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HF-Richtkoppler – Grundlagen und effiziente Verwendung

Von Art Pini

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Hochfrequenzanwendungen wie Fahrzeugradare, 5G-Mobilfunk oder das IoT führen zu einer stetig wachsenden Zahl an HF-Quellen in elektronischen Systemen. Für alle diese Quellen ist eine Methode zur Überwachung und Steuerung des HF-Leistungspegels erforderlich, ohne dass dabei Verluste in der Übertragungsleitung und an der Last anfallen. Manche Anwendungen erfordern außerdem eine hohe Sendeleistung, sodass die Entwickler einen Weg zur Überwachung der Ausgangssignale finden müssen, ohne empfindliche Instrumente direkt anzuschließen, da sie durch hohe Signalpegel beschädigt werden könnten.

Doch es gibt noch weitere Herausforderungen, wie beispielsweise die Ermittlung der charakteristischen Eigenschaften einer HF-Last (z. B. einer Antenne) über einen weiten Frequenzbereich oder die Überwachung von Lastabweichungen und des Stehwellenverhältnisses beim Senden, um eine hohe reflektierte Leistung und eine Beschädigung des Verstärkers zu vermeiden.

Die Lösung für diese Anforderungen und Herausforderungen liegt in der Verwendung von Richtkopplern, die in eine Übertragungsleitung integriert werden. Sie ermöglichen eine präzise Überwachung des HF-Leistungsflusses in der Leitung und verringern dabei die Leistungspegel um einen bekannten, festen Betrag. Das Hauptleitungssignal wird durch die Richtkoppler beim Abtastprozess nur minimal gestört. Sie können zwischen Vorwärtsleistung und reflektierter Leistung unterscheiden und gestatten eine Überwachung der Rückflussdämpfung oder des Stehwellenverhältnisses, die ein Feedback zu Laständerungen während des Sendevorgangs liefert.

Dieser Artikel behandelt den Betrieb von Richtkopplern und stellt drei Topologien sowie entsprechende Beispiele von Anaren, M/A-Com und Analog Devices vor. Anschließend geht er auf ihre typischen Merkmale ein und zeigt, wie sie effektiv eingesetzt werden.

Was ist ein Richtkoppler?

Ein Richtkoppler ist ein Messgerät, das in die Übertragungsleitung zwischen einer HF-Quelle – z. B. einem Signalgenerator, Vektor-Netzwerkanalysator oder Sender – und einer Last integriert wird. Es misst sowohl die HF-Leistung von der Quelle zur Last – die Vorwärtskomponente – als auch die von der Last zur Quelle reflektierte Leistung. Über die Vorwärts- und reflektierten Komponenten können die Gesamtleistung, die Rückflussdämpfung und das Stehwellenverhältnis der Last berechnet werden.

Richtungskoppler sind Schaltungen mit vier Ports, die als Komponenten mit drei oder vier Anschlüssen konfiguriert sind.

Schaltplan-Symbole für einen Richtkoppler mit drei und mit vier PortsAbbildung 1: Die Schaltplan-Symbole für einen Richtkoppler mit drei (links) und mit vier Ports (rechts). (Bildquelle: Digi-Key Electronics)

Die Quelle ist üblicherweise mit dem Eingangsport des Kopplers und die Last mit dem Ausgangsport verbunden. Das Ausgangssignal am Kopplungsport ist eine gedämpfte Version des Vorwärtssignals. Der Dämpfungswert kann wie im Beispiel mit drei Ports gezeigt angegeben werden. Der isolierte Port, der bei der 3-Port-Version intern terminiert ist, befindet sich bei der 4-Port-Version außen und sein Ausgangssignal ist proportional zum reflektierten Signal. Pfeile in den Schaltplan-Symbolen zeigen den Komponentenpfad an. Beispielsweise ist in der 4-Port-Konfiguration der Eingangsport mit dem Kopplungsport verbunden, wodurch angezeigt wird, dass er die Vorwärtskomponente empfängt. Der Ausgangsport hingegen ist mit dem isolierten Port verbunden, der das reflektierte Signal liest. Portnummern sind nicht standardisiert und können sich von Hersteller zu Hersteller unterscheiden. Unter den Lieferanten ist die Nomenklatur für die Ports einheitlicher.

