Passive Bauelemente in HF-Schaltungen
Widerstände, Kondensatoren, Antennen… Erfahren Sie mehr über passive Bauelemente, die in HF-Systemen verwendet werden.
HF-Systeme unterscheiden sich grundsätzlich nicht von anderen Arten elektrischer Schaltungen. Es gelten dieselben physikalischen Gesetze, und folglich finden sich die in HF-Schaltungen verwendeten Basiskomponenten auch in digitalen Schaltungen und analogen Niederfrequenzschaltungen.
Die HF-Entwicklung birgt jedoch spezifische Herausforderungen und Ziele, weshalb die Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten von Bauteilen im HF-Kontext besondere Beachtung erfordern. Zudem erfüllen einige integrierte Schaltungen Funktionen, die hochspezifisch für HF-Systeme sind – sie werden nicht in Niederfrequenzschaltungen verwendet und sind für Anwender mit wenig Erfahrung in der HF-Entwicklung möglicherweise schwer verständlich.
Wir kategorisieren Bauteile häufig in aktive und passive, und diese Einteilung ist auch im Bereich der Hochfrequenztechnik gültig. In diesem Artikel werden passive Bauteile speziell im Zusammenhang mit Hochfrequenzschaltungen behandelt, die nächste Seite befasst sich mit aktiven Bauteilen.
Kondensatoren
Ein idealer Kondensator würde für ein 1-Hz-Signal und ein 1-GHz-Signal exakt dieselbe Funktionalität bieten. Bauteile sind jedoch nie ideal, und die Abweichungen eines Kondensators können bei hohen Frequenzen erheblich sein.
„C“ entspricht dem idealen Kondensator, der inmitten zahlreicher parasitärer Elemente liegt. Wir haben einen nicht unendlichen Widerstand zwischen den Platten (RD), einen Serienwiderstand (RS), eine Serieninduktivität (LS) und eine Parallelkapazität (CP) zwischen den Leiterplattenanschlüssen und der Massefläche (wir gehen von SMD-Bauteilen aus; dazu später mehr).
Die bedeutendste Abweichung vom Idealverhalten bei der Arbeit mit Hochfrequenzsignalen ist die Induktivität. Wir erwarten, dass die Impedanz eines Kondensators mit steigender Frequenz stetig abnimmt, aber die parasitäre Induktivität bewirkt, dass die Impedanz bei der Eigenresonanzfrequenz abfällt und dann wieder ansteigt:
Widerstände usw.
Auch Widerstände können bei hohen Frequenzen problematisch sein, da sie eine Serieninduktivität, eine Parallelkapazität und die typische Kapazität der Leiterplattenanschlüsse aufweisen.
Und das führt zu einem wichtigen Punkt: Bei der Arbeit mit hohen Frequenzen treten parasitäre Effekte in Schaltungen allgegenwärtig auf. Selbst der einfachste oder idealste Widerstand muss verlötet und in ein Gehäuse eingebaut werden, was zu parasitären Effekten führt. Dasselbe gilt für alle anderen Bauteile: Sobald sie verlötet und in ein Gehäuse eingebaut sind, entstehen parasitäre Effekte.
Kristalle
Das Wesen der Hochfrequenztechnik besteht darin, hochfrequente Signale so zu manipulieren, dass sie Informationen übertragen. Bevor wir diese Signale manipulieren können, müssen wir sie jedoch erzeugen. Wie in anderen Schaltungstypen sind Quarze ein grundlegendes Mittel zur Erzeugung einer stabilen Frequenzreferenz.
Im digitalen und Mixed-Signal-Design ist es jedoch oft so, dass quarzbasierte Schaltungen die Präzision, die ein Quarz bieten kann, gar nicht benötigen. Daher wird die Quarzauswahl leicht vernachlässigt. Eine HF-Schaltung hingegen kann strenge Frequenzanforderungen haben, die neben der anfänglichen Frequenzgenauigkeit auch Frequenzstabilität erfordern.
Die Schwingungsfrequenz eines gewöhnlichen Quarzes reagiert empfindlich auf Temperaturschwankungen. Die daraus resultierende Frequenzinstabilität verursacht Probleme für HF-Systeme, insbesondere solche, die großen Schwankungen der Umgebungstemperatur ausgesetzt sind. Daher kann ein System einen temperaturkompensierten Quarzoszillator (TCXO) benötigen. Diese Bauelemente enthalten Schaltungen, die die Frequenzschwankungen des Quarzes kompensieren.
Antennen
Eine Antenne ist ein passives Bauteil, das ein elektrisches Hochfrequenzsignal in elektromagnetische Strahlung (EMR) umwandelt oder umgekehrt. Bei anderen Bauteilen und Leitern versucht man, die Auswirkungen von EMR zu minimieren, während man bei Antennen die Erzeugung oder den Empfang von EMR im Hinblick auf die jeweiligen Anwendungsanforderungen optimiert.
Die Antennentechnik ist alles andere als einfach. Verschiedene Faktoren beeinflussen die Auswahl oder den Entwurf einer optimalen Antenne für eine bestimmte Anwendung. AAC bietet zwei Artikel (hier und hier klicken) mit einer hervorragenden Einführung in die Grundlagen der Antennentechnik.
Höhere Frequenzen bringen verschiedene Herausforderungen für das Design mit sich, wobei der Antennenteil des Systems mit steigender Frequenz tatsächlich weniger problematisch werden kann, da kürzere Antennen verwendet werden können. Heutzutage werden üblicherweise entweder Chipantennen eingesetzt, die wie typische SMD-Bauteile auf eine Leiterplatte gelötet werden, oder Leiterplattenantennen, die durch Integration einer speziell entwickelten Leiterbahn in das Leiterplattenlayout realisiert werden.
Zusammenfassung
Einige Komponenten sind nur in HF-Anwendungen üblich, andere müssen aufgrund ihres nicht idealen Hochfrequenzverhaltens sorgfältiger ausgewählt und implementiert werden.
Passive Bauelemente weisen aufgrund parasitärer Induktivitäten und Kapazitäten ein nichtideales Frequenzverhalten auf.
HF-Anwendungen erfordern unter Umständen Quarze, die genauer und/oder stabiler sind als die in digitalen Schaltungen üblicherweise verwendeten Quarze.
Antennen sind kritische Komponenten, die entsprechend den Eigenschaften und Anforderungen eines HF-Systems ausgewählt werden müssen.
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Veröffentlichungsdatum: 03.11.2022
