Warum Leistungsanpassung bei HF

Hallo,

ich habe mal ne ganz doofe Frage, die mich aber schon länger beschäftigt. Warum arbeitet man bei HF immer mit Leistungsanpassung? Warum macht man bei Endstufen keine Spannungsanpassung um so den Wirkungsgrad zu erhöhen? Die Reflexionen am Übergang von Transistor zu Kabel dürften doch nicht wirklich stören.

Danke Martin L.

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Martin Laabs
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das Problem der optimalen Leistungsübertragung hat mit HF nichts zu tun. Das Kabel dient auch nur als Verbindung zwischen dem Ausgang und der Last. Maximale Leistung wird übertragen wenn die Lastimpedanz gleich der Quellimpedanz ist, das gilt auch für Gleichstrom

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Peter Voelpel

Du hast mich nicht ganz richtig verstanden. Es geht mir nicht darum, dass maximale Leistung bei Leistungsanpassung übertragen wird und wann das der fall ist. Es ist die Frage warum man bei Endstufen (die ich kenne) Leistungs- anpassung verwendet obwohl der Wirkungsgrad darunter leidet. Es wäre doch z.B. in Satteliten sinnvoll die Endstufe anstatt mit 50 Ohm Ausgangsimpedanz und einem daraus resultierendem Wirkungsgrad von

0.5 mit 5 Ohm Ausgangsimpedanz und 85% Wirkungsgrad (geschätzt) zu betreiben. Das selbe bei Handys mit begrenzter Akkukapazität.

Tschüss Martin L.

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Martin Laabs

Naja, wenn defekte Endstufentransistoren und die halbe in die Tonne getretene Leistung nicht stören, dann ist das natürlich eine Option. Es soll auch Leute geben, die sich ein neues Auto gönnen, wenn der Aschenbecher voll ist, man gönnt sich ja sonst nichts ...

( Real geschehen: $KUNDE kauft 2,4 GHz TV-System mit 4W Endstufe - ja, mit Frequenzzuteilung - nein, gottseidank nicht bei uns - und meint: "Ach, die Antenne kann ich doch kleiner machen, die stört optisch nur." Nunja, das war ein teurer Versuch. )

Der Punkt ist :

Echte HF (tm) ändert so schnell ihre Polarität, dass die Lichtgeschwindigkeit für das "Kabel" relevant wird, es wird wirklich (*) Energie "im" Kabel zwischengespeichert. Damit sieht die Quelle _erstmal_ nur den Wellenwiderstand des Kabels.

Ist nun am Ende des Kabels bei der Senke eine Fehlanpassung vorhanden, dann wird _die_Welle_ reflektiert, denn es grüßt die Energieerhaltung, die fließende Leistung wurde bestellt, nicht abgenommen und kehrt zurück. Das, was dann die Quelle im eingeschwungenen Zustand als Überlagerung der vor- und rücklaufenden Welle sieht, kann alles zwischen Kurzschluß und Unterbrechung sein, abhängig von der _Kabellänge_ (hast Du doch bei uns am NWA gesehen, Stichwort Kalibrierung, schon vergessen ? ;-)

Das Kabel dreht schlicht den Phasenzeiger im Polardiagramm bzw. das Smith Chart entsprechend dem Verhältnis zwischen Kabellänge und Wellenlänge auf dem Kabel, genauer : Eine volle Umdrehung entspricht einer halben (wg. Vor- und Rücklauf) Wellenlänge auf dem Kabel.

Das gleiche gilt im Prinzip auch reziprok, eine Last wird z.B. eine fehlangepasste Quelle unter höchst unterschiedlichen Generator-Quellimpedanzen sehen, je nach Kabellänge und Frequenz.

Und das willst Du nicht wirklich ...

