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Forum: HF, Funk und Felder HF-Grundlagen


Autor: James (Gast)
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Hallo,

kann mir evtl. jemand erklären, warum bei HF-Anwendungen stets 
Leistungen anstatt von Spannungen verwendet werden ?

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Weil man nicht mehr leistungslos steuern kann, d. h. es fließen immer
nennenswerte Ströme.  Daher bemüht man sich um eine Leistungsanpassung,
d. h. man arbeitet mit vergleichsweise niedrigen Impedanzen auf den
Leitungen (typisch 50 Ω) und transformiert auf diese soweit nötig.

Autor: James (Gast)
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Also ist der einzige Grund, dass eben auch Verluste auf Leitungen mit 
einbezogen werden bei derartigen Frequenzen und diese eben nicht 
vernachlässigt werden können ?

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Nein, nicht nur Verluste auf den Leitungen.  Auch die Steuerung der
Verstärkerstufen ist nicht mehr (annähernd) leistungslos, wie man
das im NF-Bereich oft realisieren kann.

Die Normierung auf einen bestimmten Wellenwiderstand für alles, was
über Leitungen transportiert wird, hat vor allem den Grund, dass
man durch ordentlich abgeschlossene Leitungen Reflektionen vermeidet,
und durch die Normierung ist immer klar, bei welcher Abschlussimpedanz
dieser Zustand eintritt.

Autor: James (Gast)
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Könntest du mal bitte leistungsloses steuern näher beschreiben ?

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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James schrieb:
> Könntest du mal bitte leistungsloses steuern näher beschreiben ?

Im NF-Bereich hast du oft genug relativ hochohmige Eingänge.  1 MΩ
Eingangsimpedanz ist da keine Seltenheit.  Bei 1 V Spannung wird
da 1 µW umgesetzt.  Hast du nur 100 kΩ Eingangswiderstand, sind es
10 µW, aber die Quelle kann Leistungen im Bereich von einigen
Milliwatt liefern, sodass es dir egal ist, wie viel wirklich
entnommen wird: die Quelle arbeitet mehr oder weniger im "Leerlauf".

Bei HF arbeitet man in der Regel dagegen mit Leistungsanpassung,
d. h. die Senke wird möglichst optimal auf die Ergiebigkeit der
Quelle angepasst, sodass die maximal entnehmbare Leistung der Quelle
entnommen wird.  Dabei bricht die Spannung zwar ein, aber in der
Senke kommt ein Maximum an Leistung an.  Allerdings sind die dort
betrachteten Leistungen sehr oft um viele Größenordnungen geringer
als bei NF: ein guter Schmalband-FM-Empfänger erreicht beispielsweise
eine Eingangsempfindlichkeit von -120 dBm, das sind 10E-12 mW, oder
1 fW(!).  Nun vergleich' das mal mit dem 1 µW der "leistungslosen"
NF-Eingänge, dann wird klar, warum man hier alle verfügbare Leistung
auch wirklich weitervearbeiten will.

Autor: Martin O. (ossi-2)
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Ein Grund Leistungen zu verwenden ist auch, dass es
bei HF grundsätzlich schwierig ist, Spannungen zu
messen, weil in jeder Leiterschleife spürbar
Spannung induziert wird. D.h. das Ergebnis einer
Sopannungmessung hängt bei HF stark davon ab, wie man misst.

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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M. Ossmann schrieb:
> D.h. das Ergebnis einer
> Sopannungmessung hängt bei HF stark davon ab, wie man misst.

Oder auch: "Wer HF misst, misst Mist." ;-)

Autor: U. B. (pasewalker)
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> Ein Grund Leistungen zu verwenden ist auch, dass es
> bei HF grundsätzlich schwierig ist, Spannungen zu
> messen, ...

