Urvashi Sengal
Anwendungsingenieur, Mini-Schaltungen
Richtkoppler sind eine wichtige Art von Signalverarbeitungsgerät. Ihre Grundfunktion besteht darin, HF—Signale mit einem vorbestimmten Kopplungsgrad mit hoher Isolation zwischen den Signalports und den abgetasteten Ports abzutasten – was die Analyse, Messung und Verarbeitung für viele Anwendungen unterstützt. Da es sich um passive Geräte handelt, arbeiten sie auch in umgekehrter Richtung, wobei Signale entsprechend der Direktionalität und dem Grad der Kopplung der Geräte in den Hauptpfad eingespeist werden. Es gibt einige Variationen in der Konfiguration von Richtkopplern, wie wir unten sehen werden.
Idealerweise wäre ein Koppler verlustfrei, abgestimmt und reziprok. Die grundlegenden Eigenschaften von Drei- und Vier-Port-Netzwerken sind Isolation, Kopplung und Richtwirkung, deren Werte zur Charakterisierung der Koppler verwendet werden. Ein idealer Koppler hat eine unendliche Richtwirkung und Isolation sowie einen für die beabsichtigte Anwendung ausgewählten Kopplungsfaktor.
Das Funktionsdiagramm in Fig. 1 veranschaulicht die Funktionsweise eines Richtkopplers, gefolgt von einer Beschreibung der zugehörigen Leistungsparameter. Das obere Diagramm ist ein 4-Port-Koppler, der sowohl gekoppelte (Vorwärts-) als auch isolierte (Rückwärts- oder reflektierte) Ports enthält. Das untere Diagramm ist eine 3-Port-Struktur, die den isolierten Port eliminiert. Dies wird in Anwendungen verwendet, die nur einen einzigen vorwärts gekoppelten Ausgang benötigen. Der 3-Port-Koppler kann in umgekehrter Richtung angeschlossen werden, wobei der zuvor gekoppelte Port zum isolierten Port wird:
Abbildung 1: Grundlegende Richtkopplerkonfigurationen
Leistungsmerkmale:
- Kopplungsfaktor: Dies gibt den Bruchteil der Eingangsleistung (bei P1) an, die an den gekoppelten Port geliefert wird, P3
- Richtwirkung: Dies ist ein Maß für die Fähigkeit des Kopplers, Wellen zu trennen, die sich in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung ausbreiten, wie an den gekoppelten (P3) und isolierten (P4) Ports beobachtet
- Isolation: Gibt die an die entkoppelte Last (P4) gelieferte Leistung an
- Einfügedämpfung: Dies berücksichtigt die an den übertragenen (P2) Port gelieferte Eingangsleistung (P1), die durch die an die gekoppelten und isolierten Ports gelieferte Leistung reduziert wird.
Die Werte dieser Eigenschaften in dB sind:
Kopplung = C = 10 log (P1/P3)
Richtwirkung = D = 10 log (P3/P4)
Isolation = I = 10 log (P1/P4)
Einfügedämpfung = L = 10 log (P1/P2)
Richtkoppler:
Diese Art von Koppler hat drei zugängliche Ports, wie in Abb. 2, wobei der vierte Port intern terminiert ist, um eine maximale Richtwirkung bereitzustellen. Die Grundfunktion eines Richtkopplers besteht darin, das isolierte (umgekehrte) Signal abzutasten. Eine typische Anwendung ist die Messung der reflektierten Leistung (oder indirekt VSWR). Obwohl es in umgekehrter Richtung angeschlossen werden kann, ist diese Art von Koppler nicht reziprok. Da einer der gekoppelten Ports intern terminiert ist, steht nur ein gekoppeltes Signal zur Verfügung. In die vorwärts richtung (wie gezeigt), die gekoppelt port proben die reverse welle, aber wenn verbunden in die rückwärts richtung (RF Eingang auf der rechten), die gekoppelt port wäre eine probe der vorwärts welle, reduziert durch die kupplung faktor. Mit dieser Verbindung kann die Vorrichtung als Abtaster zur Signalmessung verwendet werden, oder um einen Teil des Ausgangssignals einer Rückkopplungsschaltung zuzuführen.
