Richtkoppler

Anordnung zur Reflexionsmessung

Symbole für Richtkoppler

Der Richtkoppler ist ein Bauteil der Hochfrequenztechnik und dient dazu, aus einer Leitung einen Teil der darin laufenden elektromagnetischen Wellen richtungsabhängig abzuzweigen^[1].

Funktionsbeschreibung

Funktion eines Richtkopplers

Mit einem Richtkoppler lassen sich Signale nach ihrer Ausbreitungsrichtung in einem Wellenleiter getrennt auskoppeln. Ein Richtkoppler hat immer vier Ports oder Tore. Die entscheidende Eigenschaft eines idealen Richtkopplers ist, dass eine Welle, die an einem Tor eingespeist wird, sich auf die zwei Tore der gegenüberliegenden Seite seiner Symmetrieachse im definierten Verhältnis aufteilt und am verbliebenen Tor auf der Seite der Einspeisung nicht ausgekoppelt wird. Diese Eigenschaft gilt für jedes Tor des Richtkopplers. Umgekehrt bedeutet dies, dass eine ausgekoppelte Welle an einem Tor eines Richtkopplers nur von einer einlaufenden Welle von der gegenüberliegenden Seite angeregt werden kann. Wird nun ein Richtkoppler so in eine Leitung eingekoppelt, dass zwei zur Symmetrieachse gegenüberliegende Tore die Verbindung herstellen, werden an den zwei übrigen Toren die Signale in der Leitung abhängig von ihrer Ausbreitungsrichtung in der Wellenleitung exklusiv ausgegeben.

Dabei gilt, dass die Leistung, die an einem Tor eingespeist wird, sich auf die zwei ausgebenden Tore aufteilt. Einen Sonderfall bilden dabei Richtkoppler, die eine gleichmäßige Aufteilung erzeugen. Da das Signal an beiden Ausgangstoren um 3 dB gedämpft erscheint, spricht man vom 3-dB-Richtkoppler oder Leistungsteiler.

Ein realer Richtkoppler unterscheidet sich von einem idealen darin, dass

• Teile des Signals auch auf der Seite des einlaufenden Signals ausgegeben werden
• eine Dämpfung im Richtkoppler durch ohmsche und dieelektrische Verluste stattfindet
• die Kopplung oft stark frequenzabhängig ist.

Bauformen

Richtkoppler als Koaxialkabel

10 dB Dezimeterwelle HF-Richtkoppler mit N-Steckverbinder von Microlab/FXR with. Von links nach rechts: Eingang, Kopplung, isolierte (mit Abschluss) und Ausgang Anschluss.

Dazu wird bei einem Koaxkabel im Raum zwischen Innen- und Außenleiter ein paralleler Draht mitgeführt, dessen Länge λ/4 der zu messenden Wellenlänge nicht überschreiten darf. Es tritt sowohl induktive als auch kapazitive Kopplung auf, deren Stärke durch den Abstand bestimmt ist. Bei einem idealen Richtkoppler sind induktive und kapazitive Kopplung exakt gleich groß.

Ein Signal auf Leitung  1 (dargestellt durch den gerichteten Strompfeil I grün) hat auf Leitung 2

• eine gleichtaktförmige induktive Koppelkomponente (I_M, blau) zur Folge, die wegen der Lenzschen Regel entgegengesetzt ist.
• eine gegentaktförmige kapazitive Koppelkomponente (I_C, rot) zur Folge, die nicht orientiert ist.

An jedem der beiden Messwiderstände addieren sich die Ströme phasenrichtig (konstruktive bzw. destruktive Interferenz) und erzeugen dazu proportionale Spannungen, die ein Maß für die fließende Leistung sind. Wenn die Wellenimpedanz des Koaxkabels mit der Impedanz der Antenne übereinstimmt (Stehwellenverhältnis = 1), erscheint am rechten Messausgang kein Ausgangssignal.

Der beidseitige Abschluss von Leitung 2 muss mit relativ geringen Widerständen (≈100 Ω) erfolgen, deren Wert von den geometrischen Maßen abhängt. Diese Belastung führt bei kurzen Leitungslängen zu recht geringen Messspannungen. Aus diesem Grund werden häufig zwei getrennte Ankopplungen (Leitungen 2a und Leitung 2b) verwendet, die am Messausgang nicht belastet sind und deshalb höhere Spannung liefern.

