Richtkoppler sind Standardkomponenten in der Mikrowellen- und Millimeterwellentechnik sowie in anderen Mikrowellensystemen. Sie dienen der Signaltrennung, -trennung und -mischung, beispielsweise bei der Leistungsüberwachung, der Stabilisierung der Ausgangsleistung von Quellen, der Signalquellenisolation sowie bei Frequenzdurchlaufmessungen für Transmission und Reflexion. Als gerichteter Mikrowellen-Leistungsteiler sind sie unverzichtbare Komponenten moderner Frequenzdurchlauf-Reflektometer. Üblicherweise existieren verschiedene Typen, darunter Hohlleiter-, Koaxial-, Streifenleitungs- und Mikrostreifenkoppler.
Abbildung 1 zeigt ein schematisches Diagramm der Struktur. Sie besteht im Wesentlichen aus zwei Teilen, der Hauptleitung und der Hilfsleitung, die durch verschiedene kleine Löcher, Schlitze und Spalten miteinander verbunden sind. Dadurch wird ein Teil der vom Anschluss „1“ am Ende der Hauptleitung eingekoppelten Leistung in die Hilfsleitung eingekoppelt. Aufgrund von Interferenz oder Überlagerung der Wellen wird die Leistung nur in einer Richtung entlang der Hilfsleitung übertragen (Vorwärtsrichtung), während in der anderen Richtung (Rückwärtsrichtung) nahezu keine Leistung übertragen wird.
Abbildung 2 zeigt einen kreuzgerichteten Koppler; einer der Anschlüsse des Kopplers ist mit einer eingebauten Anpassungslast verbunden.
Anwendung des Richtkopplers
1, für das Leistungssynthesesystem
Ein 3-dB-Richtkoppler (auch als 3-dB-Brücke bekannt) wird üblicherweise in Mehrträger-Frequenzsynthesesystemen eingesetzt, wie in der Abbildung unten dargestellt. Diese Schaltung findet häufig Verwendung in verteilten Systemen in Innenräumen. Nachdem die Signale f1 und f2 zweier Leistungsverstärker einen 3-dB-Richtkoppler durchlaufen haben, enthält der Ausgang jedes Kanals zwei Frequenzkomponenten f1 und f2, deren Amplitude durch die 3-dB-Dämpfung reduziert wird. Wird einer der Ausgänge an eine absorbierende Last angeschlossen, kann der andere Ausgang als Stromversorgung für ein passives Intermodulationsmesssystem genutzt werden. Zur weiteren Verbesserung der Isolation können Komponenten wie Filter und Isolatoren hinzugefügt werden. Die Isolation einer gut ausgelegten 3-dB-Brücke kann über 33 dB liegen.
Der Richtkoppler wird im Leistungskombinationssystem eins verwendet.
Die gerichtete Rillenstruktur als weitere Anwendung der Leistungskombination ist in Abbildung (a) unten dargestellt. In dieser Schaltung wurde die Richtwirkung des Richtkopplers geschickt genutzt. Unter der Annahme, dass die Kopplungsgrade beider Koppler jeweils 10 dB und die Richtwirkung jeweils 25 dB betragen, ergibt sich eine Isolation zwischen den Enden f1 und f2 von 45 dB. Bei Eingängen von f1 und f2 von jeweils 0 dBm beträgt der kombinierte Ausgang jeweils -10 dBm. Im Vergleich zum Wilkinson-Koppler in Abbildung (b) unten (dessen typischer Isolationswert 20 dB beträgt) ergibt sich bei gleichem Eingangssignal von 0 dBm nach der Synthese ein Wert von -3 dBm (ohne Berücksichtigung der Einfügungsdämpfung). Um den Ausgangswert mit dem in Abbildung (b) übereinstimmenden Ausgangswert zu erreichen, wird das Eingangssignal in Abbildung (a) um 7 dB erhöht. Zu diesem Zeitpunkt verringert sich die Isolation zwischen f1 und f2 in Abbildung (a) auf 38 dB. Das abschließende Vergleichsergebnis zeigt, dass die Leistungssynthese des Richtkopplers 18 dB höher ist als die des Wilkinson-Kopplers. Dieses Verfahren eignet sich für die Intermodulationsmessung von zehn Verstärkern.
In einem Leistungskombinationssystem 2 wird ein Richtkoppler verwendet.
2, verwendet für die Messung der Empfängerentstörungsfestigkeit oder zur Messung von Störsignalen.
In HF-Test- und Messsystemen findet sich häufig die in der Abbildung unten dargestellte Schaltung. Angenommen, das Prüfobjekt (DUT) ist ein Empfänger. In diesem Fall kann ein Störsignal des Nachbarkanals über das Kopplungsende des Richtkopplers in den Empfänger eingespeist werden. Anschließend kann ein über den Richtkoppler angeschlossenes integriertes Testgerät die Störfestigkeit des Empfängers messen. Handelt es sich beim Prüfobjekt um ein Mobiltelefon, kann dessen Sender mithilfe eines an das Kopplungsende des Richtkopplers angeschlossenen Testgeräts aktiviert werden. Anschließend kann ein Spektrumanalysator verwendet werden, um die Störsignale des Mobiltelefons zu messen. Selbstverständlich müssen vor dem Spektrumanalysator Filterschaltungen eingefügt werden. Da dieses Beispiel nur die Anwendung von Richtkopplern behandelt, wird die Filterschaltung hier nicht dargestellt.
Der Richtkoppler wird zur Messung der Störfestigkeit des Empfängers oder der Störhöhe eines Mobiltelefons verwendet.