Koppler sind symmetrische Komponenten, sodass die Verbindungen umgekehrt werden können. Bei der 3-Port-Komponente führt eine Umkehr von Eingangs- und Ausgangsport dazu, dass der dritte Port zum isolierten Port wird. Bei der 4-Port-Komponente führt eine Umkehr von Eingangs- und Ausgangsport dazu, dass der Kopplungsport und der isolierte Port wechseln.

Bei den Ausgangssignalen des Kopplers handelt es sich um HF-Signale. Die Ausgangssignale des Kopplungsports und des isolierten Ports werden üblicherweise mit einem Spitzenwert- oder RMS-Detektor verbunden, der ein Basisbandsignal erzeugt, das mit den Pegeln der Vorwärts- und der reflektierten Leistung zusammenhängt. Die Kombination aus dem Richtkoppler und den zugehörigen Detektoren wird als Reflektometer bezeichnet.

In manchen Fällen werden zwei Richtkoppler hintereinander geschaltet, um einen zweifachen Richtkoppler zu erhalten. Hierdurch werden Verluste zwischen Kopplungs- und isoliertem Port minimiert.

Spezifikationen von Richtkopplern

Richtkoppler sind durch mehrere wesentliche Merkmale spezifiziert. Hierzu zählen Bandbreite, Nenneingangsleistung, Einfügedämpfung, Frequenzflachheit, Kopplungskoeffizient, Richtwirkung, Isolierung und Stehwellenverhältnis (VSWR, Voltage Standing Wave Ratio).

Bandbreite: Die Bandbreite des Kopplers gibt den Frequenzbereich (in Hertz) an, für den der Koppler innerhalb seiner Spezifikationen konzipiert ist.

Nenneingangsleistung: Koppler weisen sowohl für Dauerstrich- als auch für gepulste Eingangssignale eine maximale Eingangsleistung (angegeben in Watt) auf. Hierbei handelt es sich um die maximalen Leistungspegel, für die die Komponente geeignet ist, ohne dass sich ihre Leistung verschlechtert oder sie beschädigt wird.

Einfügedämpfung: Sie beschreibt die Verlustleistung (angegeben in Dezibel (dB)) aufgrund der Integration der Komponente in den Hauptübertragungspfad.

Frequenzflachheit: Die Frequenzflachheit gibt die Schwankung der Amplitudenantwort des Hauptübertragungspfads (in dB) über die angegebene Bandbreite der Komponente als Funktion der Frequenzschwankung des Eingangssignals an.

Kopplungskoeffizient oder Koppelfaktor: Der Kopplungskoeffizient ist das Verhältnis der Eingangsleistung zur Leistung am Kopplungsport (in dB), wenn der Koppler an allen Ports ordnungsgemäß terminiert ist. Hierbei handelt es sich um eines der primären Merkmale des Richtkopplers. Das Ausgangssignal am Kopplungsport ist um diesen bekannten Faktor proportional zum Leistungspegel im direkten Pfad vom Eingang zum Ausgang. Der gekoppelte Ausgang kann mit einer anderen Instrumentierung, z. B. einem Oszilloskop, verbunden werden, ohne dass Gefahr besteht, das Instrument zu überlasten.

Isolierung: Das Verhältnis der Leistung (in dB) am Eingangsport zur Leistung am isolierten Port, wobei alle Ports ordnungsgemäß terminiert sind.

Richtwirkung: Das Verhältnis der Leistung (in dB) am Kopplungsport zur Leistung am isolierten Port, wobei alle Ports ordnungsgemäß terminiert sind. Für einen Koppler mit drei Ports werden zwei Leistungsmessungen durchgeführt: eine in die normale Vorwärtsrichtung und eine mit umgekehrten Eingangs- und Ausgangsports. Diese Spezifikation ist ein Maß für die Trennung der Vorwärts- und der reflektierten Komponente. Im Allgemeinen gilt: Je höher die Richtwirkung, desto besser die Performance des Kopplers. Die Richtwirkung kann nicht direkt gemessen werden. Sie wird stattdessen basierend auf der Isolationsmessung und der umgekehrten Isolationsmessung berechnet.

