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9.10.09HF Fh-Koblenz Hochfrequenztechnik WS 2009/10 Fh-Koblenz Prof. Dr. Stefan Hawlitschka

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Präsentation zum Thema: "9.10.09HF Fh-Koblenz Hochfrequenztechnik WS 2009/10 Fh-Koblenz Prof. Dr. Stefan Hawlitschka"—  Präsentation transkript:

1 HF Fh-Koblenz Hochfrequenztechnik WS 2009/10 Fh-Koblenz Prof. Dr. Stefan Hawlitschka

2 HF Fh-Koblenz Inhalte der Vorlesung Beispiele Zeitkonstante Felder –Elektrostatische und magnetische Felder –Kräfte –Induktionsgesetz –Durchflutungsgesetz Zeitveränderliche Felder –Maxwellsche Gleichungen –Elektromagnetische Wellen Antennen –Stromverteilung –Abstrahlcharakteristik –Nah-, Mittel-, Fernfeld –Kalibrierung

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4 HF Fh-Koblenz Leitungen - Antennen: Hohlleiterschlitzantennen (ERS-1) ERS-1 - Satellit (ERS = European Remote Sensing) SAR-Antenne (SAR = Synthetische Aperturradar-Antenne) (C-Band SAR - C-Band at 5 GHz) ERS-1, gestartet 1991, war der erste Erdbeobachtungssatellit der ESA; er trug eine umfangreiche Nutzlast, die einen Synthetic Aperture Radar (SAR), einen Radar-Altimeter und andere Instrumente zur Messung von Meeresoberflächen-Temperaturen und Seewinden umfasste. ERS-2, der sich mit ERS-1 überschnitt, wurde 1995 mit einem zusätzlichen Sensor für atmosphärische Ozonforschung gestartet.

5 HF Fh-Koblenz Radar-Frequenzbänder - Frequenznamentabelle Band Kurzbezeichnungen, oft bei Satellitenfunk Frequenzbereich P220–300 MHz L1–2,6 GHz1–2 GHz S2,6–3,95 GHz2–4 GHz C3,95–5,8 GHz4–8 GHz J5,85–8,2 GHz X8,2–12,4 GHz8–12 GHz Ku12,4–18 GHz12–18 GHz K18–26,5 GHz18–27 GHz Ka26,5–40 GHz27–40 GHz Q33–50 GHz U40–60 GHz V50–75 GHz E60–90 GHz W75–110 GHz F90–140 GHz D110–170 GHz G140–220 GHz Y170–260 GHz J220–325 GHz Bezeichnungen bei Satellitenfunk mit Unterscheidung nach Diensten Im zweiten Weltkrieg wurden Hochfrequenzen im GHz-Bereich, die für Radar-Ortung eingesetzt wurden, zur Geheimhaltung Buchstaben zugeordnet.Radar Das IEEE versucht, die Bezeichnugen zu vereinheitlichen, was nicht immer gelingt.IEEE

6 HF Fh-Koblenz Slotted Waveguide Antenna / Hohlleiterschlitz antenne ERS-2 Misson

7 HF Fh-Koblenz (XSAR - X-Band SAR - X-Band bei einer Frequenz von f = 9.6 GHz)

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9 HF Fh-Koblenz Antenna Beam / Antennenstrahl Threshold Detection Level 2 / Detektionsschwelle Pegel 2 Threshold Detection Level 1 / Detektionsschwelle Pegel 1 Mean Noise Level / Mittlerer Rauschpegel False Alarm / Falsch- alarm Target 1 / Ziel 1 Target 2 / Ziel 2 Time / Zeit Radar

10 HF Fh-Koblenz EM Fields – EM Waves – Doppler Radar Systems / EM Felder – EM-Wellen – Doppler Radar-Systeme Stationary Source / Stationäre Quelle Moving Source / Bewegte Quelle Velocity Vector / Geschwindigkeitsvektor (Wave Moving in the same Direction as the Source / Wellenbewegung in die gleiche Richtung wie die Quelle (Wave Moving in the Opposite Direction as the Source / Wellen- bewegung in die entgegengesetzte Richtung wie die Quelle

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13 HF Fh-Koblenz Elektrostatik Das elektrische Feld Beobachtung: Ein geladener Körper mit Ladung Q1 übt auf eine Ladung Q2 in seiner Umgebung eine Kraft aus. Umgekehrt übt Q2 eine Kraft auf Q1 aus (Wechselwikung) Offensichtlich erfüllen die Ladungen den sie umgebenden Raum mit einem Kraftfeld aus: Dem elektrischen Feld

14 HF Fh-Koblenz Elektrostatik Elektrische Feldlinien Kraftwirkung auf eine Probeladung q (q<

15 HF Fh-Koblenz Elektrostatik Das Coulombsche Gesetz Kraftwirkung zwischen zwei Ladungen (Punktladungen). Im Experiment werden die Kraftwirkungen gemessen: –Die Kräfte sind nach dem Reaktionsprinzip gleich groß, –Die Richtung von liegt auf der durch die Verbindungslinie beider Ladungen definierten Gerade –Die Größe der Kraft hängt von der Größe der Ladungen und deren gegenseitigem Abstand ab: –Vektorsumme der Einzelkräfte auf eine Probeladung Q 0 :

