Richtkoppler sind Standardkomponenten für Mikrowellen-/Millimeterwellen in der Mikrowellenmessung und anderen Mikrowellensystemen. Sie können zur Signalisolierung, -trennung und -mischung eingesetzt werden, z. B. zur Leistungsüberwachung, Stabilisierung der Ausgangsleistung von Quellen, Signalquellenisolierung, Frequenzdurchlaufprüfung von Übertragung und Reflexion usw. Sie sind gerichtete Mikrowellen-Leistungsteiler und eine unverzichtbare Komponente moderner Frequenzdurchlaufreflektometer. Es gibt verschiedene Typen, z. B. Hohlleiter, Koaxialleitungen, Streifenleitungen und Mikrostreifenleitungen.
Abbildung 1 zeigt eine schematische Darstellung der Struktur. Sie besteht im Wesentlichen aus zwei Teilen, der Hauptleitung und der Nebenleitung, die durch verschiedene kleine Löcher, Schlitze und Lücken miteinander verbunden sind. Daher wird ein Teil der von der „1“ am Hauptleitungsende zugeführten Leistung an die Nebenleitung übertragen. Aufgrund der Interferenz oder Überlagerung von Wellen wird die Leistung nur entlang der Nebenleitung übertragen – in eine Richtung (Vorwärtsrichtung) und in die andere Richtung (Rückwärtsrichtung). Es findet praktisch keine Kraftübertragung statt.
Abbildung 2 zeigt einen Kreuzkoppler. Einer der Anschlüsse im Koppler ist mit einer integrierten Anpassungslast verbunden.
Anwendung des Richtkopplers
1, für Leistungssynthesesystem
Ein 3-dB-Richtkoppler (allgemein bekannt als 3-dB-Brücke) wird üblicherweise in Mehrträger-Frequenzsynthesesystemen 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, wobei 3 dB die Amplitude jeder Frequenzkomponente reduziert. Wird einer der Ausgangsanschlüsse mit einer absorbierenden Last verbunden, kann der andere Ausgang als Stromquelle für das passive Intermodulationsmesssystem verwendet werden. Zur weiteren Verbesserung der Isolation können Komponenten wie Filter und Isolatoren hinzugefügt werden. Die Isolation einer gut konzipierten 3-dB-Brücke kann über 33 dB betragen.
Der Richtkoppler wird im Leistungskombinationssystem 1 verwendet.
Der Richtungs-Gully-Bereich als weitere Anwendung der Leistungskombination ist in Abbildung (a) unten dargestellt. In dieser Schaltung wurde die Richtwirkung des Richtkopplers geschickt eingesetzt. Angenommen, der Kopplungsgrad der beiden Koppler beträgt beide 10 dB und die Richtwirkung beide 25 dB, dann beträgt die Isolierung 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. Verglichen mit dem Wilkinson-Koppler in Abbildung (b) unten (sein typischer Isolierungswert beträgt 20 dB), ergibt sich bei gleichem Eingangssignal von 0 dBm nach der Synthese ein Wert von -3 dBm (ohne Berücksichtigung des Einfügungsverlusts). Verglichen mit der Inter-Sample-Bedingung erhöhen wir das Eingangssignal in Abbildung (a) um 7 dB, sodass sein Ausgang mit Abbildung (b) übereinstimmt. Zu diesem Zeitpunkt verringert sich die Isolation zwischen f1 und f2 in Abbildung (a) um 38 dB. Das endgültige Vergleichsergebnis zeigt, dass die Leistungssynthesemethode des Richtkopplers 18 dB höher ist als die des Wilkinson-Kopplers. Dieses Verfahren eignet sich für die Intermodulationsmessung von zehn Verstärkern.
Im Leistungskombinationssystem 2 wird ein Richtkoppler verwendet
2, verwendet für Empfänger-Anti-Interferenzmessung oder Störmessung
In HF-Messsystemen ist die in der folgenden Abbildung dargestellte Schaltung häufig zu sehen. Angenommen, das zu prüfende Gerät (DUT) ist ein Empfänger. In diesem Fall kann ein Störsignal eines Nachbarkanals über die Kopplungsseite des Richtkopplers in den Empfänger eingespeist werden. Anschließend kann ein über den Richtkoppler angeschlossener integrierter Tester die Widerstands- und Störfestigkeit des Empfängers prüfen. Handelt es sich bei dem zu prüfenden Gerät um ein Mobiltelefon, kann dessen Sender über einen integrierten Tester, der an die Kopplungsseite des Richtkopplers angeschlossen ist, eingeschaltet werden. Anschließend kann ein Spektrumanalysator verwendet werden, um die Störsignale des Telefons zu messen. Natürlich sollten vor dem Spektrumanalysator einige Filterschaltungen hinzugefügt werden. Da dieses Beispiel nur die Anwendung von Richtkopplern behandelt, wird die Filterschaltung weggelassen.
