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Willkommen bei IHH, dem Spezialisten für die Entwicklung und den Aufbau von kundenspezifischen Präzisions-Richtkopplern (high precision directional coupler).

Bevor wir unsere Produkte näher vorstellen, möchten wir kurz beschreiben, was ein Richtkoppler eigentlich ist, wofür Richtkoppler normalerweise eingesetzt werden und wie sie überhaupt funktionieren.

Was ist ein Hochfrequenzrichtkoppler und wofür wird er gebraucht.

Ein Hochfrequenzrichtkoppler besteht aus einem Leitungsstück (Koaxialleitung, Hohlleiter, Streifenleitung, Wire-Line etc….), welches in die Zuleitung von einem Sender (Generator oder Verstärker) zu seiner Last eingefügt werden kann. Dabei kann die Last sehr unterschiedlich sein, z.B. ein Plasma in einem Laser oder einem anderen Plasmagefäß, einer Antenne beim Rundfunk, Fernsehen oder einem Richtstrahler, einem Resonator in einem Beschleuniger oder einem ohmschen Widerstand (z.B. einer Dummy Load) etc..

Das besondere an diesem Leitungsstück ist, dass in die Hauptleitung, welche für den Energietransport sorgt, auch noch eine Nebenleitungen eingefügt wird (oder auch mehrere), mit Hilfe welcher ein Teil der transportierten Leistung auf zwei (oder mehrere) Auskoppeltore gekoppelt werden kann. Dabei kann z.B. bei einem -3 dB Teiler die ausgekoppelte Leistung 50 % betragen, während sie z.B. bei einem –60 dB Koppler nur ein Millionstel der transportierten Leistung beträgt.

Beim Leistungstransport von z.B. einem Verstärker zu seiner Last spricht man von einer vorlaufenden Welle. Eine Koaxialleitung besitzt einen sogenannten Wellenwiderstand Zl, welcher über die Formel  Zl,  = 60 x ln(Da/Di) (Ohm) berechnet werden kann. ( In den USA wird häufig die Formel Zl,  = 138 x log (Da/Di) (ohms) benutzt,  die aber bis auf Rundungsfehler zu den zu den gleichen Ergebnissen führt, wie man leicht nachprüfen kann) Hierbei ist Da der innere Durchmesser des Außenleiter-Rohrs und Di der äußere Durchmesser des Innenleiters der Koaxialleitung, also der Raum in, in dem sich die Hochfrequenz ausbreitet. Ist das Verhältnis von Da/Di z.B. 2,3, so ergibt sich als Wellenwiderstand recht genau 50 Ω. 50 Ω ist ein sehr gebräuchlicher Wert für Hochfrequenz Messgeräte und Leitungen. Wenn die Leitung vom Verstärker zur Last 50 Ω hat und die Last ebenfalls 50 Ω reell, dann läuft die vorlaufende Welle komplett in die Last hinein und es existiert keine rücklaufende Welle von der Last zum Verstärker. 50 Ω reell heißt, dass die Last genau 50 Ω ohne induktive oder kapazitive Komponente hat (Z = 50,0 Ω +/- j 0,0 Ω)

Wenn die Last jedoch nicht exakt 50 Ω hat oder eine induktive oder kapazitive Komponente besitzt, entsteht eine rücklaufende Welle von der Last zum Verstärker, deren Größe von der Größe der Fehlanpassung abhängt. Im Extremfall bei Leerlauf oder Kurzschluss der Last ist die rücklaufende Welle bis auf kleine Leitungsverluste genau so groß wie die vorlaufende Welle.

Die Aufgabe eines in die Leitung eingebauten Richtkopplers ist es, den Anteil der rücklaufenden Welle von der vorlaufenden Welle zu messen. Dabei kann ein Richtkoppler nicht nur den Betrag des Verhältnisses von Rücklauf und Vorlauf messen, sondern auch die Phase. Mit diesen beiden Signalen von Vorlauf und Rücklauf kann auch die komplexe Impedanz der Last berechnet werden, wie das z.B. in vektoriellen Netzwerkanalysatoren benutzt wird. Mit dem Betrag kann man – eventuell noch nach Reduzierung der höheren Harmonische durch ein Tiefpassfilter – die Vorlaufleistung und die Rücklaufleistung anzeigen, wozu ein Richtkoppler meistens benutzt wird.

