Experimenteller Richtkoppler
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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 der 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
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.
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, JP2, JP3 und JP4 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 Spannungsreglers genügt ein ungeregeltes Steckernetzteil zur Versorgung der Schaltung und ein falsch eingestelltes Labornetzteil führt auch nicht unmittelbar zum Tod des CMOS-ICs. Die Eingangsspannung muss mindestens 8 Volt betragen und eine Diode dient als Verpolungsschutz.
Das Ausgangssignal besteht aus einem etwa 15ns kurzen Impuls mit einer Widerholfrequenz von einigen Kilohertz.
In die großen Bohrungen an den Ecken kommen wieder M3-Schrauben als Standbeine.
Sinusgenerator
Ein Sinussignal mit ausreichend hoher Frequenz gibt weitere Erkenntnisse über die Messtechnik mit Richtkopplern. Doch Signalgeneratoren mit 30 MHz stellt wohl für die meisten ein teurer Luxus dar. Ein einfacher Quarzoszillator für den 3. Oberton schafft abhilfe und mit einem Stecksockel lassen sich mehrere Frequenzen austesten. Da der erste Schaltungsentwurf Probleme mit Oberwellen hatte, enthält der Schaltplan noch einen nun hoffentlich überflüssigen PI-Filter, denn aus Materialmangel konnte die Schaltung bisher nur mit der Kombination BF199 und BC547A realisiert werden.
Das Ausgangssignal ohne Last sollte sich anschließend im Bereich von 1,5 VSS bewegen, mit der Quarzfrequenz schwingen und eine gute Sinusform zeigen.
Wie zuvor dienen M3-Schrauben in den Platinenecken als Standbeine.
Messexperimente
TODO
Idealerweise steht ein DSO mit einer Abtastrate von 1GS/s oder mehr bereit und kann mindestens 50 Mhz-Bandbreite vorweisen. So ist gesichert, das sich alle interessanten Ergebnisse darstellen lassen.
Impulsmessungen
Bei der ersten Messung soll die Reflexion von Impulsen untersucht werden. Hierzu dient der Impulsgenerator als Signalquelle und wird über ein fünf Meter langes Kabel mit dem Richtkoppler verbunden. Danach kommen wieder fünf Meter BNC-Kabel und die Testlasten als Abschluss. Die zwei 10:1-Tastköpfe kommen an die Ausgänge des Richtkopplers. Nach der Inbetriebnahme sind auf dem Oszilloskop der vor- und rücklaufende Impuls getrennt dargestellt. Einer der beiden Impulse geht nach unten, ist also negativ. Schuld daran ist der Richtkoppler, der je nach Durchlaufrichtung ein Signal invertiert. Damit in den folgenden Messungen kein durcheinander entsteht, empfiehlt sich die Markierung des invertierten Ausgangs. Der Kosmetik wegen bietet sich hier die Invertier-Funktion des Oszis an.
Elektrische Signale Breiten sich in handelsüblichen Koaxialkabeln (RG-58) nicht mit (Vakuum-)Lichtgeschwindigkeit aus sondern mit annähernd 5ns/m. Da zwischen Testlast, bisher Leerlauf, und Richtkoppler der Impuls zwei mal fünf Meter zurücklegt, liegt ein zeitlicher Versatz von 50ns vor. Bei Verwendung eines zwei Meter langen Kabel verringert sich entsprechend der Abstand. Zudem wirkt das Signal ziemlich schmutzig. Im Richtkoppler wirken zahlreiche parasitäre Effekte, auf deren Ursache des Komplexität wegen hier nicht weiter Eingegangen wird.
Soweit die erste Bestandsaufnahme. Mit den Testlasten lassen sich nun die Reflexionen weiter untersuchen. Das Gegenteil von Leerlauf bildet der Kurzschluss und der Impuls kommt invertiert zurück. Bei einem Abschluss mit der Leitungsimpedanz treten keine (kaum) Reflexionen auf und es gibt nur den vorlaufenden Impuls. Mit dem Poti lassen sich nun verschiedene Fehlanpassungen bewundern und der Punkt mit der besten Anpassung finden und anschließend mit dem Multimeter nachmessen.
