UHF und SHF - Dezimeter- und Zentimeterwellen


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Einleitung

Sobald man anfängt, Frequenzen in Giga-Herz anzugeben, befinden sich viele Bastler außerhalb ihres Wohlfühlbereichs. Signale so hoher Frequenzen scheinen sich zu eigentümlich zu verhalten, und das trifft auch für die eigentlich wohlbekannten Bauteile zu. Das über die Jahre erworbene Wissen lässt sich im GHz-Bereich nicht mehr einfach anwenden.

Aber heute umgeben uns Geräte, die in diesem Frequenzbereich arbeiten überall. Deshalb kann es nicht schaden, sich mit den Besonderheiten der Hochfrequenztechnik vertraut zu machen. Ich versuche - wie immer - nur eine Minimum an Vorwissen vorauszusetzen, und Mathematik soweit zu reduzieren, wie ich es gerade noch vertreten kann. Wer mit der Materie vertraut ist, mag sich verwundert den Kopf kratzen, aber Neueinsteigern hilft dieser Ansatz.

Ich interessiere mich vor allem für den Bereich bis 3 GHz und teilweise bis 6 GHz. Bei 3 GHz beträgt die Wellenlänge im Vakuum 10cm - also einen Dezimeter. Deshalb werden Frequenzen unterhalb von 3 GHz (bis hinab zu 300 MHz) als Dezimeterwellen bezeichnet. Von 3 ... 30 GHz sind dann die Zentimeterwellen.


Als Funkwellen sind diese Frequenzen für uns ganz schön wichtig. Hier liegen z.B. die Handynetzte, WLAN und Übersichtsradare. Aber auch wenn diese Signale sich gerade nicht durch die Luft (oder das All) bewegen, verhalten sie sich hoch interessant. Ständig wollen sie sich aus dem Staub machen, weshalb wir sie in Koaxialkabel und Hohlleiter einsperren. Wenn ihnen ein Kabel nicht gefällt, dann machen sie kehrt und laufen zurück. Treffen sie zusammen, dann können sie sich verstärken, auslöschen oder neue Frequenzen erzeugen. Was wir für einen Widerstand oder einen Kondensator oder eine Spule halten ist für sie Widerstand und Kondensator und Spule gleichzeitig.

Anfangs erzeugte man solche Signale mithilfe von Hochspannungsfunkenüberschlägen (daher Funkgerät). Als Halbleiter die Röhren fast überall verdrängt hatten, waren Hochfrequenzen, vor allem wenn man Leistung haben wollte, immer noch eine Domäne der Vakuumröhren. Aber oft waren das keine Standardröhren, sondern Sonderbauformen wie Scheibentrioden, Wanderfeldröhren oder Klystrons.

Wohin man auch schaut, HF-Technik ist immer faszinierend, weil sie einfach anders ist, als normale Elektrik oder Elektronik.

Die Amateurfunker haben sich schon immer mit Radiowellen beschäftigt, aber lange Zeit nur bis zu einigen hundert Megaherz. In letzter Zeit sind aber auch Gigaherz für den Hobbyisten ein interessantes Steckenpferd - und nicht nur für besagte Amateurfunker. Denn solange man keine Sender und Sendeantennen verwendet um Radiowellen abzustrahlen, braucht man auch keine Funklizenz.



Signalgeschwindigkeit

Solche Signale im Vakuum (als elektromagnetische Welle) aber auch entlang eines Kupferdrahtes, der von Vakuum umgeben ist, bewegen sich mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit von knapp 300000 km/s. Das sind 30 cm pro Nanosekunde. Der Strom fließt (also oszillierender Wechselstrom) dabei durch den Draht, aber um den Draht herum laufen dabei Magnetfelder, und entlang des Drahtes elektrische Felder. Diese durchdringen also die Umgebung des eigentlichen Leiters, und reagieren mit den dort vorhandenen Materialien. Dadurch kann  die gesamte Fortbewegung der Welle durch den Draht verlangsamt werden. Die Stärke der Verlangsamung hängt dabei davon ab, wie stark das umgebende Material wechselwirkt. Dafür hat man dann eine nette Bezeichnung gefunden, die relative Permittivität (εr). Die Permittivität (ε) gibt an, wie gut ein Material für elektrische Felder durchlässig ist. Die relative Permittivität gibt nun an, wie gut das Material im Vergleich zum Vakuum für elektrische Felder durchlässig ist.

Da in der Praxis weder in Kabeln noch in Hohlleitern noch um Leiterplatten Vakuum herrscht, wird die relative Permittivität der verwendeten Materialien dazu führen, dass die Laufgeschwindigkeit von Wellen in Leitern viel langsamer als im Vakuum ist. Man berechnet sie durch:

Typische Werte für die relative Permittivität liegen bei

Isolationen aus PE oder Teflon "bremsen" die Signale also auf etwa 200000km/s ab, in Leiterplatten läuft das Signal noch mit ca. 150000 km/s.

Den Zungenbrecher "Permittivität" braucht man sich nicht zu merken. In Datenblättern findet man immer das Symbol εr. (Epsilon-r)


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Autor: sprut
erstellt: 16.02.2019