Da man in aller Regel möglichst die komplette Leistung des Verstärkers zur Last transportieren möchte, kann man die Messwerte des Richtkopplers auch dazu verwenden, um über eine so genannte Anpassschaltung (englisch match box) die nicht ideale Last für den Verstärker auf exakt 50 Ω zu transformieren. So kann man eine optimale Anpassung des Verstärkers an die Last  erreichen.

Ein weiterer Anwendungsfall des Richtkopplers ist, mit der Messung des Vorlaufs bei angepasster Last die Leistung des Verstärkers konstant zu regeln, um für einen physikalischen Prozess in der Last möglichst konstante Verhältnisse zu schaffen. Natürlich kann auch die Spannung in der Last für eine Regelung verwendet werden, wenn diese verfügbar ist.

Ebenso kann die Messung des Rücklaufs z.B. bei Überschlägen in einer Antenne oder in der Hochfrequenz-Leitung hinter dem Richtkoppler zur Rückregelung der Leistung zum Schutz der gesamten Anlage verwendet werden. Normalerweise verschlechtert sich das Spektrum der Harmonischen deutlich, wenn eine gravierende Fehlanpassung der Last auftritt. Wenn man den Pegel der Harmonischen der rücklaufenden Welle über ein Hochpass-Filter misst, kann man dieses Signal ebenfalls als Eingang für eine Schutzschaltung verwenden.

Wie funktioniert ein Richtkoppler

Wir werden in einem vereinfachten Modell die Grundlagen von koaxialen Richtkopplern mit einer Koppelschleife beschreiben, welche weitgehend auch für andere Richtkopplerarten gelten.

Koaxiale Richtkoppler benutzen die Tatsache, dass die kapazitive  Komponente der Kopplung des radialen elektrischen Feldes (E-Feld) vom Innenleiter zu einem Koppelplättchen einer Koppelschleife unabhängig von der Richtung der transportierten Welle ist. Sie ist also  gleich für  eine vorlaufende und eine rücklaufende Welle.

Anders jedoch ist die induktive Kopplung des Magnetfelds (H-Feld)in eine Koppelschleife abhängig von der Richtung . Je nachdem, ob der Strom vom Generator zur Last fließt (vorlaufende Welle) oder von der Last zurück zum Generator (rücklaufende Welle) hat das Magnetfeld, welches rund um den Innenleiter herum bis zum Außenleiter geht, eine andere Drehrichtung.

Wir möchten dies anhand eines koaxialen Richtkopplers gemäß Bild 1 näher erläutern:

Bild 1

Der HF-Leistung, die vom Verstärker zur Last fließt (vorlaufende Welle), hat ein radiales elektrisches Feld (E-Feld) zwischen Innen- und Außenleiter (Masse) zur Folge. Ein kleiner Teil dieses Feldes koppelt kapazitiv vom Innenleiter auf das Koppelplättchen zwischen R1 und R2. Über die Kapazität zwischen Innenleiter und Koppelplättchen fließt dadurch ein hochfrequenter Strom, welcher über die metallischen Abstandhalter links und rechts jeweils zur Hälfte gleichmäßig durch die Widerstände R1 und R2 nach Masse fließt  (vorausgesetzt, R1 und R2 sind gleich und bestenfalls beide reell 50,0 Ohm). Wir nennen den von der kapazitiven Kopplung entstehenden Spannungsanteil an den Widerständen +U kap, der an beiden Widerständen für die vorlaufende Welle positiv und gleich groß ist.