(mal ganz abgesehen von der netten Intersymbolinterferenz bei schnellen Datenraten, wenn bei längeren Kabeln und Fehlanpassung das letzte mit dem aktuellen Symbol gemischt wird, weil es ein lustiges Ping-Pong-Spiel gibt)

Gruß Oliver

P.s.: (*) Das elektromagnetische Feld hat ein "Eigenleben", man sieht das am Radarpuls. Der Sender ist längst abgeschaltet, der Puls läuft trotzdem weiter, wird reflektiert und kommt zurück. Handelt es sich um einen Radar-Satelliten, dann steckt die Energie des Pulses wirklich eine Zeitlang im Vakuum. Mit geeigneten Versuchen (unter Nutzung Compton-Streuung) und ganz viel Energie kann man auch zeigen, dass daraus sogar Materie entstehen kann (Paarerzeugung). Wer nach dem "warum" fragt, wird allerdings nach einer gewissen Zeit sich ganz alltäglichen Fragen widmen wollen ;-/ das quantisierte elektromagnetische Feld kann zwar _extrem_ gut berechnet werden, das "warum" speziell im Zusammenspiel mit den anderen Fundamentalkräften Gravitation und starker Kernkraft ist eines der ganz großen Rätsel der Physik.

P.s.2.: Bei Eingangsverstärkern - LNA - läßt man manchmal _etwas_ Fehlanpassung zu, um die Rauschzahl zu verbessern.

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Oliver Bartels + Erding, Germany + obartels@bartels.de
http://www.bartels.de + Phone: +49-8122-9729-0 Fax: -10
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Oliver Bartels

Das ist im _einfachen_ Modell richtig ( quadratische Formel mit max. bei R_g = R_l )

Das wird doch gemacht, hinter der Endstufe sitzt im allgemeinen eine Anpassungsschaltung. Heutige Halbleiter-Leistungsendstufen haben meist eine sehr niedrige Impedanz, mit L,C oder Microstrip-Leitung,C usw. bringt man die dann auf 50 Ohm real. Das ist Tagesgeschäft, die Transformation ist _im_Prinzip_ verlustlos.

Die 85% PAE kannst Du trotzdem brav weiterträumen, der Teufel ist ein Eichhörnchen und steckt im Detail. Sei froh, wenn es 50% sind, manchmal sind auch 30% schon gut.

Gruß Oliver

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Oliver Bartels + Erding, Germany + obartels@bartels.de
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Oliver Bartels

ich habe Dich schon richtig verstanden

ich kenne keine bei der das der Fall ist

was glaubst Du denn was zwischen Endstufe und Antenne sich noch befindet? Da gibt es ein Transformationsglied, dass die 0,5 Ohm sauber an 50 Ohm oder was auch immer die Last der Antenne darstellt anpasst. Und 85% Wirkungsgrad vergiss mal ganz schnell wieder, den gibt es nur im harten C-Betrieb und das auch nicht auf solchen Frequenzen. Rechne mal bei Linearbetrieb und der ist notwendig mit 30%.

da gilt das gleiche

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Peter Voelpel

Stimmt es denn bei HF nicht mehr?

Ich denke, ich habe meinen Denkfehler gefunden. Ich bin von der Ersatzschaltung ideale Spannungsquelle, Innenwiderstand, Last ausgegangen. Und hierbei steigt der Wirkungsgrad je höher Rl/Rin wird. Nun wollte ich das auf Transistorverstärker übertagen und hatte nicht beachtet, dass diese Transistoren ja von einer konstanten Spannung gespeist werden und daher Leistung verbrauchen um entsprechend niedrigere Spannungen zu erzeugen.

Tschüss Martin L.

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Martin Laabs

Oliver Bartels schrieb

"Versuchen (unter Nutzung Compton-Streuung) und ganz viel Energie kann man auch zeigen, dass daraus sogar Materie entstehen kann (Paarerzeugung). Wer nach dem "warum" fragt" ...

Hallo Oliver, kannst Du mir das etwas näher zeigen/erläutern?

Gruss Kurt

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Kurt Bindl

Das ganze heißt "Paarbildung"

Es braucht:

  1. einen Atomkern, der mit seinem elektrischen (Coulumb-) Feld herhält und

  1. ein möglichst hochenergetisches Photon (sprich elektromagnetische Wellen Typ Gamma-Strahlung, die naturgemäß eh' ganz viel Teilchencharakter zeigen). Wenn das im richtigen Abstand (IMHO Compton-Wellenlänge) das Kern-Feld besucht, ereignet sich mit guter Wahrscheinlichkeit:

3.: Es geschieht ein Wunder ;-) Durch Paarbildung ist das Photon wech und ein Elektron sowie ein Positron wurden erschaffen und fliegen davon, als ob nichts gewesen wäre.