Mit der Wellenlänge (unteres Kurzwellengebiet) steigt auch die Koppellänge und führt zu unhandlichen Maßen. Deshalb verwendet man einen Aufbau aus Toroidspule und zwei einstellbaren Kondensatoren. Dieser Aufbau hat den Vorteil, in weitem Maße unabhängig von der Wellenlänge zu sein.

Richtkoppler am Hohlleiter

Hochfrequenzenergie im unteren Hohlleiter wird teilweise in den oberen ausgekoppelt

Die Energie eines Mikrowellensenders wird in einem Hohlleiter zum Verbraucher geführt. Zu Messzwecken wird dieser angebohrt, damit ein Teil der Energie in einen parallel laufenden Hohlleiter gelangen kann. Bei gewissen Abständen dieser Bohrungen kann sich die Energie darin wegen konstruktiver Interferenz nur in eine Richtung ausbreiten. In entgegengesetzter Richtung eingekoppelte Energie (wegen Fehlanpassung von der Antenne reflektiert) wird in einem Widerstandsmaterial in Wärme umgewandelt.

Richtkoppler in Microstrip-Technologie

In der Mikrowellentechnik werden Richtkoppler für geringe Leistungen in Microstrip-Technologie gefertigt, da diese sehr kostengünstig sind. Hierbei existiert eine Vielzahl an Schaltungskonzepten wie

• Tapered Line Coupler, übersetzbar etwa als Verjüngte-Leitung-Koppler
• Branch Line Coupler, auf Deutsch etwa Zweigleitungskoppler (bspw. 90°-Hybridkoppler)
• Lange-Koppler (besteht aus verzahnten Stichleitungen)

die je nach den Anforderungen der Anwendung gewählt werden. Besonders Tapered Line und Branch Line Coupler sind relativ einfach zu dimensionieren und zu simulieren. Nachteilig vor allem für die Branch Line Coupler ist der Platzverbrauch auf der Platine, der mit der Wellenlänge der Mittenfrequenz in allen Richtungen wächst.

Richtkoppler mit Transformatoren

Breitbandrichtkoppler

• Bruene-Bridge
• Breitbandrichtkoppler nach Sontheimer-Frederick

Anwendungen

Hohlleiter-Richtkoppler; Hohlleiterbreite 23 mm entsprechend einer Frequenz von ca. 9 GHz; die Kopplung zwischen den Hohlleitern wird durch zwei Löcher mit 6 mm Durchmesser erreicht.

Koaxial-Richtkoppler; Verschiedene Bauformen. Oben links Deckel abgenommen. Frequenzbereiche 0,5 bis 12 GHz, Leistungen 10 bis 250 Watt

Anordnung zur additiven Mischung

Beispiel eines Präzision-Reflektometerkopplers für Labormesstechnik 0,95 bis 2,2 GHz, Koppelfaktor 10 dB, Richtschärfe 45 dB, Leistung maximal 30 Watt, Steckverbinder Eingang und Kopplungsausgänge Typ N, Ausgang zum Messobjekt Typ APC-7. mit Kalibriertabelle am Gehäuse.

Richtkoppler werden hierzu in die elektrische Leitung eingefügt und koppeln einen Teil der auf der Leitung laufenden Hochfrequenz-Leistung aus. Dabei kann der Anteil der vor- und rücklaufenden Welle selektiert und oft getrennt erfasst werden.
Richtkoppler haben einen oder zwei Ausgänge, oft ist einer der beiden Ausgänge mit einem reflexionsfreien Abschlusswiderstand geschlossen.

Die Kopplung erfolgt immer sowohl induktiv als auch kapazitiv, wobei die Phasenlage der ausgekoppelten Signale zur Richtungsselektion herangezogen wird.

Richtkoppler dienen zum Beispiel Kabelnetzen zum Anschluss eines Nutzerausganges. Auch eine impedanzrichtige additive Mischung mehrerer Signalquellen ist möglich.

Sind an den beiden Ausgängen eines Richtkopplers HF-Gleichrichter angebracht, kann die Leistung der vor- und rücklaufenden Wellen getrennt mit einem Gleichspannungsmessgerät bestimmt werden. Aus dem Verhältnis dieser Spannungen kann das sogenannte Stehwellenverhältnis, also das Verhältnis der vor- zur rücklaufenden Welle bestimmt werden. Daraus können zum Beispiel Rückschlüsse auf die Anpassung der Leitung an die Impedanz von Antenne und Sender gezogen werden. Solche Geräte nennt man Stehwellenmessgerät.

