Experimenteller Richtkoppler
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 Signalleistung 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, mit Wechselstrom geht es auch, nur dann werden die Erklärungen umständlicher)
Diese Bau- und Messanleitung für einen experimentellen Richtkoppler 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 entsprechen diese Hilfsgrößen der Quadratwurzel der jeweiligen Leistung, wobei noch der Phasenbezug zur 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]
Anmerkung: Bei allen Parametern handelt es sich um komplexe Zahlen, also entweder um die komplexe Impedanz oder um einen Phasor ("komplexer Effektivwert").
Funktionsweise
Für Richtkoppler eignen sich verschiedene 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 eine Übertragerschaltung, der Breitbandrichtkoppler, für dieses Richtkoppler-Projekt ausgewählt und auch dessen Funktionsweise soll kurz erklärt werden.
Die genau Arbeitsweise des Breitbandrichtkopplers ist nicht ganz simpel, weswegen hier nur eine vereinfachte Betrachtung erfolgt. Dazu wird der Übertrager T1 als Stromwandler betrachtet und T2 als Spannungswandler, beide weisen das gleiche Übersetzungsverhältnis ü auf und alle Tor sind mit der Impedanz Z0 terminiert. Eine im Tor P1 einlaufende Welle verursacht einen positiven Strom I1 und eine positive Spannung U1 bei der Impedanz Z0. Das führt zu entsprechend um das Übersetzungsverhältnis ü transformierte Werte für U2 und I2 auf der anderen Hälfte des Richtkopplers. Dabei entspricht die Spannung U2 dem Spannungsabfall über der Impedanz Z0 an P3 wenn dort der Strom I2. Somit hebt der Spannungsabfall an P3 die Spannung U2 und an P4 liegt keine Spannung an. 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
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 am Ende 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 Richtkopplerplatine 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 der Platine bekommen je 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 Bauelemente auf der Testlastenplatine 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 bei Messfrequenz.
In die großen Bohrungen an den Ecken der Platine kommen wieder 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 der Platine kommen wieder M3-Schrauben als Standbeine.
Sinusgenerator
Ein Sinussignal mit ausreichend hoher Frequenz gibt weitere Erkenntnisse über die Messtechnik mit Richtkopplern. Doch ein Signalgeneratoren mit 30 MHz stellt wohl für die meisten einen unbezahlbaren 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.
Schaltpläne und Layout
Eagle-Dateien mit allen Schaltplänen und Layouts:
Selberätzer müssen aufpassen, denn neuere Versionen von Eagle füllen die Massefläche nicht mehr automatisch aus. Der Knopf Ratsnest/Airwires in der Layout-Ansicht füllt die Massenflächen (Tutorial). Leiterplattendienste setzen das automatisiert um.
Materialliste
- Richtkoppler
| Stückzahl | Typ | Wert | Position |
|---|---|---|---|
| 2x | Widerstand | 50Ω | R1, R2 |
| 2x | BNC-Buchse | gewinkelt | X1, X2 |
| 4x | Lötnagel | ⌀1mm | siehe Text |
| 2x | Ferritring | FT50-61 | siehe Text |
| 1m | Klingeldraht | 0,4mm² | siehe Text |
| 4x | Schraube | M3x12mm | siehe Text |
| 4x | Mutter | M3 | siehe Text |
- Testlasten
| Stückzahl | Typ | Wert | Position |
|---|---|---|---|
| 1x | Widerstand | 15Ω | R3 |
| 1x | Widerstand | 50Ω | R2 |
| 1x | Trimmer ⌀10mm | 100Ω | R1 |
| 1x | Kondensator | 100pF | siehe Text |
| 1x | Spule | 0,3µH | siehe Text |
| 4x | Kurzhubtaster | - | S1, S2, S3, S4 |
| 1x | BNC-Buchse | gewinkelt | X1 |
| 4x | Lötnagel | ⌀1mm | JP1, JP2, JP3, JP4 |
| 4x | Steckschuh mit Lötöse | ⌀1mm | siehe Text |
| 4x | Schraube | M3x12mm | siehe Text |
| 4x | Mutter | M3 | siehe Text |
- Impulsgenerator
| Stückzahl | Typ | Wert | Position |
|---|---|---|---|
| 4x | Drahtbrücke | - | R2, R3, R5, R6 |
| 1x | Widerstand | 330Ω | R4 |
| 1x | Widerstand | 390Ω | R1 |
| 1x | Kondensator | 15pF | C4 |
| 1x | Kondensator | 4,7nF | C1 |
| 1x | Kondensator | 100nF | C2, C3 |
| 1x | Diode | 1N4004-1N4007 o.Ä. | D1 |
| 1x | Spannungsregler | 78L05 | IC2 |
| 1x | vierfach Schmitttriger-NAND | 74HC132 | IC1 |