16 HF Fh-Koblenz Elektrostatik Die elektrische Feldstärke Jede Ladung übt eine Kraft auf sie umgebende Ladungen aus -> es gibt ein vektorielles Kraftfeld, ein Vektorfeld. Die Kraft auf eine Ladung Q ist abhängig von der Größe der Ladung Q und dem äußeren elektrischen Feld am Ort von Q. Das elektrische Feld ist definiert als pro Einheitsladung ausgeübte Kraft: Es wird berechnet:

17 HF Fh-Koblenz Elektrostatik Der elektrische Kraftfluss Der elektrische Kraftfluss ist die Summe (das Integral) des elektrischen Feldes über eine Fläche A. Wir betrachten eine Kugelfläche (geschlossen) mit Radius r um Punktladung Q. Diese erzeugt in jedem Punkt der Kugeloberfläche eine Feldstärke Damit ergibt sich der gesamte Kraftfluss durch die Kugeloberfläche: Der Kraftfluss ist proportional zu Q und unabhängig vom Radius r. Das gilt in gleicher Weise für eine beliebige geschlossene Fläche A um die Punktladung Q

18 HF Fh-Koblenz Elektrostatik Das Gaußsche Gesetz Sind mehrere Ladungen Q 1, Q 2, Q 3,...innerhalb einer beliebigen geschlossenen Fläche A, so ist der gesamte elektrische Fluss durch die Fläche gleich der Summe der Flüsse, die von den einzelnen Ladungen erzeugt werden: Gaußsches Gesetz Befindet sich keine Ladung innerhalb der geschlossenen Fläche, so ist der Gesamtfluss

19 HF Fh-Koblenz Elektrostatik Differentielle Form des Gaußschen Gesetzes Mit Hilfe des Gaußschen Integralsatzes (nicht gezeigt) kann die differentielle Form des Gaußschen Gesetzes hergeleitet werden: Die Wirbelfreiheit des elektrischen Feldes Anschaulich: Das elektrische Feld einer Punktladung besitzt nur radiale Komponenten, daher ist die Ableitung quer zum Radius =0. Es folgt :

20 HF Fh-Koblenz Magnetostatik Das magnetische Feld –Magnetische Vorgänge sind den elektrischen ähnlich, aber nicht identisch. Es gibt keine magnetischen Monopole. –Magnetische Materialien rufen magnetische Kräfte hervor. –Taucht man einen Stabmagneten in Eisenfeilspäne, bleiben diese hauptsächlich an den Enden des Stabes, weniger in der Mitte, haften. Die Enden werden Pole genannt. –Gleichnamige Pole stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an. –Feldlinien können durch die Ausrichtung von Eisenfeilspänen veranschaulicht werden.

21 HF Fh-Koblenz Magnetostatik Ladung und elektrischer Strom –Man bezeichnet bewegte elektrische Ladung als elektrischen Strom. –Die Stromrichtung ist gleich der Bewegungsrichtung der positiven Ladung. –Quantitativ wird der elektrische Strom durch die Stromstärke I gemessen: –In der Umgebung von Strömen treten Kraftwirkungen auf Magnete auf. Jeder Strom ist von einem Magnetfeld umgeben (rechte Handregel) –Feldlinien von Nord nach Süd

22 HF Fh-Koblenz Magnetostatik Die magnetische Feldstärke Natürliche und künstliche Dauermagnete sowie stromdurchflossene Leiter üben aufeinander und auf Eisen Kräfte aus. Magnete und Stromdurchflossen Leiter werden also von einem magnetischen Feld umgeben.In einem Magnetfeld stellt sich eine kleine Magnetnadel in jedem Ortspunkt in einer bestimmten Richtung ein. Linien, die in jedem Punkt die Richtung der Magnetnadel als Tangente haben, stellen die magnetischen Feldlinien dar.

23 HF Fh-Koblenz Magnetostatik Die magnetische Feldstärke –Wird durch den Vektor beschrieben – zeigt in die Richtung der magnetischen Feldlinie, d.h. das magnetische Feldlinienbild gibt die Struktur des magnetischen Vektorfeldes wider –Einheit von H: [H]=A/m –Berechnung des von einem stromdurchflossenen Leiter erzeugten Magnetfeldes durch das Biot- Savartsche Gesetz –Für den geraden Leiter lautet es:

24 HF Fh-Koblenz Magnetostatik Das Amperesche Gesetz Das Amperesche Gesetz lautet: für jeden geschlossenen Weg um den Leiter l. Werden mehrere Leiter umschlossen, addieren sich die Ströme

25 HF Fh-Koblenz Magnetostatik Differentielle Form des Ampereschen Gesetzes Durch längere Umformungen der Integralform kann man zeigen: Außerdem gilt:

26 HF Fh-Koblenz Materialgleichungen D und E sind in linearen und isotropen und homogenen Medien durch folgenden Zusammenhang verknüpft: B und H sind in linearen und isotropen und homogenen Medien durch folgenden Zusammenhang verknüpft:

27 HF Fh-Koblenz Zeitveränderliche Felder Die Maxwellschen Gleichungen Die Maxwellschen Gleichungen lauten in integraler Form:

28 HF Fh-Koblenz Zeitveränderliche Felder Die Maxwellschen Gleichungen Die Maxwellschen Gleichungen lauten in differentieller Form:

29 HF Fh-Koblenz Zeitveränderliche Felder Die Maxwellschen Gleichungen Die Maxwellschen Gleichungen lauten bei harmonischer Zeitabhängigkeit in differentieller Form:


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