Lehrveranstaltungen

Hoch- und Höchstfrequenztechnik - Prof. Dr.-Ing. Holger Heuermann

Digitaltechnik

DT-Vorlesung für Elektrotechniker und Mechatroniker im 2. Semester

  • Grundlagen der Elektrotechnik (werden nicht mehr gelesen)
  • Grundlagen der Digitaltechnik
  • Realisierungen mit Bipolartransistoren
  • Realisierungen mit CMOS-Transistoren
  • Flip-Flops und Register
  • A/D- und D/A-Wandler
  • Optische Speicher
  • Übersicht Halbleiterspeicher
  • ECL- und CML-Gatter
  • Einführung in den High-Speed-Datentransfer und -Technologie
  • Einführung in die Mikroprozessortechnik (wird nicht mehr gelesen)

Diese Vorlesung für wurde bis 2012 von Prof. Trautwein gelesen. Ab 2013 wird die Vorlesung Digitaltechnik von Prof. Heuermann gelesen. Diese Vorlesung basiert auf der zuvor gehaltenen Vorlesung Technische Informatik. Jedoch wurde diese Vorlesung merklich überarbeitet und abgewandelt.

Trotzdem empfielt es sich die etwas einfacheren Klausuren der Vorlesung Technische Informatik, die sich ebenfalls auf dieser Homepage befinden, als Übungsaufgaben zu verwenden.

Das zugehörige Skript kann entweder als pdf-File von dieser Homepage heruntergeladen werden oder (ab Mitte März 2014) beim Unternehmen Digitaldruck AixPress als Kopie erworben werden. Für die Vorlesung wird dringlich empfohlen eine 1:1 Farbkopie in Papierform zu verwenden!

Die DT-Übungen finden in zwei Gruppen (A und B) alle zwei Wochen statt. D.h., die Übung wird zweimalig (über zwei Wochen) in gleicher Art und Weise durchgeführt. Sie können frei die Übungsgruppe wählen und auch wechseln.

RWTH-Wechsler: Leider gibt es keine gleiche Vorlesung an der RWTH. Deshalb wird eine Anerkennung nur über ein Interview erteilt. Bitte vereinbaren Sie dafür (bevorzugt nachmittags) telefonisch direkt mit Prof. Heuermann einen Termin. Sie sollten vorab die Inhalte der DT-Vorlesung/ das Skript eingesehen haben und erkennen, dass Sie mindestens 50% der Stoffes in anderen Vorlesungen hörten.

 

Technische Informatik (bis 2012)

Vorlesung für Informatiker (bis 2012)

    • Grundlagen der Elektrotechnik
    • CMOS-Transistoren
    • Flip-Flops und Register
    • Halbleiterspeicher
    • Elektromechanische Speicher
    • Bussysteme, BERT

Diese Vorlesung für Informatiker wurde bis 2012 von Prof. Heuermann gelesen. Ab 2013 wird von Prof. Heuermann die abgewandelte Vorlesung Digitaltechnik und die Vorlesung    Technische Informatik wird von Prof. Reke gelesen.

Grundlagen der Hochfrequenztechnik (ab 2020 HF1 und HF2)

Das Buch zur Vorlesung können Sie erwerben oder als Student/in der FH Aachen auch umsonst über VPN als e-book herunterladen:

Heuermann, H. Hochfrequenz.  Komponenten für High-Speed- und Hochfrequenzschaltungen,
Springer-Vieweg-Verlag, ISBN 978-3-658-23197-2, 3. Auflage Juli 2018     https://doi.org/10.1007/978-3-658-23198-9

Grundlagen der Hochfrequenztechnik (HF1)