VSWR: Das gemessene Stehwellenverhältnis, wobei alle Ports des Kopplers ordnungsgemäß terminiert sind. Dieser Wert ist ein Maß für den Impedanzabgleich des Kopplers.

Topologien für Richtkoppler

Richtkoppler können auf verschiedene Weise realisiert werden. Die drei gängigsten Topologien sind der HF-Transformator, die resistive Brückenschaltung oder gekoppelte Übertragungsleitungen. Für die Topologie auf Transformatorbasis werden zwei HF-Transformatoren verwendet (Abbildung ). Hier misst der Transformator T1 den Hauptleitungsstrom zwischen Eingang und Last. Ein zweiter Transformator T2 misst die Spannung an der Hauptleitung relativ zur Masse. Der Koppelfaktor wird über das Übersetzungsverhältnis N des Transformators festgelegt.

Schaltplan der Topologie für einen Richtkoppler auf Basis eines HF-TransformatorsAbbildung 2: Die Topologie für einen Richtkoppler auf Basis eines HF-Transformators verwendet zwei HF-Transformatoren, um sowohl die Vorwärts- als auch die reflektierte Komponente der Hauptleitung zu messen. (Bildquelle: Digi-Key Electronics)

Der theoretische Betrieb dieses Richtkopplertyps kann analysiert werden, indem man die in der gekoppelten Leitung von jedem Transformator induzierten Spannungen einzeln kombiniert und die Ergebnisse anschließend addiert (Abbildung 3). Vin ist die Durchlassspannung und VL die reflektierte Spannung.

Schaltplan der Analyse des Kopplers auf TransformatorbasisAbbildung 3: Diese Abbildung zeigt die Analyse des Kopplers auf Transformatorbasis durch Analyse der jeweiligen Spannungsbeiträge beider Transformatoren zur gekoppelten Leitung. (Bildquelle: Digi-Key Electronics)

Der Beitrag des Strommesswandlers zur gekoppelten Leitung für den Kopplungsport (VF’) und den isolierten Port (VR’) wird im oberen Schaltplan berechnet, wobei der Spannungswandler aus dem Schaltplan entfernt wird. Auf ähnliche Weise wird der Beitrag zu diesen zwei Ports durch den Spannungswandler im unteren Schaltplan mit VF” und VR” berechnet, wobei der Strommesswandler entfernt wird. Die Spannung VF am Kopplungsport wird durch Addition von VF’ und VF” bestimmt:

Gleichung 1 Gleichung 1

Die sich am Kopplungsport ergebende Spannung ist die Eingangsspannung geteilt durch das Übersetzungsverhältnis des Transformators.

Ebenso ergibt sich durch Kombination von VR’ und VR” die Spannung am isolierten Port:

Gleichung 2 Gleichung 2

Die Spannung am isolierten Port wird berechnet, indem der negative Wert der reflektierten Spannung durch das Übersetzungsverhältnis des Transformators geteilt wird. Das negative Vorzeichen zeigt an, dass die reflektierte Spannung zur Durchlassspannung um 180° phasenverschoben ist.

Die Performance eines Richtkopplers dieses Typs ist gut über einen weiten Frequenzbereich, wie man am MACP-011045von M/A-Com sehen kann, der eine Bandbreite von 5 bis 1.225 Megahertz (MHz) aufweist. Dieser Koppler auf Transformatorbasis hat einen Koppelfaktor von 23 dB und eine Nennleistung von 10 Watt. Die Isolierung ist frequenzabhängig und variiert von 45 dB für Frequenzen unter 30 MHz bis 27 dB für Frequenzen über 1 Gigahertz (GHz). Er ist in einem Gehäuse zur Oberflächenmontage mit Abmessungen von 6,35 Millimeter (mm) x 7,11 mm x 4,1 mm untergebracht und somit mit den meisten drahtlosen Anwendungen kompatibel.