Nein.
( Leistungen lassen sich bei HF mindestens genauso schwierig messen, wie 
Spannungen. )

Autor: Finsbury (Gast)
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Was ich mir vorstellen kann ist, dass es bei Höchstfrequenz schwierig 
werden kann explizit Spannung zu messen, da irgendwann die 
Empfindlichkeit eines Diodendetektors bei fehlender Anpassung eng wird.

Wir verwenden für die Leistungsmessung bis 18 GHz sowohl 
Diodendetektoren, als auch thermische und das je nachdem, ob stark 
oberwellenhaltige Messungen zu erwarten sind oder nicht.

Dass sowas als nackte "Schaltung" beides nur grobe Schätzeisen sind, 
muss auch klar sein. Das wird im Grundgerät per Korrekturwerte für den 
Frequenzgang ausgebügelt und funktioniert solange, wie Abweichungen 
zueinander keine großen Ordnungen übersteigen.

Insbesondere bei Feldsonden klappt man die Ohren an, wenn man sich die 
Messung mal bzgl. Frequenzgang und Linearität ohne Korrekturwerte 
ansieht.

Autor: Finsbury (Gast)
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Ok - zur eigentlichen Frage - es werden mitnichten stets nur Leistungen 
gemessen.

Autor: Jens G. (jensig)
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Anderes Beispiel:
in der NF-Technik könnte man (solange man nur Spannungen verarbeiten 
will, wie es erstmal in NF-Vorstufen ist) mit einem Trafo die Spannung 
hochtransformieren (bis zu einem gewissen Grad, dann machen sich andere 
Effekte bemerkbar wie in der HF), so daß man eine Spannungsverstärkung 
hätte. Geht gut, wenn vorhergehender Ausgang niederohmig, und 
nachfolgender Eingang hochohmig.
In der HF-Technik hat man nun leider den Fall, daß der nachfolgende 
Eingang alles andere als hochohmisch ist, sondern eine gewisse Impedanz 
hat.

Angenommen, Ausgang und Kabel haben 50Ohm, und Eingang eines Transistors 
200Ohm. Da kannste nicht mehr beliebig mit einem kleinen Trafo die 
Spannung verstärkt an den nächsten Eingang liefern. Das Maximum 
erreichste nur noch bei Leistungsanpassung, wo du auch das Maximum an 
Spannung und Strom erreichst. In diesem Fall erreicht man 
Leistungsanpassung, wenn der Trafo eine Widerstandstransformation von 
1:4 macht (50:200). Da die Widerstandstransformation quadratisch vom 
Übersetzungsverhältnis abhängt, erreicht man dies mit einem 
Übersetzungsverhältnis von 1:2, entsprechend die Spannung. Jedes andere 
Verhältnis würde die übertragbare P, und damit U und I am Eingang 
verringern.
Auserdem ist eine Leistungsangabe immer widerstandunabhängig bei 
Anpassung. Strom und Spannung interessiert da nicht, und verwirrt nur, 
wenn man mit unterschiedlichen Impedanzen arbeiten müsste.

Autor: Plasmon (Gast)
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James schrieb:
> kann mir evtl. jemand erklären, warum bei HF-Anwendungen stets
> Leistungen anstatt von Spannungen verwendet werden ?

"Stets" stimmt nicht ganz, aber "häufig" ist sicher richtig. Die zwei 
vorrangigen Gründe dafür sind:

a) Bei schneller Zeitveränderlichkeit der Felder sind diese nicht mehr 
wirbelfrei, daher existiert häufig der Begriff der Spannung gar nicht. 
Die Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten ist nur bei wirbelfreien 
Feldern eindeutig bestimmt. In der HF-Technik denkt man daher weniger in 
den Netzwerkgrößen Spannung und Strom sondern eher in Feldern und 
Wellentypen (Moden). Ein Wellentyp transportiert eine gewisse Leistung, 
eine ortsabhängige Spannung kann einer Mode aber nur in Sonderfällen 
(leitungsgeführte TEM-Moden, Hohlleitermoden) sinnvoll zugeordnet 
werden. Ob man auf einer Leitung von Wirk- und Blindleistung oder von 
einer vorlaufenden und einer rücklaufenden Welle spricht, ist übrigens 
völlig äquivalent. Das letztere ist aber der Behandlung von 
Ausbreitungsvorgängen besser angepasst.