Bild 2: 50 Ohm Richtkoppler
Vorteile:
- Die Leistung kann für den Vorwärtspfad optimiert werden
- Hohe Richtwirkung und Isolation
- Die Richtwirkung eines Kopplers wird stark durch die Impedanzanpassung beeinflusst, die durch die Terminierung am isolierten Port bereitgestellt wird. Die interne Terminierung gewährleistet eine hohe Leistung
Nachteile:
- Die Kopplung ist nur auf dem Vorwärtspfad verfügbar
- Keine gekoppelte Leitung
- Die Nennleistung des gekoppelten Anschlusses ist geringer als die des Eingangsanschlusses, da die an den gekoppelten Anschluss angelegte Leistung fast vollständig in der internen Terminierung abgeführt wird.
Beispiel:
Mini-Circuits ZCDC20-E18653+ ist ein koaxialer Richtkoppler mit 20 dB Nennkopplung im Frequenzbereich von 18 bis 65 GHz. Dieses Modell bietet eine HF-Eingangsleistung von bis zu 12 W und einen Gleichstrom von bis zu 0.48A
Abbildung 3: Leistungskurven für Mini-Circuits‘ ZCDC20-E18653+
Bidirektionale Koppler:
Dieser Kopplertyp verfügt über vier Anschlüsse, die alle für den Kunden zugänglich sind. Es hat ein symmetrisches Design, so dass Vorwärts- und Rückwärtssignale gleichzeitig abgetastet werden können. Es liegt in der Verantwortung des Designers, beide gekoppelten Ports ordnungsgemäß abzugleichen oder zu beenden.
Abbildung 4: Schaltplan des bidirektionalen Kopplers
Vorteile:
- Symmetrische design
- Eingang und ausgang ports sind austauschbar
- Es sind zwei übertragung linien. Gekoppelte linie funktioniert die gleiche wie die hauptleitung
- Es hat vorwärts und rückwärts kupplung
Nachteile:
- Das Design ist entscheidend für die Aufrechterhaltung einer guten Leistung in beide Richtungen.
- Die Richtwirkung des Kopplers hängt davon ab, wie gut der isolierte Anschluss abgeschlossen ist.
Beispiel:
Der ZGBDC35-93HP+ von Mini-Circuits ist ein koaxialer bidirektionaler Koppler mit einer Nennkopplung von 35 dB über den Frequenzbereich von 900 bis 9000 MHz. Dieses modell bietet 250 W RF eingang power handhabung und geht DC strom bis zu 3A
Abbildung 5: Leistungskurven für Minikreise ZGBDC-93HP+ bidirektionaler Koppler.
Zweiwegkupplungen:
Dieser dritte Kopplertyp ist eine Kombination aus zwei 3-Port-Kopplern, deren Hauptleitungen kaskadiert sind und deren intern abgeschlossene Anschlüsse an der Schnittstelle zwischen den Kopplern einander zugewandt sind. Diese Konfiguration bietet eine bidirektionale Kopplerwirkung, jedoch mit unabhängiger Verwendung der gekoppelten Ports. Der Hauptvorteil besteht darin, dass eine nicht übereinstimmende Last, die auf einen der Ports angewendet wird, den anderen nicht beeinflusst.
Abbildung 6: Schaltplan des dualen Richtkopplers
Vorteile:
- Leistung kann sowohl für Vorwärts- als auch für Rückwärtspfade optimiert werden
- Höhere Richtwirkung und Isolation können erreicht werden
- Bietet Vorwärts- und Rückkopplung
- Die Richtwirkung eines Pfades wird nicht durch Fehlanpassungen auf dem anderen Pfad beeinflusst
- Kann auch zur gleichzeitigen Überwachung der Vorwärts- und Rückwärtsleistung eines Systems verwendet werden
Nachteile:
- Beinhaltet in der Regel zwei Back-to-Back-Richtkoppler
- Größere Größe im Vergleich zu direktionalen und bidirektionalen Kopplern
- Es ist keine gekoppelte Leitung vorhanden (an beiden Enden nicht zugänglich)
- Höhere Einfügedämpfung als bei ein- und bidirektionalen Kopplern
Beispiel
Mini-Schaltungen DDCH-50-13+ ist ein streifenleitungsbasierter oberflächenmontierter Zweirichtungskoppler mit einem Nennkopplungsverhältnis von 50 dB über den Frequenzbereich von 20 bis 1000 MHz. Dieses modell bietet bis zu 120 W RF eingang power handhabung und DC strom vorbei bis zu 4A.