In dieser Testschaltung ist die Richtwirkung des Richtkopplers von großer Bedeutung. Der an den Durchgangsanschluss angeschlossene Spektrumanalysator soll ausschließlich das Signal vom Prüfling (DUT) empfangen und nicht das Passwort vom Koppleranschluss.
3, zur Signalabtastung und -überwachung
Die Online-Messung und -Überwachung von Sendern zählt zu den häufigsten Anwendungen von Richtkopplern. Die folgende Abbildung zeigt eine typische Anwendung von Richtkopplern für die Messung von Mobilfunkbasisstationen. Angenommen, die Ausgangsleistung des Senders beträgt 43 dBm (20 W), die Kopplungskapazität des Richtkopplers 30 dB und die Einfügungsdämpfung (Leitungsdämpfung plus Kopplungsdämpfung) 0,15 dB. Am Kopplungsende wird ein Signal von 13 dBm (20 mW) an das Basisstations-Testgerät gesendet. Die direkte Ausgangsleistung des Richtkopplers beträgt 42,85 dBm (19,3 W), und die Leckleistung auf der isolierten Seite wird von einer Last aufgenommen.
Der Richtkoppler wird für Basisstationsmessungen verwendet.
Nahezu alle Sender nutzen dieses Verfahren zur Online-Abtastung und -Überwachung, und möglicherweise ist es das einzige, das die Leistungsfähigkeit des Senders unter normalen Betriebsbedingungen gewährleisten kann. Es ist jedoch zu beachten, dass es sich zwar um denselben Sendertest handelt, die Tester aber unterschiedliche Anforderungen stellen. Am Beispiel von WCDMA-Basisstationen lässt sich dies verdeutlichen: Betreiber müssen die Indikatoren in ihrem Arbeitsfrequenzband (2110–2170 MHz) im Auge behalten, wie beispielsweise Signalqualität, Sendeleistung im Kanal und Sendeleistung im Nachbarkanal. Aus diesem Grund installieren Hersteller am Ausgang der Basisstation einen Schmalband-Richtkoppler (z. B. 2110–2170 MHz), um die Betriebszustände des Senders im Frequenzband zu überwachen und die Daten jederzeit an die Leitstelle zu übermitteln.
Wenn es sich um die Regulierungsbehörde für das Funkfrequenzspektrum handelt – die Funküberwachungsstation –, die die Indikatoren für weiche Basisstationen testet, liegt der Fokus völlig anders. Gemäß den Anforderungen der Funkmanagement-Spezifikation erstreckt sich der Testfrequenzbereich auf 9 kHz bis 12,75 GHz, und die getesteten Basisstationen decken ein sehr breites Spektrum ab. Wie viel Störstrahlung wird in diesem Frequenzband erzeugt und wie stark kann der reguläre Betrieb anderer Basisstationen beeinträchtigt werden? Dies ist ein Anliegen der Funküberwachungsstationen. In diesem Fall wird ein Richtkoppler mit der gleichen Bandbreite für die Signalabtastung benötigt, doch ein Richtkoppler, der den Bereich von 9 kHz bis 12,75 GHz abdeckt, scheint nicht zu existieren. Bekanntlich hängt die Länge des Koppelarms eines Richtkopplers von seiner Mittenfrequenz ab. Die Bandbreite eines Ultrabreitband-Richtkopplers kann 5-6 Oktavbänder, beispielsweise 0,5-18 GHz, erreichen, jedoch wird das Frequenzband unter 500 MHz nicht abgedeckt.
4. Online-Leistungsmessung
In der Durchgangs-Leistungsmesstechnik ist der Richtkoppler ein entscheidendes Bauteil. Die folgende Abbildung zeigt das Schaltbild eines typischen Durchgangs-Hochleistungsmesssystems. Die vom Prüfling abgegebene Vorwärtsleistung wird am Vorwärtskopplungsanschluss (Anschluss 3) des Richtkopplers abgetastet und an das Leistungsmessgerät weitergeleitet. Die reflektierte Leistung wird am Rückwärtskopplungsanschluss (Anschluss 4) abgetastet und ebenfalls an das Leistungsmessgerät weitergeleitet.
Für Hochleistungsmessungen wird ein Richtkoppler verwendet.
Bitte beachten Sie: Zusätzlich zur vom Verbraucher reflektierten Leistung empfängt der Rückkopplungsanschluss (Anschluss 4) aufgrund der Richtwirkung des Richtkopplers auch Streuleistung aus Vorwärtsrichtung (Anschluss 1). Das Messgerät möchte die reflektierte Energie messen, die Streuleistung ist jedoch die Hauptfehlerquelle bei der Messung der reflektierten Leistung. Reflektierte und Streuleistung werden am Rückkopplungsanschluss (Anschluss 4) überlagert und anschließend an den Leistungsmesser weitergeleitet. Da die Übertragungswege der beiden Signale unterschiedlich sind, handelt es sich um eine Vektorüberlagerung. Ein Vergleich der am Leistungsmesser eingehenden Streuleistung mit der reflektierten Leistung führt zu einem erheblichen Messfehler.
Natürlich tritt auch an der Last (Ende 2) reflektierte Leistung am Vorwärtskopplungsende (Ende 1, in der obigen Abbildung nicht dargestellt) aus. Deren Betrag ist jedoch im Vergleich zur Vorwärtsleistung, die die Vorwärtsstärke misst, minimal. Der daraus resultierende Fehler kann vernachlässigt werden.
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Veröffentlichungsdatum: 20. April 2023