Experimenteller Richtkoppler

Baustelle

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Ein neues Projekt nimmt Formen an.

Auf einem Wellenleiter können sich Signale in zwei Richtungen ausbreiten, die jeweils als vorlaufende und rücklaufende Welle bezeichnet werden. Ein in die Leitung eingeschleifter Richtkoppler trennt einen Teil der Signale heraus und gibt die vor- und rücklaufende Welle an separaten Ausgängen aus. Dadurch lassen sich die beiden Signale unabhängig voneinander untersuchen und gegenüberstellen, wodurch sich für die Messtechnik wertvolle Erkenntnisse ergeben. (Tatsächlich ist Wellenausbreitung nicht erforderlich nur dann werden die Erklärungen umständlicher)

Diese Bau- und Experimentieranleitung eines experimentellen Richtkopplers legt dessen Funktionsweise und Anwendungsmöglichkeiten offen.

Allgemeines

Die Trennung der vor- und rücklaufenden Welle gelingt nicht ohne weiteres, da an jedem Punkt der Leitung sich nur eine Spannung und ein Strom messbar zeigt. Bei bekannter Impedanz Z₀ am Einschleifpunkt des Richtkoppler kommt eine dritte Größe hinzu, die ein herausrechnen der gesuchten Werte ermöglicht. Dabei entstehen die Hilfsgrößen a und b, die jeweils die vor- und rücklaufende Welle repräsentieren und die Bezeichnung Wellenamplitude tragen. Im Betrag entspricht diese Hilfsgröße der Quadratwurzel der jeweiligen Leistung, wobei noch die Phasenbezugswinkel der zugrundeliegenden Welle hinzu kommt.

[math]\displaystyle{ a = \frac{1}{2} \cdot \left( \frac{U}{\sqrt{Z_0}} + I\sqrt{Z_0} \right) }[/math]

[math]\displaystyle{ b = \frac{1}{2} \cdot \left( \frac{U}{\sqrt{Z_0}} - I\sqrt{Z_0} \right) }[/math]

Funktionsweise

Schaltungskonzpept für den Breitbandrichtkoppler

Für Richtkoppler eignen sich verschieden Schaltungskonzepte. Am bekanntesten sind die gekoppelten Leitungen bei der zwei Wellenleiter ein sich teilweise überschneidendes magnetisches und elektrisches Feld aufweisen. Nur mäßig gut eignen sich Hybride mit quadratischen und ringförmigen Leiterbahnstrukturen als Richtkoppler. Besonders für niedrigere Frequenzen (<1GHz) bieten sich auf Übertragern basierende Schaltungskonzepte an. Wegen des unkomplizierten Aufbaus wurde letzterer für dieses Richtkoppler-Projekt ausgewählt und auch dessen Funktionsweise soll nachfolgend kurz erklärt werden.

Die genau Arbeitsweise der Schaltung ist nicht ganz simpel, weswegen hier nur eine vereinfachte Betrachtung erfolgt. Dazu wird der Übertrager T1 als Stromwandler betrachtet und T2 als Spannungswandler und beide weisen das gleiche Übersetzungsverhältnis ü auf. Eine im Tor P1 einlaufende Welle verursacht einen positiven Strom I1 und eine positive Spannung U1. Das führt zu entsprechend um das Übersetzungsverhältnis reduziert Werte auf der Gegenseite. Dabei entspricht die Spannung U2 dem Spannungsabfall über der Impedanz Z0 an P3 durch den Strom I2. Somit liegt an P4 keine Spannung an und das Tor wird als Isoliert bezeichnet. Läuft bei Tor P2 eine Welle ein ändert sich ausschließlich das Vorzeichen von I1 und I2 , wodurch an P4 das ausgekoppelte Signal anliegt und von P3 isoliert bleibt.

Tatsächlich sind die Dinge etwas komplizierter und ein ausführlicher Ansatz findet sich bei Ellis (siehe #Weblinks).

Schaltungsaufbau

TODO

Neben dem Richtkoppler selbst sind für die Messexperimente weitere Hilfsmittel notwendig. Da nicht jeder die erforderlichen Signalquellen herumstehen hat, gibt es hier noch ein paar kleine Zusatzschaltungen, die eine Messung ermöglichen.

