Richtkoppler

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Der Richtkoppler ist ein Bauteil der Hochfrequenztechnik und dient dazu, aus einem Wellenleiter einen Teil der darin laufenden elektromagnetischen Wellen richtungsabhängig abzuzweigen[1]. Der technische Aufbau hängt stark vom Frequenzbereich ab: Bei Hohlleitern genügen kleine Verbindungsbohrungen, bei Koaxkabeln werden Drahtstücke oder Transformatoren verwendet.

10 dB HF-Richtkoppler mit N-Steckverbinder. Von links nach rechts: Eingang (vom Sender), Messanschluss vorlaufende Leistung, reflektierte Leistung (mit Abschlusswiderstand) und Ausgang (zur Antenne)
Koaxial-Richtkoppler; Verschiedene Bauformen. Oben links Deckel abgenommen. Frequenzbereiche 0,5 bis 12 GHz, Leistungen 10 bis 250 Watt

Hauptanwendung sind die Signalkontrolle bei Sendern und die Messung des Stehwellenverhältnisses. Ein Richtkoppler, der eine gleichmäßige Aufteilung erzeugt, heißt Leistungsteiler. Bei zwei Ausgangstoren erscheinen die Signale um 3 dB gedämpft (Antennensplitter).

Allgemeines[Bearbeiten]

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 funktional gegenüberliegenden Seite 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 funktional gegenüberliegenden Seite angeregt werden kann. Wird nun ein Richtkoppler so in eine Leitung eingefügt, dass zwei funktional 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.

Bei realen Bauelementen kann das Ausgangstor für die ausgekoppelte rücklaufende Welle intern mit einem Abschlusswiderstand versehen sein. Dann hat der Richtkoppler nur drei Anschlüsse für Eingang, Ausgang und ausgekoppeltes Eingangssignal. Im Bild sieht man einige Beispiele für Richtkoppler. Der Eingang ist jeweils links, der Ausgang rechts. Der Ausgang für die ausgekoppelte vorlaufende Welle befindet sich jeweils links oben; der Ausgang für die ausgekoppelte rücklaufende Welle ist zum Teil durch einen Abschlusswiderstand ersetzt. Obwohl der Ausgang für die ausgekoppelte vorlaufende Welle funktional dem Eingang gegenüber liegt, befindet er sich mechanisch in dessen Nähe.

Richtkoppler als Koaxialkabel[Bearbeiten]

Funktion eines Richtkopplers

Bei einem Koaxkabel wird 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 (IM, blau) zur Folge, die wegen der Lenzschen Regel entgegengesetzt ist.
  • eine gegentaktförmige kapazitive Koppelkomponente (IC, 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.

Richtkoppler am Hohlleiter[Bearbeiten]

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[Bearbeiten]

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[Bearbeiten]

Prinzipschalung eines Breitbandrichtkopplers nach Sontheimer-Frederick
Praktischer Aufbau der SWR-Brücke mit zwei identischen Stromwandlern

Bei der koaxialen Bauweise ist die Kopplung stark frequenzabhängig, weshalb mit der Wellenlänge (unteres Kurzwellengebiet) auch die notwendige Koppellänge steigt. Weil das entweder zu unhandlichen Maßen oder zu sehr geringen Spannungen führt, verwendet man einen Aufbau mit Stromwandlern (Durchsteckwandler).

Breitbandrichtkoppler nach Sontheimer-Frederick[Bearbeiten]

Zwei identische Stromwandler werden benutzt[2][3], um

  • mit T1 den Strom des Innenleiters im Verhältnis n:1 herabzutransformieren und
  • mit T2 die Spannung zwischen Innen- und Außenleiter im Verhältnis n:1 herabzutransformieren.

Dadurch bleibt die Impedanz U/I gewahrt. Die Koppelkonstante errechnet sich zu C3,1 = 20·log(n). Die beiden Widerstände R1 und R2 des Transformators T2 müssen den gleichen Wert besitzen wie der Wellenwiderstand des Koaxkabels zwischen P1 und P2.

Bruene-Bridge[Bearbeiten]

Der "Bruene-Richtkoppler"[4][5][6] besitzt einen Stromwandler und zwei einstellbare Kondensatoren. ist die gemessene Spannung fast unabhängig von der Wellenlänge. Das Prinzip funktioniert auch bei nur 50 Hz und wird im Stromhandel verwendet, um die Richtung der transportieren Energie zu messen (siehe Bild).

Anwendungen[Bearbeiten]

Parallelschaltung von acht Leistungsverstärkern mit Hilfe von Richtkopplern.
Anordnung zur additiven Mischung

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[Bearbeiten]

Frequenzbereich 
Frequenzbereich, für den der Richtkoppler dimensioniert ist und der Koppelfaktor mit den 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.
Frequenzabhängigkeit
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 Veff ein. Dabei fließt ein Wechselstrom von 4,5 Aeff.

Quellen[Bearbeiten]

  1. Meinke, Friedrich-Wilhelm Gundlach, Lange, Löcherer: Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, Band 1-3, Heidelberg 1986
  2. a simple SWR/Wattmeter (PDF; 144 kB)
  3. Thomas H. Lee, Planar Microwave Engineering: A Practical Guide to Theory, Measurement, and Circuits, Cambridge University Press, 2004, ISBN 0521835267
  4. Bruene Richtkoppler (PDF; 250 kB)
  5. Bruene SWR-Messgerät
  6. Bruene-SWR mit verbesserter Genauigkeit

Literatur[Bearbeiten]

  • 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[Bearbeiten]