Das Feld des Atomkerns braucht es primär wegen dem Energie- und Impulserhaltungssatz (der Kern nimmt den Rückstoßimpuls auf), die Reaktion findet aber nicht im Kern statt, sondern eben in einem gewissen Abstand.

Man kann ergo rein aus dem elektromagnetischen Feld Materie erschaffen, der Kern ist lediglich eine Art "Katalysator".

Der Compton-Effekt ist eine andere Reaktionsmöglichkeit, in der ein Photon am Elektron gestreut wird, daneben gibt es noch den Fotoeffekt.

IMHO hat man in den ersten Versuchen in der Richtung gewollt Kombinationen für Erzeugung/Nachweis der Paare verwendet, Google mal nach "Paarbildung Compton", inzwischen ist das IMHO Standard in Detektoren:

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Gruß Oliver

P.s.: Der umgekehrte Fall: Elektron und Positron kommen zu dicht aneinander => Paarvernichtung => beide sind weg, Gammastrahlung entsteht, ist natürlich auch bekannt, Stichwort Materie/Antimaterie Reaktion

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Oliver Bartels + Erding, Germany + obartels@bartels.de
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Oliver Bartels

Exakt so ist es! Wenn du bei HF keine Leistunganpassung hast, wird die Leistung (oder ein Teil davon, je nachdem, wie schlecht die Anpassung ist) nicht verbraucht, bzw. von der Antenne abgestrahlt, sondern wieder zum Transistor deines Senders zurück reflektiert und dort in Wärme umgesetzt. Der Wirkungsgrad verschlechtert sich dramatisch, der Transistor wird heiß und stirbt evtl. Er kann auch an Spannungsüberschlägen sterben. Daß die einfache Betrachtung deines Ausgangspostings nicht funktionieren kann, sieht man schon daran, daß die Endstufe in der Praxis bis zu 70% und mehr Wirkungsgrad haben kann, auch wenn 50% eher üblich sind.

Wie erwähnt: Er tut es in der HF-Technik nicht.

Man könnte einen Transistor (z.B. FET) im Denkmodell auch voll aussteuern. Dann käme ein Rechteck heraus und der Spannugsabfall am Transistor wäre sehr gering. Ich denke, der eigentliche Denkfehler liegt darin, daß du nicht weißt, daß am nicht angepaßten Ende die Leistung kurzerhand reflektiert wird und wieder zum Sender zurück kommt. Da die Leitung eine Laufzeit hat und die Frequenz hoch ist, hat die Spannung, die da zurück kommt, natürlich alles andere, nur nicht die gewünschte Phase und Amplitude. Stell dir vereinfacht vor, du schaltest zwei Netzteile oder Akkus verpolt gegeneinander. Das werden die nicht sehr mögen. Ich suche gerade noch ein paar Links zu Leitungstheorie, Anpassung und Reflexion. Leider ist das, was Wiki und Elko hergeben, noch nicht ganz zufriedenstellend und ich habe gerade wenig Zeit. Vielleicht finde ich später etwas besseres.

Gruß Lars

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Lars Mueller
[...]

...ausgezeichnet beschrieben. Von mir nochmal besten Dank fuer diese anschauliche Form der Darstellung.

nun, das ist nicht unbedingt nur bei LNBs so. Gerade in der NF Technik schafft man bewusst eine besondere Form der Leistungsanpassung, allerdings die der aequivalenten Rauschleistungen zwischen Quelle und Senke. Dass eine Rauschleistungsanpassung und eine "reale" Leistungsanpassung oft nicht auf die selbe Dimensionierung hinauslaufen, liegt in der Tatsache begruendet, dass Rauschen eine komplexe Groesse, bestehend aus verschiedenen Ursachen[1], ist.

