Das Funktionsprinzip des Richtkopplers

Richtkoppler sind Standard-Mikrowellen-/Millimeterwellenkomponenten in der Mikrowellenmessung und anderen Mikrowellensystemen. Sie können zur Signalisolation, -trennung und -mischung verwendet werden, beispielsweise zur Leistungsüberwachung, zur Stabilisierung der Ausgangsleistung der Quelle, zur Signalquellenisolation, zum Übertragungs- und Reflexionsfrequenzdurchlauftest usw. Es handelt sich um einen gerichteten Mikrowellen-Leistungsteiler, der eine unverzichtbare Komponente darstellt in modernen Sweep-Frequenz-Reflektometern. Normalerweise gibt es verschiedene Typen, z. B. Wellenleiter, Koaxialleitung, Streifenleitung und Mikrostreifenleiter.

Abbildung 1 ist ein schematisches Diagramm der Struktur. Es besteht im Wesentlichen aus zwei Teilen, der Hauptleine und der Hilfsleine, die durch verschiedene Formen kleiner Löcher, Schlitze und Lücken miteinander verbunden sind. Daher wird ein Teil der Leistungsaufnahme von der „1“ am Hauptleitungsende an die Sekundärleitung gekoppelt. Aufgrund der Interferenz oder Überlagerung von Wellen wird die Leistung nur entlang der Nebenleitung übertragen – in einer Richtung (genannt „vorwärts“) und in der anderen Richtung. In einer Richtung (genannt „rückwärts“) findet fast keine Leistungsübertragung statt.

Abbildung 2 zeigt einen Kreuzrichtungskoppler. Einer der Anschlüsse im Koppler ist mit einer integrierten Anpassungslast verbunden.

Anwendung von Richtkopplern

1, für Energiesynthesesystem
Ein 3-dB-Richtkoppler (allgemein als 3-dB-Brücke bekannt) wird normalerweise in einem Mehrträger-Frequenzsynthesesystem verwendet, wie in der folgenden Abbildung dargestellt. Diese Art von Schaltung ist in verteilten Innensystemen üblich. Nachdem die Signale f1 und f2 von zwei Leistungsverstärkern einen 3-dB-Richtkoppler durchlaufen haben, enthält der Ausgang jedes Kanals zwei Frequenzkomponenten f1 und f2, und 3 dB reduziert die Amplitude jeder Frequenzkomponente. Wenn einer der Ausgangsanschlüsse mit einer absorbierenden Last verbunden ist, kann der andere Ausgang als Stromquelle des passiven Intermodulationsmesssystems verwendet werden. Wenn Sie die Isolierung weiter verbessern müssen, können Sie einige Komponenten wie Filter und Isolatoren hinzufügen. Die Isolation einer gut konzipierten 3-dB-Brücke kann mehr als 33 dB betragen.
 
Der Richtkoppler wird im Leistungskombinationssystem eins verwendet.
Der gerichtete Gullybereich als weitere Anwendung der Kraftkombination ist in Abbildung (a) unten dargestellt. In dieser Schaltung wurde die Richtwirkung des Richtkopplers geschickt genutzt. Unter der Annahme, dass die Kopplungsgrade der beiden Koppler jeweils 10 dB und die Richtwirkung jeweils 25 dB betragen, beträgt die Isolation zwischen den Enden f1 und f2 45 dB. Wenn die Eingänge von f1 und f2 beide 0 dBm betragen, beträgt der kombinierte Ausgang beide -10 dBm. Im Vergleich zum Wilkinson-Koppler in Abbildung (b) unten (sein typischer Isolationswert beträgt 20 dB) beträgt das gleiche Eingangssignal von OdBm nach der Synthese -3 dBm (ohne Berücksichtigung der Einfügungsdämpfung). Im Vergleich zur Inter-Sample-Bedingung erhöhen wir das Eingangssignal in Abbildung (a) um 7 dB, sodass seine Ausgabe mit Abbildung (b) übereinstimmt. Zu diesem Zeitpunkt „nimmt“ die Isolation zwischen f1 und f2 in Abbildung (a) ab und beträgt 38 dB. Das endgültige Vergleichsergebnis ist, dass die Leistungssynthesemethode des Richtkopplers 18 dB höher ist als die des Wilkinson-Kopplers. Dieses Schema eignet sich für die Intermodulationsmessung von zehn Verstärkern.

Im Power-Combining-System 2 kommt ein Richtkoppler zum Einsatz

2, verwendet für Empfänger-Anti-Interferenz-Messung oder Störmessung
Im HF-Test- und Messsystem ist häufig die in der folgenden Abbildung dargestellte Schaltung zu sehen. Angenommen, das DUT (zu testendes Gerät oder Gerät) ist ein Empfänger. In diesem Fall kann über das Koppelende des Richtkopplers ein Nachbarkanal-Störsignal in den Empfänger eingekoppelt werden. Dann kann ein integrierter Tester, der über den Richtkoppler mit ihnen verbunden ist, den Widerstand des Empfängers testen – und zwar auf Tausend-Stör-Leistung. Wenn es sich bei dem Prüfling um ein Mobiltelefon handelt, kann der Sender des Telefons durch einen umfassenden Tester eingeschaltet werden, der an das Kupplungsende des Richtkopplers angeschlossen ist. Dann kann ein Spektrumanalysator verwendet werden, um die Störausgabe des Szenentelefons zu messen. Natürlich sollten vor dem Spektrumanalysator einige Filterschaltungen hinzugefügt werden. Da es in diesem Beispiel nur um die Anwendung von Richtkopplern geht, wird auf die Filterschaltung verzichtet.

