Duplexer

Schema

Ein Duplexer ist eine Filterbaugruppe, der abhängig von bestimmten Regeln zwei Eingänge mit einem Ausgang verbindet.

An diesen Duplexer werden extreme Anforderungen gestellt:

• es müssen sehr hohe Sendeleistungen zur Antenne geschaltet werden;
• es müssen extrem kleine Empfangsleistungen verlustarm zum Empfänger geschaltet werden;
• der Empfänger muss vor der hohen Sendeleistung geschützt werden (kein Durchschlagen);

Anwendung im Sprechfunk

Im Sprechfunk sind Sender und Empfänger ständig an die Antenne geschaltet. Denn die empfangene Frequenz muß gleichzeitig nach der Verstärkung in der Relaisstation wieder abgestrahlt werden Für Details schauen Sie hier unter Duplexweiche

Anwendung in der Radartechnik

In der Radartechnik wird mit Impulsen gearbeitet. Der Sender und Empfänger sind also nur abwechselnd an die Antenne angeschaltet, aber niemals gleichzeitig. Speziell in der Radartechnik werden die Sende-Empfangs-Umschalter in monostatischen Radargeräten als Duplexer bezeichnet, die eine Antenne im Zeitmultiplexverfahren abwechselnd an den Sender und den Empfänger schalten.

In der Radartechnik werden mehrere verschiedene Bauformen verwendet

• Ferritzirkulatoren,
• Branch-Duplexer, welche Leitungsresonanzen ausnutzen,
• Balanced Duplexer, welche Phasenlaufzeiten zur Umschaltung nutzen, und
• pin-Dioden-Duplexer, die mit aktiven Schaltspannungen versorgt werden.
• der Umschaltvorgang darf nur wenige Nanosekunden dauern.

Branch-Duplexer

Der Branch-Duplexer arbeitet mit λ/4- Leitungsabschnitten als Resonanzleitungen. Wichtige Eigenschaft von λ/4- Leitungsabschnitten ist die Widerstandstransformation. Ein Kurzschluss wird nach λ/4 zu einem unendlich hohen Widerstand, also zu einer „offenen Leitung“, die „offene Leitung“ wird nach λ/4 als Kurzschluss erkannt.

Mit Hilfe von Gasentladungsröhren werden im Zündmoment Kurzschlüsse in einem Leitungsabschnitt erzeugt. Dieser Kurzschluss wird nach λ/4 in einen unendlich hohen Widerstand transformiert und verhindert so, dass weitere Energie in diesen Leitungsabschnitt eingeleitet wird. Diese Gasentladungsröhren werden als TR-Röhren (Transmit-Receive-Tube: die Gasentladungsröhre in der nebenstehenden Grafik am Punkt D vor dem Empfänger) und ATR-Röhren (Anti-Transmit-Receive-Tube: die Gasentladungsröhre am Punkt C) bezeichnet.

Arbeitsweise

Zum Zeitpunkt des Sendens haben beide Gasentladungsröhren aufgrund der hohen Spannung des Sendesignals gezündet und verursachen somit einen Kurzschluss an den Punkten C und D. In einer Entfernung von einem Viertel der Wellenlänge (λ/4) wird dieser Kurzschluss an den Punkten A und B zu einem fast unendlichen Widerstand transformiert. Der Sendeenergie verbleibt nur der Weg zur Antenne und erreicht nicht die empfindliche Empfangsstufe.

ATR-switch (9GHz system)

Während der Empfangszeit sind beide Gasentladungsröhren erloschen, da das Echo eine sehr geringe Leistung hat. Die Gasentladungsröhren haben einen sehr hohen Innenwiderstand. Jetzt wirkt der konstruktive Kurzschluss am Punkt E: nach einem dreiviertel der Wellenlänge wird am Punkt B wieder der unendliche Widerstand „gesehen“ und die Empfangsenergie wird zum Empfänger geleitet.