  1. Einführung
    • Inhalte der Vorlesung Hoch- und Höchstfrequenztechnik
    • Lernziele der Grundlagen- und Vertiefungsveranstaltungen
    • Literaturhinweise und Softwareempfehlungen
    • Hochfrequenztechnik: Zwischen Elektronik und Optik
  2. Schaltungstheoretische Grundlagen
    • Systemvoraussetzungen
    • Die Streumatrix
    • Einführung der Wellengrößen
    • Bedeutung der Streuparameter
    • Schaltungsentwurf von Zweitoren über Streuparameter
    • Streumatrizen von Netzwerken mit speziellen Eigenschaften
    • Eigenschaften der Streuparameter von passiven Komponenten
    • Eigenschaften der Streuparameter von passiven verlustlosen Komponenten
    • Gängige Umrechnungen von Streuparametern
    • Transmissions-, Ketten- und sonstige Matrizen 
    • Die Transmissionsmatrix Sigma
    • Die Kettenmatrix [A] und die ABCD-Matrix
    • Die Netzwerkparameter der Elektronik
  3. Passive HF-Komponenten aus konzentrierten Bauteilen
    • Konzentrierte Elemente und Bauteile
    • Ideale konzentrierte Elemente
    • Reale konzentrierte Bauteile
    • SMD's
    • Halbleiterbauteile
    • Multilayerbauteile in LTCC und Laminaten
    • Gekoppelte Induktivitäten
    • Zweitore
    • Dämpfungsglieder
    • Impedanztransformatoren
    • 90° Phasenschieber
    • Drei- und Viertore
    • Resistive Signalteiler
    • Verschiedenste Koppler und Symmetrierglieder
  4. Hochfrequenzleitungen: Theorie, Leitertypen und Anwendungen
    • Die allgemeine Leitungstheorie
    • Schwach verlustbehaftete Leitungen
    • Leitungstheorie verlustloser Leitungen
    • Wellenlänge und Phasengeschwindigkeit
    • TEM- und Quasi-TEM-Wellenleiter
    • Die Koaxialleitung
    • Die Band- und Paralleldrahtleitung
    • Die geschirmte Streifenleitung
    • Quasi-TEM-Wellenleiter: Mikrostreifen- und Koplanarleitung
    • Leitungstransformation und Smith-Chart
    • Eingangswiderstand einer Leitung
    • Leitungen als Impedanztransformatoren
    • Der Reflexionsfaktor r
    • Stehwellenverhältnis und Anpassungsfaktor
    • Das Smith-Chart
    • Quasi-konzentrierte Leitungsbauteile
  • Schaltungstheorie und -synthese mit Gleich- und Gegentaktgrößen 
    • Einführung von Mixed-Mode-TEM-Systemen
    • Komponenten mit Dreileitersystemen am Ein- und Ausgang 
    • Transceiver für die digitale Datenübertragung 
    • Differentielle Leitungstechnik für die digitale Datenübertragung 
    • Modeblocker
    • Modekonverter und Modeweichen 
    • Komponenten mit Zwei- und Dreileitersystemen
    • Zusammenhang zwischen S- und allgemeinen M-Parametern 
    • Symmetrischer Signalteiler und Symmetrierglieder 
    • Schaltungssynthese von symmetrischen Netzwerken 
    • Koppler und Grundlagen der Kopplersynthese
    • Wilkinson-Koppler 

Grundlagen der Hochfrequenztechnik (HF2)

  1. Filter
    • Überblick Filtersynthese und weiterführende Literatur
    • Der HF-Standard-Bandpass
    • Resonatoren
    • Kenngrößen von Resonatoren
    • Leitungsresonatoren
    • Theorie von lambda/4-Leitungsresonatoren
    • Ankopplung und Aufbau von Leitungsresonatoren
    • Dielektrischer Resonator
    • Gekoppelte zweikreisige Resonatorfilte
  2. Hochfrequenzschalter
    • Elektromechanische Schalter
    • Koaxiale Relais und MEMS
    • PIN-Dioden-Schalter
    • Realisierungsformen von PIN-Dioden
    • PIN-Dioden Schalter-Anordnungen
    • HF-Transistor-Schalter
  3. Lineare Verstärker un Rauschen
    • Kenngrößen von Kleinsignalverstärkern 
    • Analyse des Transistors im Arbeitspunkt 
    • Schaltungsoptimierung des Transistorverstärkers 
    • Analyse des nichtlinearen Verhaltens von Verstärkern
    • Grundlagen der Theorie des elektrischen Rauschens 
    • Grundbegriffe und Rauschquellen 
    • Auslegung rauscharmer Empfänger
  4. Radio Frequency Identification (RFID) 
    • Kurzüberblick über alle RFID-Systeme 
    • RFID-Standards 
    • RFID-Frequenzbereiche Readerkonzepte für das UHF-Band 
    • Analoges Frontend mit digitalem Signalprozessor
    • RFID-Transceiver und Transponder für das UHF-Band
    • Entwicklung von Frontend-Schaltungen für UHF-Band-RFID-Geräte 
    • Das durchstimmbare Kanalfilter mit starker CW-Signalunterdrückung 
    • Pegelpläne für die Entwicklung von Frontend-Schaltungen am Beispiel von UHF-Band-RFID-Geräten
  5. Lokalisierung und Ortung 
    • Global Navigation Satellite Systems (GNSS) 
    • Das FMCW-Radarsystem 
    • Diskrete Abtastung im Frequenzbereich und frequenzbegrenzte Abtastung
    • Abtastverfahren und prinzipieller Hardwareaufbau 
    • Das FMCW-Verfahren mit diskreter Frequenzvariation
    • Das FMCW-Verfahren mit kontinuierlicher Frequenzvariation 
    • Einfluß der Spiegelimpulse 
    • Ermittlung der Entfernung einer idealisierten Störstelle 
    • Das SFCW-Radarsystem 

Hochfrequenzmesstechnik (Wahlpflicht bis 2020)

Diese Vorlesung wurde 2020 eingestellt. Dafür wurde die HF2-Vorleung eingeführt.