[1] Generations-Rekombinations-Rauschen, Thermisches Rauschen, Schrotrauschen

Gruss, ingolf

--
***wer mir mailen moechte, sollte invalid.invalid entfernen
und durch MOC.nuS ersetzen, aber spiegelschriftlich***
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Ingolf Haeusler

Hallo Ingolf,

da hast Du wohl zu schnell gelesen ;-) LNA = Low Noise Amplifier

Gruß,

Georg

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Georg Baum

Moment. Hier musst du den Eingangsreflexionsfaktor berücksichigen. Wenn der Transistor nicht an die Leitung angepasst ist wird es auch wieder eine Reflexion geben und nur ein Teil der Leistung wird im Transistor umgesetzt. Das das ISI etc. gibt ist dann ne andere Sache. Aber bei genügend kurzen Leitungen und einer robusten Modulation wird das nicht allzusehr stören.

Ja. Und dann wird der Wirkungsgrad auch gegen 1 gehen. Weil der Ausgangswiderstand sehr gering ist. D.h. die (reflektierte) Welle, die die Eingangsreflexionstelle passiert hat wird sehr klein sein und die Leistung welche dann im Transistor erzeugt wird auch ganz klein weil ja der Innenwiderstand und die Amplitude der Welle bereits klein sind. (Naja. Ich glaube das ist jetzt unverständlich)

Der Strom der dann in die Leitung fließt wird von deren Wellenwiderstand abhängen. (Im ersten Moment jedenfalls).

Das weis ich schon. Aber ich habe vorausgesetzt, dass der Abstand zwischen Transistor und Leitung gegenüber der Wellenlänge vernachlässigbar ist.

Vielen Dank für die Mühe. Aber die Leitungstheorie behersche ich schon einigermaßen.

Der Grund der Fragestellung war aber folgender: Ich möchte ein Datenmodem (Funk) bauen welches mit hoher Leistung (5W) arbeitet. Das soll zur Telemetriedatenübertagung aus einem Flugmodell dienen. Dort spielt aber das Gewicht eine hervorragende Rolle so das ich einen möglichst kleinen Kühlkörper verwenden will. Nun weis ich aber noch nicht ob ich eine C-Endstufe verwenden kann weil ich mir die Option OFDM zu verwenden offen halten will. Hier war dann der Punk wo ich mit einer linearen Endstufe gerne eine höhere Effizienz erreichen will.

Naja. Da habe ich etwas gerechnet und überlegt und bin diesem Irrgedanken auf den Leim gegangen.

Tschüss Martin L.

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Martin Laabs

ooops!

Achja, zu schnell und fluechtig gelesen. ;o)

Danke. Gruss, Ingolf

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***wer mir mailen moechte, sollte invalid.invalid entfernen
und durch MOC.nuS ersetzen, aber spiegelschriftlich***
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Ingolf Haeusler

es ist eine weit verbreitete Legende, dass die reflektierte Leistung an der Endstufe in Wärme umgewandelt wird. Sie wird genau so wieder zur Antenne reflektiert.natürlich abzüglich der Kabeldämpfung für beide Richtungen. Es kann je nach Phasenlage jedoch zu Spannungsüberhöhungen an der Endstufe kommen und diese zerstören wenn keine Schutzmassnahmen getroffen wurden.und die Verstärkerstufe spannungsmässif bereits ausgereizt ist. Die Erhöhing der Verlustleistung in der Endstufe entsteht bei gleicher Ansteuerung dadurch, dass keine Leistungsanpassung erfolgt

Gruss Peter

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Peter Voelpel

Peter Voelpel schrieb:

h der

Hallo,

die komplette Reflektion gilt aber nur f=FCr den idealen Kurzschlu=DF ode= r=20 Leerlauf, aber die Endstufe ist keines von beiden. Sie kann also nur=20 einen Teil der Leistung reflektieren, der andere erzeugt in ihr=20 zus=E4tzliche Verlustleistung.

