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2-2019

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Bauelemente Erklärungen

Bauelemente Erklärungen skeptisch hinterfragt: Wie funktioniert ein Leitungsrichtkoppler? Richtkoppler lassen sich nach verschiedenen baulichen Konzepten realisieren. Sehr bekannt sind Transformator- und Leitungsrichtkoppler. Obwohl letzterer im Aufbau überaus schlicht wirkt, sind dem Autor drei recht verschiedene Funktionsbeschreibungen aufgefallen, die er hier näher beleuchtet. Der Leitungsrichtkoppler nutzt als Grundelement ein HF-Leitungsstück (Koaxialleitung, Streifenleitung). Dabei spricht man von Hauptleitung (Main Line), Hauptarm oder Durchgangsleitung. In diese Leitung wird beim Koaxialkabel zwischen Seele und Schirm eine Nebenleitung (Auxilary Line) eingefügt, auch Koppelleitung genannt, Nebenarm oder gar Koppelschleife/-plättchen genannt. Bei Mikrostreifenleitungen liegen die Leitungen tatsächlich nebeneinander. Die Nebenleitung wirkt wie eine Empfangsantenne, daher auch die Bezeichnung Antennenkoppler. Die Nebenleitung ist offensichtlich elektromagnetisch, also sowohl elektrisch (kapazitiv) als auch magnetisch (induktiv), mit der Hauptleitung gekoppelt. Die Kopplung wird durch die Geometrie bestimmt. Erklärungsversuche über Strom und Spannung Die Funktion eines Richtkopplers wird auf [1] anhand von Bild 1 „vereinfacht“ folgendermaßen erklärt: „Die HF-Leistung, die vom Verstärker zur Last fließt (vorlaufende Welle), hat ein radiales elektrisches Feld (E-Feld) zwischen Innen- und Außenleiter (Masse) zur Folge. Ein kleiner Teil dieses Feldes koppelt kapazitiv vom Innenleiter auf das Koppelplättchen zwischen R1 und R2. Über die Kapazität zwischen Innenleiter und Koppelplättchen fließt dadurch ein hochfrequenter Strom, welcher über die metallischen Abstandshalter links und rechts jeweils zur Hälfte gleichmäßig durch die Widerstände R1 und R2 nach Masse fließt (vorausgesetzt, R1 und R2 sind gleich und bestenfalls beide reell 50 Ohm). Wir nennen den von der kapazitiven Kopplung entstehenden Spannungsanteil an den Widerständen +U kap , der an beiden Widerständen für die vorlaufende Welle positiv und gleich groß ist. Neben dem elektrischen Feld entsteht aber beim Leistungstransport der vorlaufenden Welle vom Verstärker zur Last auch ein Magnetfeld (H-Feld), welches senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung der Welle im Uhrzeigersinn rund um den Innenleiter geht, bis es vom Außenleiter begrenzt wird. Ein kleiner Teil dieses Magnetfeldes geht auch durch die Koppelschleife, welche mit dem Koppelplättchen, den leitfähigen Abstandshaltern, den Widerständen R1 und R2 gegen Masse und der Masseverbindung der beiden Widerstände einen geschlossenen Stromkreis bildet. Der sogenannte magnetische Fluss, welcher durch die so gebildete Koppelschleife fließt, induziert in dieser einen Strom I ind , welcher aufgrund der physikalischen Gesetze so fließt, dass er beim Durchfließen des Widerstands R1 eine positive Spannung U ind am Tor 1 erzeugt. Danach fließt der induzierte Strom weiter über Bild 1: Aufbau eines Zweitor-Richtkopplers [1] 48 hf-praxis 2/2019

Bauelemente Bild 2: Funktionserklärung anhand der Ströme [2] die Masseverbindung zu R2, und zwar in umgekehrter Richtung wie durch R1, um wieder zum Koppelplättchen zurückzukommen. Durch den umgekehrten Stromfluss durch R2 entsteht hier die Spannung -U ind . Wenn man nun durch eine geeignete Geometrie und gleiche Abschlusswiderstände R1 und R2 erreicht, dass U kap und U ind gleich groß sind, addieren diese sich an Tor 1 zur doppelten Spannung, während sie sich an Tor 2 gegenseitig auslöschen. Das bedeutet, dass die vorlaufende Welle nur am Widerstand von Tor 1 eine Spannung erzeugt, während am Tor 2 keine Spannung entsteht. Für die rücklaufende Welle mit gleicher Richtung des E-Feldes, aber umgekehrter Drehrichtung des H-Feldes gilt dies nun genau umgekehrt: Hier addieren sich die kapazitive und induktive Kopplung am Tor 2 und sie löschen sich am Tor 1 aus. Demnach basiert ein solcher Richtkoppler also auf der Addition (Phasengleichheit) und Kompensation (Gegenphasigkeit) von kapazitiv und induktiv ausgekoppelten Komponenten. Mit einer Zeichnung (Bild 2) wird dies auf [2] transparent gemacht und wie folgt erklärt: „Es tritt sowohl induktive als auch kapazitive Kopplung auf, deren Stärke durch den Abstand bestimmt ist. Bei einem idealen Richtkoppler sind induktive Bild 3: Der Leitungskoppler mit seinen ausgekoppelten Spannungen für die hinlaufende Welle [3] 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 Lenz´schen Regel entgegengesetzt ist, und eine gegentaktförmige kapazitive Koppelkomponente (IC, rot), 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. Hier wird auf die durch kapazitive Kopplung ursächlich entstehende Spannung verzichtet und gleich der durch diese Spannung entstehende Strom herangezogen, was die Betrachtung etwas vereinfacht. So erklärt es auch Wikipedia. Eine gesonderte Erklärung für die rücklaufende Welle erfolgt nicht. Diese scheint auf den ersten Blick auch nicht nötig, denn ein derartiger Koppler ist ja in jeder Hinsicht symmetrisch aufgebaut, sodass eine von der anderen Seite einlaufende Welle logischerweise eine bzw. keine Spannung jeweils am anderen Widerstand aufbauen muss. Ähnlich ist es ja bei [1], wo lediglich eine „umgekehrte Drehrichtung des H-Felds“ bei der reflektierten Welle erwähnt wird. Nach [3] kann das System Main Line und Auxilary Line als Transformator aufgefasst werden, dessen Besonderheit darin besteht, dass er bei optimaler Dimensionierung eine gleich große kapazitive wie induktive Auskoppelleistung bereitstellt, s. Bild 3: „Die Ursache für das Vorhandensein eines entkoppelten Ausgangs liegt in der gemischten Kopplung, nämlich kapazitiver und induktiver Kopplung zwischen Hauptarm und Nebenarm. ... U vor erzeugt durch kapazitive Kopplung auf dem Nebenarm eine Spannung U C , die an allen Stellen des Nebenarms gegen Masse, insbesondere an Punkt 3 gegen Masse und Punkt 4 gegen Masse gleiche Richtung hat. hf-praxis 2/2019 49

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