  • Komponenten für die HF-Messtechnik
  • Skalare, gepulste Messung von Streuparamenter
  • Systeme zur Messung complexer Streuparameter
    • Heterodyne Systeme
    • Homodyne Systeme
  • Aufbau von komplex-messenden Netzwerkanalysatoren
  • Präzisionsmessungen für das HF-Modelling von Bauteilen und Werkstoffen
  • Aufbau und Funktionsweise von Spektrumanalysatoren
  • FMCW-Radar-Systeme für Entfernungs- und Geschwindigkeitsmessungen

Mikrowellentechnik

Das Buch zur Vorlesung können Sie erwerben oder als Student/in der FH Aachen auch umsonst über VPN als e-book herunterladen:

Heuermann, H. Mikrowellentechnik. Springer-Vieweg-Verlag, 
ISBN 978-3-658-29022-1, 1. Auflage, Mai 2020       
https://doi.org/10.1007/978-3-658-29023-8

Inhalte der Vorlesung

  • Hohlleiter
    • Einleitung
      • Wiederholung TEM-Welle
      • Feldtheorie für Hohlleiter
    • Grafische Herleitung der H10-Welle
      • Grenzbedingungen am idealen Leiter
      • Reflexion einer HEW an einer metallischen Platte
      • Konstruktion der H10-Welle aus Mehrfachreflexionen
      • Feldbilder der H10-Welle im Hohlleiter
    • Hohlleiterwellenlänge
    • Phasen- und Gruppengeschwindigkeit
    • Feldwellenwiderstand
    • Ausbreitungskoeffizient und Feldwellenwiderstand der H10-Welle
    • Stromverteilung im Hohlleiter
    • Höhere Moden
    • Rundhohlleiter & Koaxialleiter
    • Koaxial- Hohlleiterübergang
    • Frequenzbänder für Rechteckhohlleitungen
  • Grundlagen der Feldsimulation
    • Freiraumsimulation
      • Sender und Empfänger
      • Reflexion an Objekten
      • Beugung und Durchdringung von Objekten
      • Verfahren und Produkte
    • Numerische Feldsimulation
      • Allgemeine Lösung der Maxwellschen Gleichungen
      • Lösungen der Maxwellschen Gleichungen für quellfreie Geometrien
      • Methode der Finiten Elemente (FE)
      • Ablauf einer FE-Simulation
      • Methode der Finiten Differenzen (FD)
        • Eulersche Methode
        • Beispiel für allgemeine Potentialfunktion U(x,y)
      • Momenten Methode (MM)
  • Grundlagen der nichtlinearen HF-Technik
    • Beschreibungsformen für Bauelemente
    • Frequenzerzeugung durch Nichtlinearitäten
    • Nichtlineare Phänomene
    • Nichtlineare Bauelemente
      • Nichtlineare Leitwerte und Widerstände
      • Nichtlineare Kapazitäten
    • Übersicht: Nichtlineare Simulationsverfahren
    • Harmonie Balance für Großsignal-Einzeltöne
    • Einführung in die frequenzumsetzenden Streuparameter
      • Frequenzumsetzende S-Parameter
      • Vektorielle Intermodulationsmessungen
      • X-Parameter
  • Leistungsverstärker
    • Grundlagen für die Entwicklung von Leistungsverstärkern
      • Transistortechnologie
      • Die Signalflussmethode und deren Anwendung
      • Leistungsbegriffe
      • Weitere Grundbegriffe
      • Stabilität
      • Wahl der Lastimpedanz
      • Aufbau und Anwendung eines manuellen Tuners
    • Die klassischen Betriebsarten A, AB, B und C
    • Schaltungskonzepte von Leistungsverstärkern
      • H-Betrieb
      • F-Betrieb
      • D-Betrieb
      • E-Betrieb
      • Klasse J und weitere Verstärker mit Harmonic-Matching
      • Klasse S
    • Verschaltung von Leistungsverstärkern
      • 0°-Koppler-Leistungs-Combiner
      • Der Doherty-Verstärker
      • Push-Pull-Verstärker
      • Balancierter-Verstärker
    • Linearisierungstechniken
      • Direkte Rückkopplung
      • Predistortion
      • Feedforward
      • Indirect Feedback
      • Kartesische Schleife
      • Polare Schleife
    • Frequenzvervielfacher
  • Oszillatoren
    • Zweitoroszillatoren
      • Die Schwingbedingung
    • Aufbau eines rückläufigen HF-Oszillators
      • Kreuzgekoppelter und Colpitts-Oszillator
    • Eintoroszillatoren
      • Schwingbedingung von Eintoroszillatoren
      • Eingesetzte Reflexionsverstärker
      • Aufbauten von differentiellen Oszillatoren
      • Push-Push-Oszillatoren
      • Elektrisch abstimmbare Oszillatoren
    • Rauschverhalten von Oszillatoren
  • Detektoren und Mischer
    • Das Überlaggerungs- bzw. Heterodynprinzip
    • Grundlagen der Frequenzumsetzung mit Mischern
    • Parametrische Rechnung
    • Leitwertelemente von Schottky-Dioden
    • Abwärtsmischung mit Schottky-Diode
    • Rauschverhalten des Mischer
    • Ausführungsformen von Mischern
    • Realisierung von Mischern mit Schottky-Dioden
      • Einseitenbandumsetzer und IQ-Modulatoren
  • Phasenregelkreise und Synthesegeneratoren
    • Grundlagen der Phasenregelkreise
    • Das Regelverhalten
    • Frequenzteiler
    • Diskriminatoren
      • Phasendiskriminatoren
      • Phasenfrequenzdiskriminatoren
      • Auslegung von Schleifenfiltern
    • Einschleifiger Regelkreis
    • Regelschleife mit Mischer
    • Mehrschleifige Regelkreise
    • Regelschleifen mit fraktionalen Teilern
      • Σ Δ-Fractional-N Synthesegenerator
      • Direkte Digitale Modulation
  • Technisch erzeugte Plasmen
    • Grundlagen technisch erzeugter Plasmen
    • Niederdruckplasmen
      • Niederdrucklampen
    • Hochdruckplasmen
      • Klassische Zündkerze
    • Mikrowellenplasmen 
      • Theorie der dreistufigen Transformation 
      • Prozessorbasierte Ansteuerelektroniken für Mikrowellenplasmen
      • Ansteuerelektronik mittels Amplitude-Locked Loop-Schaltung 
      • Mikrowellen-Zündkerze 
      • Lampentechnik
      • GHz-Plasmajets
      • MW-Chirurgie 
      • GHz-Plasmatechnik als Basistechnologie