Neben dem elektrischen Feld entsteht aber beim Leistungstransport der vorlaufenden Welle vom Verstärker zur Last auch ein Magnetfeld (H-Feld), welches senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung der Welle im Uhrzeigersinn rund um den Innenleiter geht, bis es vom Außenleiter begrenzt wird. Ein kleiner Teil dieses Magnetfeldes geht auch durch die Koppelschleife, welche mit dem Koppelplättchen, den leitfähigen Abstandhaltern, den Widerständen R1 und R2 gegen Masse und der Masseverbindung der beiden Widerstände einen geschlossenen Stromkreis bildet. Der sogenannte magnetische Fluss, welcher durch die so gebildete Koppelschleife fließt, induziert in dieser einen Strom I ind, welcher aufgrund der physikalischen Gesetze so fließt, dass er beim Durchfließen des Widerstands R1 eine positive Spannung U ind am Tor 1 erzeugt. Nach dem Durchfließen des Widerstands fließt der induzierte Strom weiter über die Masseverbindung zu R2, durch den er dann in umgekehrter Richtung wie durch R1 fließt, um wieder zum Koppelplättchen zurückzukommen. Durch den umgekehrten Stromfluss durch R2 entsteht hier die Spannung –U ind.

Wenn man nun durch eine geeignete Geometrie und gleiche Abschlusswiderstände R1 und R2 erreicht, dass U kap und  U ind gleich groß sind, addieren diese sich an Tor 1 zur doppelten Spannung, während sie sich an Tor 2 gegenseitig auslöschen. Das bedeutet, dass die vorlaufende Welle nur am Widerstand von Tor 1 eine Spannung erzeugt, während am Tor 2 keine Spannung entsteht.

Für die rücklaufende Welle mit gleicher Richtung des E-feldes, aber umgekehrter Drehrichtung des H-Feldes  gilt dies nun genau umgekehrt: Hier addieren sich die kapazitive und induktive Kopplung am Tor 2 und sie löschen sich am Tor 1 aus.

Am Tor 1 misst man also nur einen proportionalen Anteil des Vorlaufs und am Tor 2 nur einen proportionalen Anteil des Rücklaufs, und schon erhält man so einen Richtkoppler, welcher die vorlaufende und die rücklaufende Welle getrennt messen kann.

In der Praxis herrschen jedoch nie ideale Verhältnisse wie gerade beschrieben. Sind   U kap und  U ind nicht exakt gleich in Amplitude und Phase,  wird die vorlaufende Welle auch einen kleinen Teil der Kopplung vom Tor 1 auch am Tor 2 auskoppeln. Ebenso hinterlässt die rücklaufende Welle auch einen kleinen Teil der Kopplung von Tor 2 auch an Tor1. Wenn z.B. von der vorlaufenden Welle an Tor 1 ein tausendstel der Leistung ausgekoppelt wird, hat der Richtkoppler einen Koppelfaktor von –30 dB. Wenn man am Tor 2 wegen der Ungleichheit der kapazitiven und induktiven Kopplung auch bei idealem Abschluss der Hauptleitung (also auch ohne rücklaufende Welle) z.B. –65 dB misst, dann entsteht zwischen den beiden Toren ein Unterschied des Koppelfaktors von 35 dB. Diesen Faktor bezeichnet man als Richtschärfe eines Richtkopplers, die in diesem Beispiel 35 dB beträgt.

Die Richtschärfe ist also ein Maß dafür, wie gut die kapazitive Kopplung mit der induktiven Kopplung in Betrag, aber auch in der Phase übereinstimmt.

Genauigkeit unserer Richtkoppler

Wir sind stolz darauf, dass wir seit vielen Jahren vermutlich Richtkoppler mit unerreichter Genauigkeit des Koppelfaktors herstellen. Unsere Richtkoppler werden mit Hilfe von kalibrierten Referenzen von 10,20,30,40,50 und 60 dB sowie einer kalibrierten Weinschel Dekade von 1 bis 10 dB in 1 dB Schritten auf ein hundertstel dB abgeglichen. Durch diesen aufwändigen Abgleich können wir in aller Regel 1/10 dB Genauigkeit des jeweiligen Koppelfaktors garantieren bei einer Richtschärfe von typisch >35 dB. Diese Genauigkeit lässt sich außer durch obige Referenzen nur dadurch erreichen, dass wir die Innenleiter der Koppler in aller Regel spielfrei einschrumpfen und unsere Ergebnisse mit 3 unterschiedlichen vektoriellen Netzwerkanalysatoren überprüfen können.

