Prof. Dr. Stefan Hawlitschka

Präsentation zum Thema: "Prof. Dr. Stefan Hawlitschka"—  Präsentation transkript:

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

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

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4 ERS-1 - Satellit (ERS = European Remote Sensing)
Leitungen - Antennen: Hohlleiterschlitzantennen (ERS-1) ERS-1 - Satellit (ERS = European Remote Sensing) (C-Band SAR - C-Band at 5 GHz) SAR-Antenne (SAR = Synthetische Aperturradar-Antenne) 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. HF Fh-Koblenz

5 Bezeichnungen bei Satellitenfunk mit Unterscheidung nach Diensten
Radar-Frequenzbänder - Frequenznamentabelle Im zweiten Weltkrieg wurden Hochfrequenzen im GHz-Bereich, die für Radar-Ortung eingesetzt wurden, zur Geheimhaltung Buchstaben zugeordnet. Das IEEE versucht, die Bezeichnugen zu vereinheitlichen, was nicht immer gelingt. Band Kurzbezeichnungen, oft bei Satellitenfunk Frequenzbereich P 220–300 MHz L 1–2,6 GHz 1–2 GHz S 2,6–3,95 GHz 2–4 GHz C 3,95–5,8 GHz 4–8 GHz J 5,85–8,2 GHz X 8,2–12,4 GHz 8–12 GHz Ku 12,4–18 GHz 12–18 GHz K 18–26,5 GHz 18–27 GHz Ka 26,5–40 GHz 27–40 GHz Q 33–50 GHz U 40–60 GHz V 50–75 GHz E 60–90 GHz W 75–110 GHz F 90–140 GHz D 110–170 GHz G 140–220 GHz Y 170–260 GHz 220–325 GHz HF Fh-Koblenz Bezeichnungen bei Satellitenfunk mit Unterscheidung nach Diensten

6 Slotted Waveguide Antenna / Hohlleiterschlitzantenne ERS-2 Misson
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7 (XSAR - X-Band SAR - X-Band bei einer Frequenz von f = 9.6 GHz)
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9 Radar Antenna Beam / Antennenstrahl 9.10.09 HF Fh-Koblenz
Threshold Detection Level 2 / Detektionsschwelle Pegel 2 False Alarm / Falsch- alarm Target 2 / Ziel 2 Threshold Detection Level 1 / Detektionsschwelle Pegel 1 Target 1 / Ziel 1 Mean Noise Level / Mittlerer Rauschpegel Time / Zeit HF Fh-Koblenz

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

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13 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 HF Fh-Koblenz

14 Elektrostatik Elektrische Feldlinien
Kraftwirkung auf eine Probeladung q (q<<Q1=§ Q2) Die Richtung der Kraft wird gemessen. Hieraus werden die Feldlinien bestimmt. Man findet für eine geladene Kugel ein radiales Feld, für zwei ungleichartig geladene Kugeln und zwei gleichartig geladene Kugeln Felder mit Feldlinien entsprechend Matlab-Simulation. Regel: Feldlinien verlaufen von positiven zu negativen Ladungen HF Fh-Koblenz

15 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 Q0: HF Fh-Koblenz

16 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: HF Fh-Koblenz

17 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: An Tafel Zeichnungen Seite 30 oben und Seite 31 oben! 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 HF Fh-Koblenz

18 Elektrostatik Das Gaußsche Gesetz
Sind mehrere Ladungen Q1, Q2, Q3,...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 Beispiele: elektrischer Fluß durch ein Volumen von einer Ladung außerhalb resultiert zu 0 Elektrischer Fluß in einem Leiter mit Oberflächenladung (Skineffekt, Ladungen stoßen sich ab und drängen an die Oberfläche) ist durch ein Volumen unterhalb der Ladung in der Summe 0. Befindet sich keine Ladung innerhalb der geschlossenen Fläche, so ist der Gesamtfluss HF Fh-Koblenz

19 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 : HF Fh-Koblenz

20 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. HF Fh-Koblenz

21 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 HF Fh-Koblenz

22 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. HF Fh-Koblenz

23 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: HF Fh-Koblenz

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

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

26 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: HF Fh-Koblenz

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

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

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