Ein auf gekoppelten Übertragungsleitungen aufgebauter Koppler basiert auf Koaxialkabeln oder den Übertragungsleitungen einer gedruckten Schaltung. Zwei oder mehr Übertragungsleitungen, üblicherweise eine Viertelwellenlänge lang, werden unmittelbar nebeneinander platziert, sodass eine geringe, gesteuerte Menge der Signalleistung von der Hauptleitung auf eine oder mehrere gekoppelte Leitungen übergeht (Abbildung 4).

Schaltplan eines Beispiels für einen zweifachen Richtkoppler aus gekoppelten ÜbertragungsleitungenAbbildung 4: Diese Abbildung zeigt ein Beispiel für einen zweifachen Richtkoppler aus gekoppelten Übertragungsleitungen. Die Leitungen sind üblicherweise Abschnitte von der Länge einer Viertelwelle entsprechend der Mittenfrequenz. (Bildquelle: Digi-Key Electronics)

Das Eingangssignal wird an Port 1 angelegt und der Großteil der Leistung wird zur Last an Port 2 übertragen. Eine geringe Leistung wird an die gekoppelten sekundären Leitungen abgegeben, die mit den Ports 3 und 4 verbunden sind. Port 3 ist der Kopplungsport. Der Leistungspegel an diesem Port ist ein fester Anteil der anliegenden Leistung. Der Kopplungskoeffizient, eine Funktion der Geometrie der gekoppelten Leitungen, beschreibt die Leistung am Kopplungsport. Die reflektierte Leistung ist mit Port 4 gekoppelt, dem isolierten Port.

Der 11302-20 von Anaren ist ein typischer, aus gekoppelten Übertragungsleitungen bestehender Richtkoppler, der einen Frequenzbereich von 190 bis 400 MHz abdeckt und für bis zu 100 Watt geeignet ist. Er verfügt über einen angegebenen Koppelfaktor von 20 dB mit einer Einfügedämpfung von 0,3 dB. Er ist in einem Gehäuse zur Oberflächenmontage mit den Abmessungen 16,51 mm x 12,19 mm x 3,58 mm untergebracht und zur Überwachung von Messungen des Leistungspegels und des VSWR bei gemäßigten Leistungstransmittern konzipiert. Die Abmessungen für diesen Kopplertyp hängen mit dem Frequenzbereich zusammen. Wenn die Betriebsfrequenz abnimmt, muss die Länge zunehmen. Diese Koppler werden im Allgemeinen für UHF- und höhere Frequenzen verwendet, für die kleinere Abmessungen möglich sind.

Die letzte Topologie für Richtkoppler ist die Richtbrücke, ein Schaltkreis, der mit der klassischen Wheatstone-Brücke verwandt ist. Diese Topologie kommt im RMS- und VSWR-Detektor ADL5920 von Analog Devices zum Einsatz (Abbildung 5).

Schaltplan der bidirektionalen Brücke, die im RMS- und VSWR-Detektor ADL5920 von Analog Devices verwendet wirdAbbildung 5: Ein vereinfachter Schaltplan der bidirektionalen Brücke, die im RMS- und VSWR-Detektor ADL5920 von Analog Devices verwendet wird. Die gezeigte Berechnung ergibt eine Richtwirkung von 33 dB basierend auf der Analyse einer ordnungsgemäß terminierten Bedingung. (Bildquelle: Analog Devices)

Der ADL5920 verwendet eine resistive Brücke, um die Durchlassspannung und die reflektierte Spannung in einer Übertragungsleitung zu separieren. Die gezeigte Gleichung berechnet die theoretische Richtwirkung der Komponente für niedrige Frequenzen mit der angegebenen Terminierung. Das Ergebnis liefert eine Richtwirkung von 33 dB. Die Ausgangsspannungen VREV und VFWD der Brücke werden mit einem Dynamikbereich von 60 dB den RMS-Detektorstufen zugeführt. Die Detektorausgänge werden linear in dB ausgegeben. Ein dritter Ausgang, der vom Unterschied zwischen der Durchlassspannung und der reflektierten Spannung abgeleitet wird, erzeugt eine Spannung, die proportional zur Rückflussdämpfung in dB ist. Der brückenbasierte Koppler deckt einen Frequenzbereich von 9 kHz bis 7 GHz ab bei einer Nennleistung von 33 dBm (2 Watt) für eine angepasste Last von 50 Ohm (Ω). Die Einfügedämpfung variiert von 0,9 dB bei 10 MHz bis 2 dB bei 7 GHz. Die Komponente ist in einem Gehäuse zur Oberflächenmontage (5 mm x 5 mm) mit einer Stärke von 0,75 mm untergebracht.