Richtkoppler

Im Hochfrequenzbereich gestaltet sich die Konstruktion von induktiven Bauelementen schwierig. Der gewählte Übertrager hat ein Windungsverhältnis von gerade einmal 2:8 auf einem FT50-Kern. Daher hier ein paar Hinweise zum Aufbau. Zuerst die 8 Windungen auftragen und gleichmäßig über den Kern verteilen, die beiden Drahtenden einmal umeinander Schlagen und parallel vom Kern weg führen.

2 Windungen mit guter Kopplung

Die gleichmäßige Verteilung von 2 Wicklungen gestaltet sich schon weit schwieriger, doch erfordert ein ordentlicher Richtkoppler eine gute magnetischen Kopplung zwischen den Übertrager­wicklungen. Den Aufbau erläutert die nebenstehende Grafik bei der es sich um einen Längsschnitt durch den Ringkern handelt. Wie zuvor ist das parallele Führen der Drähte von Bedeutung.

Damit es mit der Arithmetik des Richtkopplers am Ende passt, brauchen beide Wicklungen eine Markierung wo beide den gleichen Wickelsinn haben. Auf der Platine markieren Via-Löcher die Anschlüsse nach Wickelsinn. Die am Platinenrand liegenden Anschlüsse JP1+JP2 und JP5+JP6 sind für die zweifachen Wicklungen und die innen liegenden Anschlüsse JP7+JP8 und JP3+JP4 dienen zur Kontaktierung der achtfachen Wicklungen.

Die beiden BNC-Buchsen X3 und X4 bleiben unbestückt wofür stattdessen R1 und R2 sowie JP9+JP10 mit Lötnägeln als Klemmpunkte und Terminierung dienen. Die großen Bohrungen an den Ecken bekommen eine 20mm lange M3-Schraube samt Mutter verpasst und dienen als Standbeine für die Platine.

Testlasten

Die rücklaufende Welle entsteht meist durch Reflexionen am Ende der Leitung. Die verschiedenen Testlasten schaffen dadurch die Grundlage für die Messexperimente. Über die Lötnägel JP1 und JP2 lassen sich weitere Lasten austesten, insbesondere 100pF und 0,33µH mit je 50-Ω-Blindwiderstand. In die großen Bohrungen an den Ecken kommen M3-Schrauben als Standbeine.

Impulsgenerator

Beim Aufbau des Impulsgenerators gibt es nicht all zu viel zu beachten. Die Bezeichnung NB steht für „nicht bestücken“ und 0-Ω-Widerstände sind schlicht Drahtbrücken. Aufgrund des Spannungsregler genügt ein ungeregeltes Steckernetzteil zur Versorgung und ein falsch eingestelltes Labornetzteil führt auch nicht unmittel bar zum Tod der Schaltung. Die Eingangsspannung mindestens 8 Volt betragen und eine Diode dient als Verpolungsschutz. Das Ausgangssignal besteht aus einem etwa 12ns kurzen Impuls mit einer Widerholfrequenz von einigen Kilohertz. In die großen Bohrungen an den Ecken kommen wieder M3-Schrauben als Standbeine.

Messexperimente

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Anwendung

• Stehwellenmessgerät
• S-Parametermessung / Netzwerkanalyse
  • Antennenvermessung
  • Filtervermessung
  • Verstärkervermessung
• Durchgangsdose in Antennenanlagen
• Messung der Sendeleistung
• Rückkanal im Kabelinternet

Zielgruppe / Intension

• Amateurfunker mit großem Interesse für Technik
• Ingenieure und Studenten mit Interesse zum Einstieg in den Bereich Mischer

TODO

Konzept:

• Impulsquelle (74HC132)
• Sinusquelle (30 MHz)
• verschiedene Abschlusswiderstände
• Antenne?

Oszilloskop mit 50 MHz Bandbreite

• Fertig kaufen bei eBay oder Box73 TDC-10 bzw. FA-NWT Reflexionsmesskopf

Vergleichbare Projekte

• Directional Coupler Vers 0.1, Richtkoppler Marke Eigenbau
• 4 Simple Directional Couplers, Innenleben von verschiedenen Stehwellenmessgeräten
• SWR-Meter mit Bargraphanzeige von DJ8JT

http://www.procom-deutschland.de/techinfo/e0207-feldstarke-strahlungsleistung

http://www.dbicorporation.com/ite.htm

Weblinks

• RF Directional Couplers von Michael G. Ellis, Ph.D.

Einkaufen

• Box73 Amateurfunkservice, Onlineshop der Zeitschrift Funkamateur