| 1x | BNC-Buchse | gewinkelt | X1 |
| 2x | Lötnagel | ⌀1mm | JP4, JP5 |
| 4x | Schraube | M3x12mm | siehe Text |
| 4x | Mutter | M3 | siehe Text |
- Sinusgenerator
| Stückzahl | Typ | Wert | Position |
|---|---|---|---|
| 1x | Drahtbrücke | - | R12 |
| 2x | Widerstand | 10Ω | R5, R8 |
| 2x | Widerstand | 50Ω | R3, R4 |
| 1x | Widerstand | 82Ω | R9 |
| 1x | Widerstand | 180Ω | R2 |
| 1x | Widerstand | 470Ω | R6 |
| 1x | Widerstand | 3,3kΩ | R1 |
| 1x | Kondensator | 10pF | C6 |
| 1x | Kondensator | 47pF | C5 |
| 1x | Kondensator | 56pF | C4 |
| 2x | Kondensator | 68pF | C11, C12 |
| 1x | Kondensator | 5,6nF | C10 |
| 5x | Kondensator | 10nF | C3, C7, C8, C9, C13 |
| 2x | Kondensator | 100nF | C1, C2 |
| 1x | Spule | 0,33µH | L2 |
| 1x | Spule | 2,7µH | L1 |
| 1x | Diode | 1N4004-1N4007 o.Ä. | D1 |
| 2x | HF-Transistor | BF959 | T1, T2 |
| 1x | Spannungsregler | 78L08 | IC1 |
| 1x | Gilbertmischer | NE602/612/SA602/SA612 | IC1 |
| 1x | Quarzsockel | - | Q1 |
| 1x | Quarz | 27MHz (+25MHz+32MHz) HC18/U | Q1 |
| 1x | BNC-Buchse | gewinkelt | X1 |
| 2x | Lötnagel | ⌀1mm | JP1, JP2 |
| 4x | Schraube | M3x12mm | siehe Text |
| 4x | Mutter | M3 | siehe Text |
- Sonstiges
| Stückzahl | Typ | Wert | Position |
|---|---|---|---|
| 2x | BNC-Kabel | 50Ω/5m | - |
| 1x | BNC-Kabel¹ | 50Ω/2m | - |
| 1x | BNC-Kabel¹ | 75Ω/5m | - |
| 1x | BNC-Terminator | 50Ω | - |
| 1x | BNC-Kupplung | 50Ω | - |
| 2x | Versorgungsleitungen | Steckschuh und Draht | - |
| 1x | Hohlstecker für Steckernetzteil² | typ. ⌀2,5mm | - |
¹Nicht zwingend erforderlich, da die zugehörigen Experimente eher nebensächliche Beobachtungen darstellen
²Für Verwendung eines Steckernetzteils erforderlich
Messexperimente
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 am Richtkoppler. 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 bei beiden Kanälen ziemlich schmutzig. Im Richtkoppler wirken zahlreiche parasitäre Effekte auf, deren Ursache der Komplexität wegen hier nicht weiter Eingegangen wird.
Soweit die erste Bestandsaufnahme. Mit den Testlasten lassen sich nun die Reflexionen weiter untersuchen. Das Gegenteil vom 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 als Testlast 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 statt der Testlast ein 75Ω-Kabel angestückelt und mit 50Ω abgeschlossen: Nun zeigt sich eine zusätzliche Reflexion 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 eine gleichsinnige Reflexion statt. Mit kurzgeschlossenem Leitungsende erfolgt dann 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 Lötnägel kommen nun Spule (0,3µH) und Kondensator (100pF) als weitere Testlasten ins Spiel. Dabei findet wieder eine 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 zusätzlich eingefügte Leitung mit falscher Impedanz (75Ω) kann nicht von fehlerhaftem Leitungsabschluss unterschieden werden. Der Ort der Fehlanpassung lässt sich nicht ermitteln im Gegensatz zur Impulsmessung. Das Sinussignal besitzt Selbstähnlichkeit, sprich zwei Sinussignale überlagert ergeben wieder einen Sinus.
Reflexionen bei 100pF
Reflexionen bei 0,33µH
Anwendung
- Stehwellenmessgerät
- S-Parametermessung / Netzwerkanalyse
- Antennenvermessung
- Filtervermessung
- Verstärkervermessung
- Durchgangsdose in Antennenanlagen
- Messung der Sendeleistung
- Rückkanal im Kabelinternet
Zielgruppe / Intention
- Amateurfunker mit großem Interesse für Technik
- Ingenieure und Studenten mit Interesse zum Einstieg in den Bereich Richtkoppler
Verschiedenes
Fertige Richtkoppler werden in einschlägigen Onlineshops angeboten. Eine besondere Empfehlung stellen der PDC-10 und TDC-10 von Mini-Circuits dar. Unter dem Stichwort Reflexionsmesskopf gibt es letzteren bei Box73 auch als fertigen Bausatz samt BNC-Steckern.
Es sind fehlerhafte RG58-Kabel im Umlauf und weisen 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
- Design-Rules für Schaltpläne
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
- LP-100 und LP-100A (Abschnitt Documents and Manuals) Vektorielles Stehwellenmessgerät von N8LP
- … (Nach Bedarf ergänzen)
- Einkaufen
- Box73 Amateurfunkservice, Onlineshop der Zeitschrift Funkamateur
- Municom
- … (Nach Bedarf ergänzen)