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HF-Abschlusswiderstände

Wissenswertes über Mikrowellenabschlüsse

7. Juli 2014, 15:48 Uhr | Von Alen Fejzuli, Gabriel Orozco und Falko Ladiges

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Design von HF- und Mikrowellen-Abschlusswiderständen

Die Kenntnis von mehreren Parametern der Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik ist wichtig, um den richtigen Abschluss für eine bestimmte Anwendung zu definieren. Einige der Parameter werden im Folgenden aufgeführt:
- Stehwellenverhältnis (SWR) oder Voltage Standing Wave Ratio (VSWR): Ein idealer Abschlusswiderstand absorbiert die hereinkommenden Signale über den ganzen Frequenzbereich komplett. Dieses Verhalten wäre ein perfekter Leitungsabgleich mit dem VSWR-Verhältnis von 1,0 : 1. In realen Schaltungen wird dieses ideale Verhalten aber aufgrund von inhärenten physikalischen Eigenschaften der Abschlüsse, die ihr Verhalten frequenzabhängig ändern, nicht realisierbar sein. Diese Einschränkung kann aber durch interne Impedanzanpassung verringert werden.
- Kapazität: Die Betriebsfrequenz nimmt Einfluss auf die Leistungsmerkmale von Abschlusswiderständen, insbesondere auf die Energie-Absorptions- und Signalreflexions-Eigenschaften. Parasitäre Kapazität und Induktivität limitieren aber die Höhe der Betriebsfrequenz. Einige Hersteller wie Res-Net Microwave bieten Abschlüsse mit sehr niedriger parasitärer Kapazität und exzellentem Impedanzabgleich von DC bis 40 GHz an.
- Verlustleistung: In den meisten HF- und Mikrowellen-Abschlusswiderständen wird die entstehende Hitze vom Widerstandselement absorbiert. Entwickler müssen also stets dafür sorgen, dass die Hitze optimal vom Bauteil abgeführt wird. Dabei werden mehrere dielektrische Grundmaterialien bevorzugt zur Hitzeableitung verwendet: im Einzelnen Aluminium, Aluminiumnitrid und Berylliumoxid. Überlegene thermische Eigenschaften kann insbesondere CVD-Diamant bei sehr hohen Frequenzen vorweisen. Bild 5 vergleicht die erstgenannten Materialien mit CVD-Diamant hinsichtlich der Leistungsdichte.
- Temperaturbereich: Das Widerstandselement in einem Abschlusswiderstand limitiert die mögliche Arbeitstemperatur des Bauteils. Dieses Widerstandselement kann – in Dickfilm- oder Dünnfilmtechnologie realisiert – einen Temperaturbereich von –55 bis +150 °C gewährleisten. Während der Verarbeitung und Montage wird die Temperatur ferner durch die verwendete Kontaktierung limitiert und liegt normalerweise unter 300 °C.
- Ohmwertbereich: 50 Ω ist Standard bei den meisten HF- und Mikrowellenanwendungen, und dies bei einer Toleranz von 1 bis 5 %. Andere Widerstandswerte von 0 Ω bis mehreren MΩ sind ebenso möglich.
- Größenabmessungen: HF-Abschlusswiderstände gibt es in Größen unter 1 mm; sie können aber auch 0,5 m lang sein. Hierbei muss stets ein Kompromiss zwischen Kenngrößen wie Leistung, Größe und der maximal möglichen Frequenz gefunden werden und sind dabei u.a. vom verwendeten Material und Bauteildesign abhängig.
- Gewicht: Die Leistungseigenschaften der Abschlüsse sind u.a. von ihrer Größe abhängig. Bei Luft- oder Raumfahrtanwendungen ist zudem auch das Gewicht von essenzieller Bedeutung; bei Telekommunikations-Anwendungen ist dies eher zweitrangig.
- Ausführung: Die Anwendung gibt normalerweise vor, welche Ausführung – etwa Chip-, Flansch-, Stab- oder Koaxial-Ausführung – den Vorzug erhält. Chip-Abschlüsse werden hauptsächlich in PC- oder allgemeinen Board-Anwendungen mit moderaten Leistungswerten eingesetzt, während Flanschabschlüsse bei der Ableitung hoher HF-Leistungswerte zum Zuge kommen. Die wohl gängigsten und am weitesten verbreiteten Abschlüsse sind die Koaxial-Versionen, die je nach benötigter Frequenz mit verschiedenen Anschlüssen versehen werden. Die Stabversionen werden fast ausschließlich innerhalb der Koax-Abschlüsse verwendet und erreichen über die gesamte Frequenzbandbreite gute Wirkungsgradwerte, sofern sie in einem geeigneten Kühlkörper untergebracht sind. Mehrere Typen von HF-Abschlüssen werden in Bild 6 gezeigt.