Für die letzte Impulsmessung wird mit einer BNC-Kupplung ein 75Ω-Kabel angestückelt und mit 50Ω abgeschlossen nun zeigen sich eine zusätzliche Reflexionen am Übergang zwischen 50Ω- und 75Ω-Kabel.
Sinusmessungen
Bei einem Rechteckimpuls handelt es sich um ein sehr breitbandiges Signal, jedoch kommen in der Funktechnik nahezu ausschließlich schmalbandige Signale zum Einsatz. Daher folgen nun Messexperimente mit mit dem schmalbandigsten Signal überhaupt, nämlich dem Sinus.
Wenn es das DSO hergibt, dann wird der Nulldurchgang der vorlaufenden Welle mit einem Cursor markiert und der zweite Cursor entsprechend der Signallaufzeit dazu versetzt platziert. Weiterhin wird für einen Kanal die Invertierfunktion aktiviert, wie es schon bei der Impulsmessung geschah. Bei offenem Leitungsende findet wie schon zuvor auch beim Sinus ein gleichsinnige Reflexion statt. Mit kurzgeschlossenem Leitungsende erfolgt natürlich eine invertierte Reflexion. Bei Leitungsabschluss mit 50Ω bleibt trotzdem ein Sinus mit kleiner Amplitude als rücklaufende Welle sichtbar. Dabei liegt jedoch nicht ein ungenügender Leitungsabschluss vor, sondern die vorlaufende Welle koppelt durch und verfälscht das Messergebnis. Hierbei handelt es sich um einen systematischen Fehler, der sich für genaue Messungen weitgehend wieder herausrechnen lässt.
Unter solchen Bedingungen erschwert sich natürlich die Suche nach dem Punkt des besten Leitungsabschlusses über das Poti. Zudem tritt neben der Invertierung eine leichte Phasenverschiebung auf, das nicht nur am Poti, sondern auch am Aufbau liegt.
Über die Lötstifte kommen nun Spule (0,3 µH) und Kondensator (100pF) weitere Testlasten ins Spiel. Dabei findet wieder vollständige Reflexion des Signals statt, nur jeweils um 90° verschoben. Die Bauteilwerte wurden dabei nicht zufällig gewählt, sondern weißen jeweils einen Blindwiderstand von 50Ω auf. Andere Bauteilwerte führen zu einer anderen Phasenverschiebung. Beide Bauteile gleichzeitig als Last kompensieren sich und es liegt scheinbar ein offenes Leitungsende vor.
Ein eingefügte Leitung mit falscher Impedanz kann nicht von fehlerhaftem Leitungsabschluss unterschieden werden. Das Sinussignal besitzt Selbstähnlichkeit, sprich wiederholt sich ständig.
Reflexionen bei 100pF
Reflexionen bie 0,33µH
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
Verschiedenes
Fertige Richtkoppler werden in einschlägigen Onlineshops angeboten. Eine besondere Empfehlung stellt der TDC-10 von Mini-Circuits dar. Unter dem Stichwort Reflexionsmesskopf gibt es den bei Box73 auch als fertigen Bausatz samt BNC-Steckern.
Es sind fehlerhafte RG58-Kabel im Umlauf und weißen trotz Beschriftung nicht die 50Ω-Leitungsimpedanz auf. Eine Reflexionsmessung mit dem Impulsgenerator und 50Ω-Abschlusswiderstand gibt Aufschluss. Der Tastkopf misst dabei an Pin 11 von IC1.
TODO
- Antenne?
- Simulation
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.
- …
- (Nach Bedarf ergänzen)
- Vergleichbare Projekte
- Directional Coupler Vers 0.1, Richtkoppler Marke Eigenbau
- 4 Simple Directional Couplers, Innenleben von verschiedenen Stehwellenmessgeräten
- SWR-Meter mit Bargraphanzeige von DJ8JT
- …
- (Nach Bedarf ergänzen)
- Einkaufen
- Box73 Amateurfunkservice, Onlineshop der Zeitschrift Funkamateur