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Für einen Amateur war es schon immer schwierig breitbandige Richtkoppler mit niedriger Koppeldämpfung herzustellen. Microstrip-Koppler sind zwar für den, der die Möglichkeit dazu hat, leicht herzustellen. Die minimale Koppeldämpfung jedoch, die sich damit bei vernünftigem Richtverhältnis ergibt, liegt bei etwa 10 dB. Leistungsteiler (3-dBKoppler) dagegen, wie sie beispielsweise für Gegentaktmischer oder die Speisung von zirkularen Antennen erforderlich sind, lassen sich mit Microstrip-Technik kaum realisieren. Mit Triplate-Schaltungen kann man zwar diese Werte erreichen, die Leiterbahnen werden jedoch so dünn, daß man kaum größere Leistungen übertragen kann. Um Richtkoppler in althergebrachter Weise mit mechanisch aufwendigen Gebilden zu realisieren, fehlen auch den meisten Amateuren die nötigen Maschinen, ganz zu schweigen von dem Platz, den ein solcher Koppler beanspruchen würde.
Eine für den Eigenbau gute Lösung gibt es nun von Sage Laboratories Inc., nämlich ,Wireline" und ,Wirepac". Mit beiden Systemen lassen sich Richtkoppler von 3 bis 20 dB Koppeldämpfung im Frequenzbereich von 50 MHz bis 2,4 GHz aufbauen. Wireline ist die billigere Ausführung und hat ein Richtverhältnis (Directivity) von 20 dB. Wirepac hat ein Richtverhältnis von 30 dB, ist aber wesentlich teurer, und wird daher nicht weiter erwähnt.
1. Grundlagen
Der von uns betrachtete Typ ist ein Leitungsrichtkoppler und besteht - wie Bild 1 andeutet - aus zwei gekoppelten Leitungen.
Bild 1: Richtkoppler.
Die Koppeldämpfung ist frequenzabhängig und erreicht ihren Minimalwert bei einer Koppellänge von λ/4 (Bild 2).
Bild 2: Koppeldämpfung und Durchgangsdämpfung als Funktion der Frequenz.
Bei Anpassung (Bild 3) gilt: Wird ein Signal mit der Leistung P1 eingespeist, so steht an R2 die Leistung P2 = P1 - P1 × k; und an R3 die Leistung P3 = P1 × k; mit k = Koppelfaktor. Beim idealen Richtkoppler ist R4 leistungsfrei, da die diagonal gegenüberliegenden Eingänge voneinander entkoppelt sind. In Wirklichkeit liegt beim realen Richtkoppler eine um den Richtfaktor r verminderte Leistung an.
P4 = P1 × k × r (r = Richtfaktor)
demnach wird auch
P3 = P1 × k - P1 × k × r
Bild 3: Richtkoppler angepaßt.
Eine weitere Eigenschaft von Richtkopplern ist, daß die Signale der gekoppelten Ausgänge frequenzunabhängig eine Phasenlage von 90° zueinander haben.
2. Aufbau von Wireline
Es gibt 5 verschiedene Ausführungen, die sich durch die Art der Abschirmung und der maximal übertragbaren Leistung unterscheiden. Aus Bild 4 können wir den inneren Aufbau ersehen. Die nachstehende Tabelle 1 gibt die wesentlichen Unterschiede zwischen den einzelnen Typen an.
Bild 4: Aufbau Wireline.
| Typ | H | HB | HC | JB | JC |
|---|---|---|---|---|---|
| Schirm | Folienschirm doppelt | Kupfergeflecht | Kupferfestmantel | Kupfergeflecht | Kupferfestmantel |
| Pm/W | 100 | 100 | 100 | 200 | 200 |
| Ps/W | 2000 | 2000 | 2000 | 2000 | 2000 |
Durch den koaxkabelähnlichen Aufbau des Kopplers können wir die beiden gekoppelten Ausgänge auf eine Seite bringen, wie Bild 5 andeutet. Das bringt beim praktischen Aufbau viele Vorteile.