Der Richtkoppler dient zur störungsfreien Messung des Empfängers oder zur Messung der Störhöhe eines Mobiltelefons.
In dieser Testschaltung ist die Richtwirkung des Richtkopplers sehr wichtig. Der am Durchgangsende angeschlossene Spektrumanalysator möchte nur das Signal vom DUT empfangen und nicht das Passwort vom Kopplungsende.

3, zur Signalabtastung und -überwachung
Die Online-Messung und -Überwachung von Sendern ist möglicherweise eine der am weitesten verbreiteten 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 Kopplung des Richtkopplers. Die Kapazität beträgt 30 dB, die Einfügungsdämpfung (Leitungsdämpfung plus Kopplungsdämpfung) beträgt 0,15 dB. Am Kopplungsende wird ein Signal mit 13 dBm (20 mW) an den Basisstationstester gesendet, der direkte Ausgang des Richtkopplers beträgt 42,85 dBm (19,3 W) und der Leckstrom beträgt. Die Leistung auf der isolierten Seite wird von einer Last absorbiert.

Der Richtkoppler wird zur Basisstationsmessung verwendet.
Fast alle Sender verwenden diese Methode zur Online-Probenahme und -Überwachung, und möglicherweise kann nur diese Methode den Leistungstest des Senders unter normalen Arbeitsbedingungen garantieren. Es ist jedoch zu beachten, dass es sich beim Sendertest um dasselbe handelt und verschiedene Tester unterschiedliche Bedenken haben. Am Beispiel von WCDMA-Basisstationen müssen Betreiber auf die Indikatoren in ihrem Arbeitsfrequenzband (2110–2170 MHz) achten, wie z. B. Signalqualität, In-Channel-Leistung, Nachbarkanal-Leistung usw. Unter dieser Prämisse werden Hersteller bei installieren das Ausgangsende der Basisstation. Ein Schmalband-Richtkoppler (z. B. 2110–2170 MHz), um die Inband-Arbeitsbedingungen des Senders zu überwachen und ihn jederzeit an das Kontrollzentrum zu senden.
Wenn es sich um den Regler des Funkfrequenzspektrums handelt – die Funküberwachungsstation zum Testen der Soft-Basisstationsindikatoren –, liegt sein Fokus völlig anders. Gemäß den Anforderungen der Funkverwaltungsspezifikation wird der Testfrequenzbereich auf 9 kHz bis 12,75 GHz erweitert, und die getestete Basisstation ist so breit. Wie viel Störstrahlung wird im Frequenzband erzeugt und stört den regulären Betrieb anderer Basisstationen? Ein Anliegen von Funküberwachungsstationen. Derzeit ist für die Signalabtastung ein Richtkoppler mit derselben Bandbreite erforderlich, es scheint jedoch keinen Richtkoppler zu geben, der 9 kHz bis 12,75 GHz abdecken kann. Wir wissen, dass die Länge des Kopplungsarms eines Richtkopplers mit seiner Mittenfrequenz zusammenhängt. Die Bandbreite eines Ultrabreitband-Richtkopplers kann 5 bis 6 Oktavbänder erreichen, beispielsweise 0,5 bis 18 GHz, das Frequenzband unter 500 MHz kann jedoch nicht abgedeckt werden.

4, Online-Leistungsmessung
In der Durchgangsleistungsmesstechnik ist der Richtkoppler ein sehr kritisches Gerät. Die folgende Abbildung zeigt das schematische Diagramm eines typischen Durchgangs-Hochleistungsmesssystems. Die Vorwärtsleistung des zu testenden Verstärkers wird vom Vorwärtskopplungsende (Klemme 3) des Richtkopplers abgetastet und an den Leistungsmesser gesendet. Die reflektierte Leistung wird vom Rückkopplungsanschluss (Klemme 4) abgetastet und an den Leistungsmesser gesendet.
Für die Hochleistungsmessung wird ein Richtkoppler verwendet.
Bitte beachten Sie: Der Rückkopplungsanschluss (Klemme 4) empfängt zusätzlich zur reflektierten Leistung von der Last auch Leckleistung aus der Vorwärtsrichtung (Klemme 1), die durch die Richtwirkung des Richtkopplers verursacht wird. Der Tester möchte die reflektierte Energie messen, und die Leckleistung ist die Hauptfehlerquelle bei der Messung der reflektierten Leistung. Die reflektierte Leistung und die Leckleistung werden am Rückkopplungsende (4 Enden) überlagert und dann an den Leistungsmesser gesendet. Da die Übertragungswege der beiden Signale unterschiedlich sind, handelt es sich um eine Vektorüberlagerung. Wenn die in den Leistungsmesser eingegebene Verlustleistung mit der reflektierten Leistung verglichen werden kann, führt dies zu einem erheblichen Messfehler.
Natürlich wird die von der Last (Ende 2) reflektierte Leistung auch zum vorderen Kopplungsende (Ende 1, in der Abbildung oben nicht dargestellt) weitergeleitet. Dennoch ist seine Größe im Vergleich zur Vorwärtskraft, die die Vorwärtsstärke misst, minimal. Der resultierende Fehler kann ignoriert werden.

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