Hochfrequenztechnik
In der Hochfrequenztechnik (auch: HF-Technik) werden elektromagnetische Wellen von einer Informationsquelle (dem Sender) zu einem oder mehreren Empfängern übertragen.
HF-Technik enthält unter anderem:
- Radio- und Fernsehtechnik,
- Nachrichtentechnik,
- Sende- und Empfangstechnik,
- Antennentechnik,
- Radar
Früher unterschied man die HF-Technik von der NF-Technik (Niederfrequenztechnik). In der Radiotechnik war der HF-Teil die Antenne, der Antennenverstärker usw. Er umfasste alle Frequenzen oberhalb der Hörgrenze. Der Audioteil bis ca. 10-20 kHz gehörte zur Niederfrequenztechnik.
Heute kann man die Hochfrequenztechnik dadurch abgrenzen, dass hier die Bauteil- und Baugruppengröße im Bereich der Wellenlängen der verwendeten Frequenzen ist. Bei niederen Frequenzen kann man Schaltungen mit diskreten Bauteilen wie Widerständen, Kondensatoren und Spulen, aber auch Transistoren und Röhren aufbauen. Jedes Bauteil kann dabei als eigenständiges elektrisches Element mit nahezu idealen Eigenschaften (Widerstand, Kapazität, Induktivität) verstanden werden.
Bei höheren Frequenzen werden parasitäre (=zusätzliche) Eigenschaften immer wichtiger. Beim Einsatz von HF-Transistoren müssen z.B. Ersatzschaltbilder eingesetzt werden, die zusätzliche Kapazitäten und Induktivitäten haben.
Bei noch höheren Frequenzen unterscheiden sich die Baugruppen, da hier die elektromagnetischen Wellen mit den kurzen Wellenlängen für das Verhalten wichtig sind. Es existieren neue Bauteile wie Antennen, Hohlleiter, Wanderfeldröhren.
Für die Abgrenzung kann heute keine Frequenz mehr angegeben werden. Sie hängt auch von der Größe des jeweiligen Anwendungsfalls ab. Im Extremfall gehören Stromversorgungsleitungen mit 50 bzw. 60 Hz bereits zur HF-Technik, wenn weite Strecken überbrückt werden. Hierzu gehören die Überlandleitungen in Kanada. Auf elektronischen Leiterkarten beginnt der Hochfrequenzbereich bei etwa 100 MHz, die bei digitalen Signalen ab etwa 10 MBit/s vorkommen. Innerhalb von Mikrochips gehören einige 100 MHz über sehr kurze Strecken noch zum Niederfrequenzbereich.
| Niedrige Frequenzen | HF-Technik, mittlere Frequenzen | HF-Technik, hohe Frequenzen | |
|---|---|---|---|
| Bauteile | Diskrete Bauteile (Widerstände, Transistoren) | Diskrete Bauteile, speziell für HF-Technik (z.B. HF-Transistoren) | Spezielle Bauteile (Antennen, Wanderfeldröhren) |
| Leiterkarten | Beliebige Leiterbahnführung | Spezielle Leiterbahnführung, Abschlusswiderstände | keine |
| Theorie | RLC-Netzwerke, Schaltungstechnik | Diskrete Bauteile mit Ersatzschaltbild in RLC-Netzwerken, speziell geformte Leiterbahnen mit Ersatzschaltbild | Maxwellsche Gleichungen |
| Frequenzen und Wellenänge | niedrige Frequenz, sehr grosse Wellenlänge | Wellenlänge im Bereich der Bauteilgröße (bis etwa zum Zehnfachen der Größe) | Wellenlänge kleiner als Bauteilgröße |
| Beispiele | Audioverstärker, RS-232 Datenübertragung | Antennenverstärker, Netzwerkkarte | Antenne, Ethernetkabel |
Beispiel: Hauptplatine von PCs
Elektromagnetische Wellen im Vakuum pflanzen sich mit Lichtgeschwindigkeit fort, also mit etwa 300.000 km/s. Auf elektronischen Leiterkarten ist ihre Geschwindigkeit etwas kleiner, nur etwa die Hälfte bis 2/3 dieser Geschwindigkeit.
Die ersten PCs der Firma IBM liefen mit 4.77 MHz. Zur sauberen Signalübertragung müssen etwa 10fach höhere Frequenzen auf der Platine übertragen werden, also ca. 50 MHz. Die Wellenlänge einer elektromagnetischen Welle mit dieser Frequenz und 200.000 km/s beträgt über vier Meter. Da die Hauptplatine viel kleiner ist, können die Leiterbahnen beliebig ausgeführt werden, gegebenfalls auch krumm und mit unterschiedlicher Länge.
Neuere PCs arbeiten mit 133 MHz oder sogar 266 MHz, die Wellenlängen der verwendeten Signale liegen hier im Bereich von etwa 10 cm. Da die Leiterbahnlängen ebenfalls in diesem Bereich liegen, müssen sie hier als HF-Bauteile aufgefasst werden. Ihre Leitungsführung und -länge ist daher für die Funktion sehr wichtig. Ausserdem muss ihr Wellenwiderstand (Impedanz) berücksichtigt werden. Um Reflexionen zu vermeiden, muss am Leitungsende ein Abschlusswiderstand vorhanden sein.