Bild 5: Koppler mit den gekoppelten Ausgängen auf einer Seite.
3. Berechnung der Koppler
3.1. Berechnung eines Kopplers mit bestimmter Koppeldämpfung bei einer bestimmten Betriebsfrequenz
Zur Berechnung muß man folgende Daten haben:
- gewünschte Mittenfrequenz fB (z. B. 435 MHz)
- gewünschte Koppeldämpfung ak (z. B. 10 dB)
Zunächst muß man das logarithmische Maß Koppeldämpfung (ak) in den linearen Koppelfaktor (k) umwandeln.
Für einen 10-dB-Koppler ergibt sich
Dann errechnet man aus der Betriebsfrequenz (fB) und dem Koppelfaktor die Frequenz (fq), bei der sich eine 3-dB-Kopplung ergibt.
Bei den vorgegebenen Werten fB = 435 MHz und k = 0,1 ergibt sich fq zu
Aus dieser Viertelwellenfrequenz (fq) errechnet man dann die Kopplerlänge l.
Für das Beispiel ergibt sich folgende Kopplerlänge:
Ein 10-dB-Koppler bei 435 MHz hätte demnach eine Länge von 23,38 mm.
3.2. Berechnung der Koppeldämpfung eines beliebigen Kopplers
Zur Berechnung benötigt man folgende Daten:
- Länge (l) des Kopplers in cm (z. B. 10 cm)
- Frequenz (f), bei der man die Koppeldämpfung errechnen möchte (z. B. 435 MHz).
Zunächst wird die Viertelwellenfrequenz (fq) des Kopplers berechnet.
In unserem Beispiel
Dann berechnet man den Koppelfaktor (k)
In unserem Beispiel
Aus dem Koppelfaktor errechnet man die Koppeldämpfung (ak)
Für das Beispiel ergibt sich dann
4. Praktische Anwendung von Wireline
4.1. Anwendung als Richtkoppler
Es versteht sich von selbst, daß man Wireline-Koppler zum Bestimmen des VSWR von Antennen und anderen Verbrauchern verwenden kann. Der Aufbau von VSWR-Brücken wird hier nicht weiter beschrieben, da diese bekannt sind. Als Dimensionierungshilfe für einen Richtkoppler bis 435 MHz kann jedoch Tabelle 2 herangezogen werden.
| f/MHz | ak/dB |
|---|---|
| 3,5 | 44,66 |
| 7,0 | 38,64 |
| 14,0 | 32,62 |
| 21,0 | 29,10 |
| 28,0 | 26,61 |
| 145,0 | 12,64 |
| 435,0 | 5,13 |
4.2. Anwendung als 3-dB-Koppler
Hier ergeben sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, wovon die wichtigsten beschrieben werden.
4.2.1. Speisung zirkularpolarisierter Antennen
Da die gekoppelten Ausgänge immer 90° (±1°) Phasenlage zueinander haben, läßt sich leicht eine dämpfungsarme, breitbandige, wenig aufwendige Zirkularspeisung von Antennen erreichen (Bild 7).
Bild 7: Richtkoppler zur Speisung von Zirkular-Antennen.
Richtkoppler nach Bild 5 verhalten sich wie 4/4 Λ-Hybrids (Bild 6). Eine an 1 bzw. A eingespeiste HF-Spannung wird je zur Hälfte an 2 und 3 bzw. C und D geführt. 4 bzw. B bleibt entkoppelt. Eine an 4 bzw. B eingespeiste HF-Spannung wird je zur Hälfte an 2 und 3 bzw. C und D geführt. 1 bzw. A bleibt entkoppelt. 2 + 3 bzw. C + D haben eine Phasenlage von 90° zueinander (beim 4/4 λ-Hybrid nur in Bandmitte)
Bild 6: Vergleich Koppler 4/4 λ-Hybrid.