Abbildung 7: Leistungskurven für Mini-Schaltungen DDCH-50-13+ dual-Richtkoppler
Richtkoppleranwendungen
Bei Anschluss wie in Abb. 2 zeigt, liefert der Koppler eine Probe der reflektierten Welle am gekoppelten Port. Dies ermöglicht die Messung der reflektierten Leistung, die den Grad der Fehlanpassung der Last darstellt. Wenn diese Konfiguration am Senderausgang platziert wird, kann sie das VSWR des Antennensystems sowohl zur Messung als auch zur Überwachung überwachen. Viele RF-Systeme umfassen Anpassungen für minimales VSWR, während andere Entdeckung des übermäßigen VSWR für Stromkreisschutz, normalerweise umfassen, indem sie entweder Energie verringern oder herunterfahren.
Abbildung 8: Schema eines 3-Port-Richtkopplers in einem einfachen Reflektometer-Setup.
Vorwärtsabtastung
Bei umgekehrter Verbindung liefert der gekoppelte Port eine Abtastung des Ausgangs (Vorwärtssignal), die durch den Kopplungsfaktor gedämpft wird. Dieses Beispiel kann für Wellenformüberwachung, Spektrumanalyse und andere Test- und Messfunktionen verwendet werden.
Nivellierter Generator
Die Probe kann auch zur Ansteuerung von Rückkopplungsschaltungen verwendet werden. Eine wichtige Anwendung dieser Art ist das Nivellieren der Amplitude eines Signalgenerators, wodurch eine konstante Signalquelle für ein Testsystem bereitgestellt wird.
Abbildung 9: Schematische Darstellung eines 3-Port-Richtkopplers in einem nivellierten Generatoraufbau.
Empfänger-Intermodulations-Testaufbau
Die Testsignale für die 2-Ton-Prüfung können entweder in einem Richtkoppler oder in einem Leistungskombinator kombiniert werden. Beide Methoden sorgen für die notwendige Isolation zwischen den Signalquellen.
Abbildung 10: Schematische Darstellung eines 3-Port-Richtkopplers in einem Empfänger-Intermodulations-Testaufbau.
Bidirektionale Koppleranwendungen
Obwohl reflektierte Leistung oder VSWR wichtig ist, kann es nützlicher sein, sowohl vorwärts- als auch reflektierte Signale gleichzeitig abzutasten. Diese Funktion wird durch einen bidirektionalen Koppler bereitgestellt, der die Überwachung oder Messung der Ausgangsleistung (vorwärts) und der reflektierten Leistung (rückwärts) ermöglicht. Integrierte Testsysteme (BIT), Produktionstests und routinemäßige Betriebsüberwachung profitieren alle von der bidirektionalen Kopplung.
Reflektometer
Dies ist ein Schaltungselement, das die Messung der Vorwärtsleistung und der reflektierten Leistung ermöglicht (normalerweise als VSWR kalibriert). Dies ist eine gängige und sehr nützliche Testfunktion in HF-Labor- und Produktionstestumgebungen. Ein Reflektometer kann entweder der Abtastteil eines eigenständigen Leistungs- / VSWR-Messgeräts sein oder als Komponente in einem Testsystem, einer Kommunikationsausrüstung oder einem anderen HF-System (z. B. MRT oder HF-Heizung) implementiert sein.
Dual Directional Coupler Anwendungen
Wie oben erwähnt, und in Fig. 4 wirkt der Doppelrichtungskoppler als bidirektionaler Koppler, jedoch mit getrennten Vorwärts- und Rückkopplungspfaden. Dadurch wird eine Isolation bereitgestellt, die die Auswirkungen einer Nichtübereinstimmung eines Pfads mit dem anderen Pfad beseitigt.
Reflektometer (Genauere Ergebnisse als bidirektional)
Die typische Verwendung von Bi- und Zweirichtungskopplern ist das Reflektometer. Bei der Implementierung unter Verwendung eines Doppelkopplers wird die Genauigkeit verbessert, insbesondere unter Bedingungen, bei denen ein gekoppelter Anschluss oder der andere eine signifikante Fehlanpassung aufweisen kann.
Zusammenfassung
Richtkoppler sind wichtige Bauelemente in HF-Systemen. Ihre Fähigkeit, entweder die Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung der Signalausbreitung abzutasten, ermöglicht eine breite Palette von Anwendungen in Test, Messung, Überwachung, Rückkopplung und Steuerung. Dieser Hinweis soll Systemdesignern helfen, die Funktion, Architektur und Leistung des Kopplers zu verstehen, um einen geeigneten Typ für ihre spezielle Anwendung auszuwählen.
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