Ein den Richtkopplern verwandtes Bauelement ist der Zirkulator, dieser gibt die einlaufende Leistung eines Tors jeweils in einem festgelegten Drehsinn ausschließlich am benachbarten Anschluss aus. Sie dienen in Sende-/Empfangsanlagen wie zum Beispiel Radargeräten zum Trennen des von der Antenne gesendeten und empfangenen Signales (Diplexer).

Charakterisierende Daten von Richtkopplern

Frequenzbereich 

Frequenzbereich, für den der Richtkoppler dimensioniert ist und der Koppelfaktor mit dem Solldaten übereinstimmt. Häufig beträgt die Bandbreite um eine Oktave, zum Beispiel 1–2 GHz, 4–8 GHz. Auch Breitbandtypen zum Beispiel von 0,5–5 GHz oder 1–26,5 GHz sind erhältlich. Breitbandtypen sind mechanisch größer und wegen des aufwändigen internen Abgleichs teurer.

Impedanz

Gibt bei Koaxial-Richtkopplern die Systemimpedanz an, in der Funk- und Radartechnik meist 50 Ω, in Antennenanlagen für terrestrisches, Kabel- und Satellitenfernsehen meist 75 Ω.

Koppelfaktor

Gibt den Wert an, welcher Anteil vom Pegel des Hauptzweiges auf den Koppelzweig übertragen wird. Naturgemäß ist das Vorzeichen des Koppelfaktors immer negativ. Häufige Festwerte sind 3, 6, 10, 20 oder 30 dB. In der Hochleistungs-Sendertechnik sind Richtkoppler in Gebrauch, bei denen der mechanisch Abstand der Koppelleitung und der Hauptleitung veränderbar ist. Dies ermöglicht Koppelfaktoren bis über 60 dB. Dadurch sind Milliwatt-Leistungsmesser bis in den höchsten Kilowatt-Bereich einsetzbar (auf Kalibrierung ist sehr zu achten!).

Einfügedämpfung

Gibt den Gesamtverlust vom Eingang zum Ausgang des Hauptzweiges an. Dabei ist auch der Verlust berücksichtigt, welcher durch die Auskopplung entsteht. Somit hat ein 6-dB-Koppler mindestens 1,3 dB, ein 10-dB-Koppler mindestens 0,5 dB Einfügedämpfung.

Richtschärfe

Gibt den Wert an, welcher trotz idealem Abschluss des Ausganges auf den Reflexionszweig übertragen wird. Übliche Werte liegen bei 20–25 dB, bei Präzisionskopplern für Labormesstechnik liegt die Richtschärfe bei 35–45 dB.

Frequenzabhängingkeit

Gibt den Wert an, in dem der Koppelfaktor über den Nennfrequenzbereich schwankt. Von den Herstellern werden entsprechende Kalibrier- oder Korrekturtabellen mitgeliefert. Lässt die Baugröße es zu, sind diese Daten oft fest am Gehäuse angebracht.

Leistung

Gibt die maximale Leistung am Hauptzweig an. Bestimmende Faktoren sind die internen Leiterquerschnitte, die Spannungsfestigkeit der Dielektrika und die Bauart der verwendeten Steckverbinder. Natürlich wird dadurch die Baugröße des Kopplers beeinflusst. Zur Verdeutlichung: ein Sender mit 1 kW Ausgangsleistung speist in ein 50-Ω-System 224 V ein. Dabei fließt ein Strom von 4,5 A.

Quellen

1. ↑ Meinke, Gundlach, Lange, Löcherer: Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, Band 1-3, Heidelberg 1986

Literatur

• Jürgen Detlefsen, Uwe Siart: Grundlagen der Hochfrequenztechnik. 2. Auflage, Oldenbourg Verlag, München Wien 2006, ISBN 3-486-57866-9
• Herbert Zwaraber: Praktischer Aufbau und Prüfung von Antennenanlagen. 9. Auflage, Dr. Alfred Hüthig Verlag, Heidelberg, 1989, ISBN 3-7785-1807-0
• Ulrich Freyer: Antennentechnik für Funkpraktiker. 1. Auflage, Franzis-Verlag GmbH, Poing 2000, ISBN 3-7723-4693-6
• Technik der Nachrichtenübertragung Teil 2 Drahtlose Nachrichtenübertragung. 1. Auflage, Institut zur Entwicklung moderner Unterrichtsmethoden e. V., Bremen 1980

Siehe auch

• Leitungstheorie
• Wellenwiderstand