Der Richtkoppler wird zur störungsfreien Messung der Empfänger- oder Störhöhe von Mobiltelefonen verwendet.
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 zählt zu den am häufigsten genutzten 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 Einfügedämpfung (Leitungsdämpfung plus Kopplungsdämpfung) 0,15 dB. Das Kopplungsende sendet ein 13 dBm (20 mW) starkes Signal an den Basisstationstester. Die direkte Ausgangsleistung des Richtkopplers beträgt 42,85 dBm (19,3 W), und die Leckleistung auf der isolierten Seite wird von einer Last absorbiert.
Der Richtkoppler wird zur Messung der Basisstation verwendet.
Fast alle Sender nutzen diese Methode zur Online-Abtastung und -Überwachung, und möglicherweise kann nur diese Methode die Leistungsprüfung des Senders unter normalen Betriebsbedingungen gewährleisten. Es ist jedoch zu beachten, dass es sich um den Sendertest handelt und verschiedene Tester unterschiedliche Anforderungen haben. Am Beispiel von WCDMA-Basisstationen müssen die Betreiber auf die Indikatoren in ihrem Arbeitsfrequenzband (2110–2170 MHz) achten, wie z. B. Signalqualität, Kanalleistung, Nachbarkanalleistung usw. Unter dieser Prämisse installieren die Hersteller am Ausgang der Basisstation einen Schmalband-Richtkoppler (z. B. 2110–2170 MHz), um die In-Band-Betriebsbedingungen des Senders zu überwachen und diese jederzeit an die Leitstelle zu senden.
Wenn es sich bei der Regulierungsbehörde des Funkfrequenzspektrums – der Funküberwachungsstation – um die Soft-Indikatoren der Basisstationen handelt, liegt ihr Fokus ganz 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 in diesem Frequenzband erzeugt und den regulären Betrieb anderer Basisstationen stört? Dies ist eine Sorge der Funküberwachungsstationen. Derzeit wird zur Signalabtastung ein Richtkoppler mit der gleichen Bandbreite benötigt, aber ein Richtkoppler, der 9 kHz bis 12,75 GHz abdecken kann, scheint zu existieren. Wir wissen, dass die Länge des Kopplungsarms eines Richtkopplers mit seiner Mittenfrequenz zusammenhängt. Die Bandbreite eines Ultrabreitband-Richtkopplers kann 5–6 Oktavbänder erreichen, beispielsweise 0,5–18 GHz, aber das Frequenzband unter 500 MHz kann nicht abgedeckt werden.
4. Online-Leistungsmessung
In der Durchgangsleistungsmesstechnik ist der Richtkoppler ein äußerst wichtiges Bauteil. Die folgende Abbildung zeigt das schematische Diagramm eines typischen Durchgangs-Hochleistungsmesssystems. Die Vorwärtsleistung des zu prüfenden Verstärkers wird vom Vorwärtskopplungsende (Anschluss 3) des Richtkopplers erfasst und an das Leistungsmessgerät gesendet. Die reflektierte Leistung wird vom Rückkopplungsanschluss (Anschluss 4) erfasst und an das Leistungsmessgerät gesendet.
Zur Messung hoher Leistungen wird ein Richtkoppler verwendet.
Hinweis: Neben der reflektierten Leistung der Last empfängt der Rückkopplungsanschluss (Anschluss 4) auch Leckleistung aus Vorwärtsrichtung (Anschluss 1), die durch die Richtwirkung des Richtkopplers verursacht wird. Der Tester misst die reflektierte Energie, 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 anschließend an den Leistungsmesser gesendet. Da die Übertragungswege der beiden Signale unterschiedlich sind, handelt es sich um eine Vektorüberlagerung. Ein Vergleich der am Leistungsmesser eingehenden Leckleistung mit der reflektierten Leistung führt zu einem erheblichen Messfehler.
Natürlich wird die reflektierte Leistung von der Last (Ende 2) auch zum Vorwärtskopplungsende (Ende 1, in der obigen Abbildung nicht dargestellt) gelangen. Dennoch ist ihre Größe im Vergleich zur Vorwärtsleistung, die die Vorwärtsstärke misst, minimal. Der daraus resultierende Fehler kann vernachlässigt werden.
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Veröffentlichungszeit: 20. April 2023