Bye

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Uwe Hercksen

Hmm, das Stichwort ist (Schmalbandbetrieb vorausgesetzt): komplex konjugierte Anpassung am Ausgang der Endstufe. Beispiel: Last(Antenne)=150 Ohm, 1/2-Lambda 50-Ohm-Leitung. Es genügt dann, am Endstufenausgang von 50 Ohm auf 150 Ohm zu transformieren, um trotz Reflektionsfaktor=0,5 noch die gesamte Leistung (abzügl. Leitungsverlust) zur Last zu bringen.

Gruß Ulrich

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Ulrich Strate

Sieht man bei der typischen s22 bzw. s12 Messung, wo in den Ausgang des Verstärkers vom NWA eingestrahlt wird.

Das Verhalten ist reziprok: Ist die Endstufe gut angepasst, dann wird sie auch reflektierte Leistung gut absorbieren.

Ist sie schlecht angepasst, dann wird sie auch viel reflektieren.

Man kann da natürlich auch tricksen, bei einem WLAN LNA hab' ich mal so mit einem kleinen Trick an einem Dreitor die Rauschzahl des Eingangsverstärkers dramatisch reduziert, der Preis war im Sendefall verheizte Leistung, was bei 100mW EIRP max. aber schnurz ist.

Natürlich wären mit Spielzeugen wie Zirkulatoren plus aktiver Elektronik einige nette nicht-reziproke Gemeinheiten in einer Black-Box zum Ärgern von Messknechten ;-) denkbar, allerdings muss ein Zirkulator auch korrekt angepasst sein, damit er funktioniert.

Zu beachten ist beim Spiel mit Reflexionen und echten Daten allerdings immer die Time Domain und damit das Thema Intersymbolinterferenz.

Vorsicht, wenn da eine Leitung dazwischen ist, die Länge ist ein Thema. Eine Leitung mit dem richtigen Wellenwiderstand kann erfolgreich transformieren, aber auch Unheil anrichten:

Komplex-konjugiert heißt: Die Blindanteile kompensieren einander ( i -> -i, eben konjugiert ), die Realanteile passen. Damit ist sofort klar, dass normale Leistungsanpassung vorliegt.

Das geht auf einer definierten _Ebene_, ein Kabel dreht günstigstensfalls das auf seinen Wellenwiderstand normierte Smith Chart und macht, wie oben beschrieben, ungünstigstenfalls in der Time Domain Ärger, wenn es lang genug ist.

Gruß Oliver

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Oliver Bartels + Erding, Germany + obartels@bartels.de
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Oliver Bartels

Das ist klar; die Leitungslänge im o.a. Beispiel ist entsprechend gutartig gewählt.. Man trifft allerdings immer wieder auf die Aussagen "reflektierte Leistung wird in der Endstufe in Wärme umgesetzt", "r=0,5 ==> 25% Verlustleistung", etc. Die Lehrbücher machen es sich da auch meist sehr einfach und setzen einen praxisfernen Labor-Generator mit nachgeschaltetem >10dB-Abschwächer voraus; nur damit stimmen sie.

Daher auch die Schmalbandvoraussetzung; TV-Signale wird man damit nicht übertragen wollen..

Gruß Ulrich

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Ulrich Strate

Ulrich Strate ( snipped-for-privacy@web.de) postete:

Diese Aussage macht durchaus Sinn. Es ist der ungünsigste Fall für die Endstufe, wenn sie optimal an das Kabel angepasst ist und am anderen Ende des Kabels die Verbindung zur Antenne unterbrochen ist.

Das Betrachten des ungünstigsten Falls sollte bei der Abschätzung der Wärmebelastung der Endstufe dazu gehören.

Verwirrung wird oft _gestiftet,_ wenn in einer Diskussion um Anpassung nicht die *angepasste* Speiseleitung, sondern die *abgestimmte* Speiseleitung betrachtet wird. Natürlich macht man dies, ohne zu erwähnen, dass es nicht mehr um Anpassung auf den Wellenwiderstand des Kabels geht, sondern um die Abstimmung der gesamten Stecke von Endstufe zur Antenne auf Sendefrequenz.

Manchmal wird die geänderte Betrachtungsweise auch ganz vorsichtig angedeutet. ;-)

Gruß Joachim

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Joachim Wehlack

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