b) Hochfrequenzsysteme sind meist Nachrichtenübertragungssysteme oder 
Sensorsysteme (z.B. Radar). Wie genau man im Empfänger ein Signal 
detektieren kann, hängt aber alleine von der ankommenden Signalenergie 
ab. Vor allem ist wichtig, wie stark sich das Signal vom Rauschen 
abhebt. Die Leistung gibt an, wieviel Energie pro Zeit ankommt, wie 
lange man also ggf. warten (integrieren) muss, bis man genug 
Signalenergie für eine Detektion gesammelt hat. Deshalb interessieren 
bei der Pegelplanung in solchen Systemen vorrangig die Leistungen, denn 
die Leistungen sind die eigentlichen physikalischen Erhaltungsgrößen. 
Leistung kann man weder aus dem Nichts erzeugen noch kann man sie 
vernichten. Spannungen alleine sagen dagegen wenig über den 
Leistungsfluss aus, denn eine Spannung kann das Ergebnis der 
Überlagerung mehrerer Wellen sein, von denen meist nur eine das 
Nutzsignal darstellt. Außerdem kann man Spannungen durch bloße 
Impedanztransformation, also durch passive Elemente, anheben. Mit der 
Leistung geht das nicht. Daher erhält die Leistung mehr Aufmerksamkeit.

Also zusammenfassend: In der HF-Technik hörst du so häufig "Leistung", 
weil man eher in sich ausbreitenden Wellen denkt und weil die 
Signalleistung (genauer: die angesammelte Energie zum Abtastzeitpunkt) 
das einzig entscheidende für den fehlerfreien Empfang einer gesendeten 
Nachricht ist.

Autor: HF-Entwickler (Gast)
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James schrieb:
> kann mir evtl. jemand erklären, warum bei HF-Anwendungen stets
> Leistungen anstatt von Spannungen verwendet werden ?

Man kann Leistungen besser Messen. MfG!

Autor: Gerrit Buhe (gbuhe)
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Hallo,

die Angabe von Leistungen ist viel übersichtlicher in einem HF-Lineup, 
da aufgrund der Leistungsanpassungen zwischen den Stufen - wie DL8DTL 
schon schrieb - oft unterschiedliche Impedanzen vorliegen. Bei der 
Angabe von Spannungen muß also immer die Impedanz berücksichtigt werden, 
um die Leistung zu berechnen. Man benötigt immer zwei Werte; das ist 
ziemlich mühsam. Bei der direkten Angabe von Leistungen, z.B. in einem 
Empfangspfad, kann man direkt die Dämpfung oder Verstärkung einer jeden 
Stufe ablesen/messen. Das ist für einen Pegel-/Dynamikplan z.B. viel 
einfacher zu berechnen und zu überblicken, insbesondere da die 
Leistungen dort logarithmisch angegeben werden und mit jeder Stufe nur 
eine Addition/Subtraktion der Verstärkung/Dämpfung vorgenommen werden 
muß.

Zusammenfassend: Die Leistung ist die eigentlich interessante Metrik 
(siehe auch Plasmon oben, Leistung am Mikrofon bis zur Leistung an der 
Sendeantenne zur Leistung an der Empfangsantenne zu Lautsprecher des 
Empfängers), die unabhängig von der vorliegenden Impedanz ist. Bei 
Spannungen muß immer noch ein zweiter Wert, nämlich die Impedanz 
angegeben werden, sonst kann man nichts damit anfangen.

Viele Grüße!

Gerrit, DL9GFA

Autor: plenk (Gast)
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bin da!

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