In einem letzten Absatz  vor der Darstellung unserer Produkte werden wir alle nötigen Details für eine qualifizierte Spezifizierung eines Richtkopplers zusammenstellen (ohne Anspruch auf Vollständigkeit).

Notwendige Daten zur Spezifikation eines Richtkopplers

  • Festfrequenz oder Frequenzbereich 
  • Maximale Leistung cw
  • Gegebenenfalls maximale Pulsleistung, Pulslänge, Wiederholfrequenz
  • Koppelfaktor mit Genauigkeitsanforderung, ggf. maximale Variation über Frequenzbereich
  • Richtschärfe mit Genauigkeitsanforderung                                   (wir empfehlen > 30 dB, besser >35-40)
  • Leitungssystem Hauptleitung, Stecker und / oder Buchsen
  • Eingangsanpassung Hauptleitung (VSWR oder Einfügungsdämpfung in dB)
  • Durchgangsdämpfung Hauptleitung
  • Eingangsimpedanz Koppelleitungen (VSWR oder Einfügungsdämpfung in dB) (evtl. nötig bei Breitbandkopplern)
  • Anzahl der Koppelsonden
  • Norm und Art  der Auskopplungen (Buchsen, Stecker, N, BNC etc.)
  • Material Außenleiter Hauptleitung inklusive Oberflächenbehandlung
  • Material Stecker / Buchsen Hauptleitung inklusive Oberflächenbehandlung
  • Material Stecker / Buchsen Auskopplungen inklusive Oberflächenbehandlung
  • Material Innenleiter inklusive Oberflächenbehandlung
  • Material Isolatoren der Hauptleitung und der Auskopplungen (z.B. ist Teflon verboten in Bereichen hoher Röntgenstrahlen an Beschleunigern)
  • Wenn kritisch: Maximale Abmessungen und Gewicht

Wichtig für den Anbieter:

Anzahl der benötigten Exemplare, Lieferzeit

 

Produkte und Anwendungen

Bei der Standard-Industriefrequenz 13,56 MHz haben wir Richtkoppler von 1 kW, 2 kW, 3 kW, 5 kW, 10 kW, 20 kW, 30 kW, 40 kW und 50-100 kW im Programm. Auch 3 MHz 250 kW für eine Induktionsheizung und Mittelwellenrichtkoppler von 500 kHz bis 3 MHz bei 250 kW wurden realisiert. 3,39 MHz gehören natürlich wie 27,12 MHz, 40,68 MHz und 81,36 MHz zu unseren Industrie-Richtkopplern.

Die Forschungszentren Cern  und Paul Scherrer Institut in der Schweiz haben Richtkoppler von uns im Einsatz, ebenso wie Bessy in Berlin, die Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt, und das Institut für Plasmaphysik in Aachen.

Die Protonenkrebstherapie verwendet seit mehreren Jahren unsere Richtkoppler bei 72,85 MHz und 150 kW cw . Die Schwerionen-Krebstherapie in Heidelberg betreibt Richtkoppler von uns bei 216 MHz, 2 MW Pulsleistung und 100 kW Pulsleistung

Die Hauptanschlüsse unserer Richtkoppler verwenden die Steckersysteme  N, Hochleistungs-N, 7/16, 13/30,1 5/8“, 3 1/8“ bis zu 6 1/8“ EIA, während die Auskopplungen überwiegend aus N-Buchsen bestehen. (Auf Wunsch ist auch BNC möglich)

Wir haben Richtkoppler mit Koppeldämpfungen von 10 dB, 20 dB, 30 dB, 40 dB, 50 dB und 60 dB aufgebaut und nach Kundenwünschen auch viele Koppelwerte dazwischen. Die meisten Richtkoppler für höhere Leistungen haben jedoch Auskopplungen zwischen 40 dB und 50 dB, um Leistungen zwischen 1 Watt und 2 Watt auszukoppeln. In diesem Leistungsbereich funktionieren unsere passiven Detektoren am besten.

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