Der Rest des Buchinhaltes wurde im Rahmen der Antennen-Vorlesung gelesen: 

  • Grundbegriffe der Antennentheorie 
    • Einführung in die Antennentechnik
    • Kurzeinleitung in die Radartechnik und Radargleichung 
    • Grundprinzip der Radartechnik und Radarfrequenzen 
    • Das Feld eines Elementarstrahlers 
    • Das Fernfeld einer beliebigen Stromverteilung im freien Raum 
    • Das Äquivalenzprinzip (Huygensches Prinzip)
    • Zusammenhang zwischen Aperturbelegung und Richtcharakteristik bei Flä-
    • chenantennen
    • Kenngrößen einer Antenne
    • Polarisation der Freiraumwelle .
    • Kenngrößen einer Antenne für den Sendefall und für den Empfangsfall
    • Das Reziprozitätstheorem
    • Phasengesteuerte Antennen, Patch-Antennen, Messtechnik
    • Kenngrößen einer phasengesteuerten Antenne 
    • Patch-Antennen
    • Design und Strahlungsfelder der Patch-Antenne 
    • Array aus Patch-Antennen 
    • Getapertes Patch-Array
    • Phasengesteuerte Empfangsantennen 
    • Antennenmesstechnik 
    • Die Messeinrichtung
    • Streuung elektromagnetischer Wellen an Radarzielen
    • Allgemeine Betrachtung der Streuung an einem einzelnen Radarziel .
    • Reflexion bei Einfall einer ebenen homogenen Welle auf eine leitende
    • ebene Platte 
    • Streuung an dielektrischen Körpern, die klein gegen die Wellenlänge sind
    • (Rayleigh–Streuung) 
    • Reflexion an einer leitenden Halbebene 
    • Volumenhafte meteorologische Radarziele

Antennen und Ausbreitung (Wahlpflicht bis 2020)

  1. Einleitung
  2. Grundbegriffe der Antennentheorie
  3. Streuung elektromagnetischer Wellen an Radarzielen
  4. Phasengesteuerte Antennen

Diese Vorlesung wurde vom FB5 2020 eingestellt.

Prof. Heuermann bedauert sehr, dass diese Vorlesung nicht mehr angeboten werden kann und würde freuen, wenn ein Sponsor diese Lehrveranstaltung wieder angeboten werden kann.

Dieser Stoff ist existentiell für einen Nachrichtentechnik/ Mikrowellentechniker. Der Vorlesungsstoff ist im Buch "Mikrowellentechnik" abgedruckt.