Analog Devices hat für den ADL5920 die Evaluierungskarte ADL5920-EVALZ im Angebot. Sie ist vollständig bestückt und erfordert eine Spannungsquelle mit 5 Volt und 200 Milliampere (mA). Ein- und Ausgänge sind über 2,92-mm-Steckverbinder verfügbar. Selbiges gilt für die primären Ausgänge. Der Schaltplan zeigt die typischen Verbindungen, die für den ADL5920 erforderlich sind (Abbildung 6). Hierbei handelt es sich um ein ideales Tool, um den ADL5920 mit minimalem Aufwand zu testen.

Schaltplan der Evaluierungskarte ADL5920-EALZ von Analog Devices (zum Vergrößern anklicken)Abbildung 6: Der Schaltplan der Evaluierungskarte ADL5920-EALZ zeigt typische Verbindungen, die für den bidirektionalen RMS- und VSWR-Detektor ADL5920 von Analog Devices erforderlich sind. (Bildquelle: Analog Devices)

Die Implementierung des Richtkopplers über eine resistive Brücke bietet den weitesten Frequenzbereich (sehr nahe an Gleichstrom). Die Versionen mit Transformatoren und Übertragungsleitungen weisen stärkere Einschränkungen bei der Bandbreite auf, bieten jedoch beide höhere Leistungsgrenzen.

Jede dieser Komponenten kann verwendet werden, um die Eingangsleistung zur Verwendung in Signalüberwachungsschaltkreisen abzugreifen. Der abgegriffene Wert kann gemessen werden, um mithilfe traditioneller Instrumente wie beispielsweise einem Oszilloskop oder einem Spektrumanalysator den Leistungspegel, die Frequenz und die Modulation zu bestimmen. Die Daten können auch als Bestandteil einer Rückkopplungsschleife integriert werden, die den Ausgang innerhalb der gewünschten Grenzen hält.

Die Bedingungen an der Last werden über das Stehwellenverhältnis (VSWR) angezeigt. Das VSWR der Last am Ausgangsport kann mithilfe der Ausgänge am Kopplungsport und am isolierten Port berechnet werden, die für die Durchlassspannung bzw. die reflektierte Spannung stehen.

Gleichung 3 Gleichung 3

Die Rückflussdämpfung kann über das VSWR berechnet werden:

Gleichung 4 Gleichung 4

Fazit

Der Richtkoppler ist eine hilfreiche Messeinrichtung für die Entwickler von HF-Systemen. Er liefert nicht nur eine amplitudenskalierte Anzeige der HF-Leistungspegel, sondern trennt auch das Vorwärtssignal und das reflektierte Signal voneinander, um die Last besser charakterisieren zu können. Wie gezeigt sind hierfür drei gängige Kopplertopologien verfügbar, die in kleinen Gehäusen untergebracht und mit drahtlosen Geräten kompatibel sind.

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Über den Autor

Art Pini

Arthur (Art) Pini ist ein aktiver Autor bei Digi-Key Electronics. Seine Abschlüsse umfassen einen Bachelor of Electrical Engineering vom City College of New York und einen Master of Electrical Engineering von der City University of New York. Er verfügt über mehr als 50 Jahre Erfahrung in der Elektronikbranche und war in leitenden Positionen in den Bereichen Technik und Marketing bei Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek und Nicolet Scientific tätig. Er hat Interesse an der Messtechnik und umfangreiche Erfahrung mit Oszilloskopen, Spektrumanalysatoren, Generatoren für beliebige Wellenformen, Digitalisierern und Leistungsmessern.

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