Wird z. B. an 1 eingespeist und 4 mit 500 abgeschlossen, ergibt sich z. B. linksdrehend zirkulare Polarisation. Wird an 4 eingespeist und 1 mit 500 abgeschlossen, ergibt sich rechtsdrehend zirkulare Polarisation. Die aktuelle Polarisationsart wird natürlich auch durch die Phasenlage der Einzelantenne beeinflußt. Ein Verdrehen der Phasenlage am Antennenfußpunkt einer Einzelantenne um 180° verändert eine linksdrehende in eine rechtsdrehende Polarisation.
Wie man leicht sieht, ist die Polarisationsumschaltung nicht so kritisch wie mit herkömmlicher Umwegleitungstechnik, wo die Umschalt-Relais in die Phasenlaufzeit einbezogen werden. Bei der hier beschriebenen Speisungsart liegen die Relais noch vor dem phasendrehenden 3-dB-Koppler (Bild 8). Man muß nur darauf achten, daß die Antennenzuleitungen gleich lang sind. Die Abschlußwiderstände müssen bei guter Antennenanpassung mit einem hundertstel der Sendeleistung belastet werden können.
Bild 8: Umschaltung rechts-linksdrehend zirkular.
4.2.2. Aufbau von Gegentaktmischern
Eine weitere Verwendung finden Wireline 3-dB-Koppler beim Bau von Gegentaktmischern (Bild 9). Die so aufgebauten Mischer haben eine Bandbreite von einer Oktave (Frequenzverhältnis 1:2).
Bild 9: Gegentaktmischer mit 3-dB-Koppler.
4.2.3. Aufbau von Breitband-Leistungsverstärkern
Bei höheren Frequenzen ist es schwierig, Breitbandverstärker zur Erzielung höherer Leistungen parallel zu schalten. Meistens werden hierzu 4/4 λ-Hybrids verwendet; also kann man auch hier Wireline 3-dB-Koppler einsetzen, die zudem noch weniger Platz beanspruchen (Bild 10).
Bild 10: Breitbandverstärker mit Richtkoppler.
4.3. Tabelle der gebräuchlichsten Koppler
| f/MHz | 3 dB | 6 dB | 10 dB | 20 dB |
|---|---|---|---|---|
| 3,5 | zu lang | zu lang | zu lang | 860 mm |
| 7,0 | zu lang | zu lang | zu lang | 430 mm |
| 14,0 | zu lang | zu lang | 726 mm | 215 mm |
| 21,0 | zu lang | 880 mm | 484 mm | 143 mm |
| 28,0 | zu lang | 660 mm | 363 mm | 107,5 mm |
| 145,0 | 324 mm | 127,5 mm | 70,1 mm | 20,7 mm |
| 435,0 | 108 mm | 42,5 mm | 23,4 mm | zu kurz |
| 1275,0 | 36,9 mm | zu kurz | zu kurz | zu kurz |
| 2350,0 | 20,0 mm | zu kurz | zu kurz | zu kurz |
5. Distributor und Programlisting
Wireline ist von Firma Wacker GmbH, Grüne-burgweg 85, 6000 Frankfurt 1 erhältlich. Normalerweise ist die Mindestabnahmemenge 10 ft, aber Firma Wacker hat sich bereiterklärt, auch kleinere Mengen an Amateure abzugeben. Die Preise liegen dann natürlich etwas höher als bei größeren Mengen.
Preise bei Abnahme von 10 ft und mehr (Anfang 1984):
Typ H ca. 42, - DM/ft + Mwst
Typ H8 ca. 49, - DM/ft + Mwst
Typ HC ca. 45, - DM/ft + Mwst
Typ JB/JC ca. 67,- DM/ft + Mwst
Preise für Kleinmengen (Anfang 1984):
Typ H ca. 20, - DM + 3, - DM/cm + Mwst
Typ HC ca. 25, - DM + 3,25 DM/cm + Mwst
Typ JC ca. 35, - DM + 4,65 DM/cm + Mwst
Bestellungen zusammen mit Euroscheck an obige Adresse.
Als Dimensionierungshilfe liefert Firma Wacker auf Anfrage ein BASIC-Programm-listing für TRS-80 MIII, das mit kleinen Änderungen auch auf den Genie-Computern läuft.
DL1GBH, Harald Braubach.