Nachteile

• die Betriebsbandbreite beträgt nur 5% (wegen der erforderlichen Leitungsresonanz eigentlich nur eine einzige Frequenz!)
• die durchschaltbare Sendeleistung ist begrenzt (die Dämpfung mit einer TR-Röhre beträgt „nur“ 30 dB), deshalb werden manchmal mehrere TR-Röhren im Abstand von jeweils λ/2 verwendet.
• die Entkopplung zwischen Sende- und Empfangskanal ist geringer als bei anderen Duplexern, da doch immer soviel Sendeenergie in die unerwünschte Richtung zum Empfänger fließen muss, um die Gasentladungsröhren zu zünden bzw. gezündet zu halten.

Balanced Duplexer

Hier sind die TR-Röhren in einem Hohlleiterabschnitt integriert. An dem bei der Zündung entstehenden Kurzschluss wird die Sendeenergie reflektiert und phasengleich in Richtung Antenne, bzw. phasenungleich in Richtung Sender überlagert.

Arbeitsweise

Im Sendefall arbeitet der Balanced Duplexer nach folgendem Prinzip:

• Die Sendeenergie teilt sich im Schlitzkoppler auf;
• der Anteil, der den Schlitz passiert hat, erfährt eine Phasenverschiebung um 90°;
• beide Leistungsanteile bringen die Gasentladungs- (TR-) Röhre zum Zünden;
• an dieser durch Kurzschluss extremen Fehlanpassung wird die Sendeenergie reflektiert;
• wieder teilt sich die Energie im Schlitzkoppler auf;
• der Anteil, der den Schlitz passiert, erfährt eine nochmalige Phasenverschiebung um 90°;
• beide Anteile reflektiert in Richtung Sender haben nun einen Phasenunterschied von 180° und heben sich nahezu auf;
• beide Anteile reflektiert in Richtung Antenne sind gleichphasig und summieren sich zur vollen Leistung.

Während der Empfangszeit sind die TR-Röhren erloschen und beide Anteile des Empfangssignals addieren sich nach dem zweiten Schlitzkoppler wieder phasengleich zur ursprünglichen Signalstärke.

Vorteil

Der Balanced Duplexer ist sehr breitbandig und wird praktisch nur durch die Grenzfrequenzen der Hohlleiter begrenzt.

Nachteile

• Auch der Balanced Duplexer benötigt etwas Sendeenergie, um die TR-Röhren zu zünden. Sendeenergie unterhalb dieser Zündschwelle erreicht den Empfänger und kann dort Zerstörungen verursachen.
• Nach dem Sendeimpuls leuchtet die TR-Röhre noch etwas nach. Während dieser Erholzeit ist das Radar noch blind.

pin-Dioden-Duplexer

Duplexer in Halbleitertechnologie mit pin-Dioden wurden zu einer attraktiven Alternative durch eine gute Sperrisolation, einer schnellen Erholzeit und langer Lebensdauer. pin-Dioden haben einen von ihrer Vorspannung abhängigen Innenwiderstand und können so auch große Energien schalten. Ein Begrenzungsschaltung mit pin-Dioden und einer vernachlässigbarer Durchlassdämpfung begrenzt das Signal am Empfängereingang auf ein konstanten Pegel. Allerdings müssen die pin-Dioden für eine gute Sperrung der Sendeleistung bei geringen Verlusten im Empfangsweg aktiv geschaltet werden. Das verkompliziert die Schaltung und führt zu dem Risiko des Totalausfalls, wenn die Schaltspannungen in Folge eines Defektes ausbleiben. Deswegen werden in der Praxis zur Sicherheit mehrere Schaltstufen hintereinander verwendet.

Vorteile

• hohe Lebensdauer
• keine Schaltverzögerung
• schnelle Erholzeit

Nachteile

• erfordert aktive Schaltspannungen
• Fehlschaltungen können katastrophale Folgen haben
• hohe zu schaltende Leistungen erfordern zusätzliche Absicherung

pin-Dioden benötigen zum Schalten eine Steuerspannung, die meist durch den Synchronisator bereitgestellt wird.

Weblinks

Radartutorial