einer Sendeantenne reflektierten ( weil durch Fehlanpassung nicht abgestrahlten) Leistung. Umn die Antenne exakt zu beurteilen müsste man eigentlich auch messen, wieviel Leistung eigentlich zur Antenne geliefert wurde.  Dazu bräuchte man dann einen zweiten Richtkoppler, der einen definierten Teil der zur Antenne laufenden Leistung an einen weiteren Messausgang lenkt.

Sieht man sich das Foto des Richtkopplers mal genauer an, dann findet man dort diesen zweiten Messausgang auch schon. Er befindet sich oben rechts, und ist korrekt mit einem Dummy-Load abgeschlossen.

Eine SWV-Brücke hat nun so einen "Doppel"-Richtkoppler oder zwei Richtkoppler und die zugehörigen Leistungsmessgeräte und ermittelt das Verhältnis von hin laufender und zurück reflektierter Leistung. Das Ergebnis ist das Stehwellenverhältnis (SWV). (standing-wave-ratio; SWR)

Autor: sprut
erstellt: 16.02.2019