-
Richtungskoppler Die Erfindung betrifft einen Richtungskoppler zur
Übertragung von sich in einem Leitersystem fortpflanzender Hochfrequenzenergie in
ein zweites Leitersystem, bestehend aus zwei über eine vorgegebene Länge parallel
verlaufenden symmetrischen Doppelleitungen, die miteinander elektrisch und magnetisch
verkoppelt sind.
-
Richtungskoppler haben in Schaltungen, die der Übertragung und Messung
hochfrequenter Signale dienen, eine große Bedeutung erlangt, und es sind daher bereits
eine Reihe von verschiedenen Ausführungsformen von Richtungskopplern bekanntgeworden.
Ihre Aufgabe besteht darin, hochfrequente Energie, die sich in einem Leitersystem
fortpflanzt, teilweise derart in ein zweites, mit dem ersten gekoppeltes Leitersystem
zu übertragen, daß der ins zweite Leitersystem übertragene Energieanteil nur an
einem Ende der gekoppelten Leitung erscheint. Das erste Leitersystem, in dem der
eigentliche Energietransport stattfindet, wird daher in der Regel als Durchgangsleitung
und die gekoppelte Leitung als Nebenleitung bezeichnet. Eine spezielle Ausführungsform
des Richtungskopplers ist der sogenannte 3-db-Koppler, bei dem die am Eingang der
Durchgangsleitung eingespeiste Leistung in zwei gleich große Anteile aufgespalten
wird, von denen der eine am Ausgang der Durchgangsleitung und der andere an einem
Ende der Nebenleitung erscheint.
-
Es sind Richtungskoppler bekannt, bei denen parallel verlaufende Doppelleitungen
im Abstand einer Viertelwellenlänge kapazitiv oder induktiv miteinander gekoppelt
sind. Hierbei sind zwei korrespondierende Leiter in einem Punkt mittels Reaktanzelementen
miteinander verbunden und in einem eine Viertelwellenlänge entfernten Punkt über
Kreuz mit gleichartigen Reaktanzelementen gekoppelt. Derartige Anordnungen erfordern
jedoch zusätzliche Reaktanzelemente, die den ausnutzbaren Frequenzbereich erheblich
einengen.
-
Es sind weiterhin Richtungskoppler bekannt, die aus zwei miteinander
verdrillten isolierten Drähten bestehen, die direkt auf einer ebenen metallischen
Platte aufliegen. Die Verwendung derartiger Anordnungen bleibt jedoch auf verhältnismäßig
niedrige Frequenzbereiche beschränkt.
-
Bekannt sind ferner die sogenannten Schlitz- oder Lochkoppler, die
vorzugsweise im Gebiet der Zentimeterwellen verwendet werden und bei denen zwei
parallel verlaufende Hohlleiter an ihrer gemeinsamen Trennwand durch einen Schlitz
oder durch Löcher miteinander gekoppelt sind.
-
Es ist weiterhin durch die USA.-Patentschrift 3 012 210 ein Richtungskoppler
bekanntgeworden, bei dem ein Leiter der Durchgangsleitung mit einem Leiter der Nebenleitung
derart gekreuzt ist, daß der Abstand der Kreuzungsstellen einer Viertelwellenlänge
einer mittleren zu übertragenden Betriebsfrequenz entspricht. Dieser Anordnung liegt
der Gedanke zugrunde, die bei solchen Kopplungsanordnungen im allgemeinen auftretende
sogenannte gemischte Kopplung durch Beseitigung .der magnetischen Kopplungskomponente
zu vermeiden, d. h. also, die beiden Leitersysteme ausschließlich mit Hilfe der
elektrischen Kopplungskomponente miteinander zu koppeln. Dabei ist es jedoch erforderlich,
die beiden gekreuzten Leiter zumindest an den Kreuzungspunkten möglichst genau unter
einem Winkel von 90° anzuordnen, da sonst die magnetische Kopplungskomponente nicht
eindeutig beseitigt und somit die einwandfreie Funktion des Richtungskopplers gestört
wird. Darüber hinaus ist es zur Erzielung einer verhältnismäßig starken Kopplung
- die z. B. beim Aufbau von 3-db-Kopplern notwendig ist - erforderlich, die beiden
zu koppelnden Leiter in einem verhältnismäßig geringen Abstand voneinander anzuordnen,
was vor allem hinsichtlich der mechanischen Toleranzen gewisse Schwierigkeiten mit
sich bringt.
-
Bei der technischen Realisierung aller bekannten Richtkopplerarten
wird häufig die Tatsache als besonders störend empfunden, daß zu ihrer einwandfreien
Funktion die Abschlußwiderstände der Haupt-und Nebenleitung mit großer Genauigkeit
mit den Wellenwiderständen der Leitungen übereinstimmen müssen. Weiterhin ist die
zum Aufbau von 3-db-Kopplern erforderliche starke Kopplung zwischen
den
beiden Leitersystemen vor allem mit Leitungen aus runden Drähten praktisch nur sehr
schwer zu erzielen, wenn der fertigungstechnische Aufwand hinsichtlich der mechanischen
Toleranzen in tragbaren Grenzen gehalten werden soll.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den vorstehend geschilderten
Schwierigkeiten in verhältnismäßig einfacher Weise zu begegnen.
-
Ausgehend von einem Richtungskoppler zur übertragung von sich in einem
Leitersystem (Durchgangsleitung) fortpflanzender Hochfrequenzenergie in ein zweites
Leitersystem (Nebenleitung), bestehend aus zwei über eine vorgegebene Länge parallel
verlaufenden symmetrischen Doppelleitungen, die miteinander elektrisch und magnetisch
verkoppelt sind, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei wenigstens
einer Doppeleitung die ihr zugehörigen parallel verlaufenden Leiter eine ungerade
Zahl von Kreuzungen in annähernd gleichen Abständen haben und daß die räumliche
Ausdehnung der Kreuzungsstellen kurz ist im Verhältnis zur Leitungslänge zwischen
den einzelnen Kreuzungspunkten.
-
Für die Praxis ist es hierbei besonders vorteilhaft, daß die Abschlußwiderstände
nicht mit den Leitungswellenwiderständen übereinstimmen müssen.
-
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Abstand zwischen den Kreuzungspunkten
ein ungeradzahliges Vielfaches einer Viertelwellenlänge einer mittleren zu übertragenden
Betriebsfrequenz beträgt.
-
Zum Aufbau von 3-db-Kopplern ist es günstig, wenn der Abstand zwischen
den Kreuzungspunkten ein ungeradzahliges Vielfaches einer Viertelwellenlänge einer
mittleren zu übertragenden Betriebsfrequenz beträgt und wenn die elektrische und
magnetische Kopplung zwischen den beiden Leitersystemen nach folgender Bedingungsgleichung
in einem festen Verhältnis zur Auswahl der Kreuzungen steht,
wenn x den Kopplungsfaktor und m die Anzahl der Kreuzungsperioden
bedeutet.
-
Eine vorteilhafte Ausführungsform wird dadurch erzielt, daß beide
Leitersysteme mittels geeigneter Abstützvorrichtungen in einem metallischen Schirm
angeordnet sind und daß der Abstand zwischen beiden Leitersystemen einstellbar ist.
-
Je nach konstruktiven Erfordernissen ist es günstig, die Kreuzungen
entweder nur an der Durchgangsleitung oder nur an der Nebenleitung oder teilweise
an der Durchgangsleitung und teilweise an der Nebenleitung vorzusehen.
-
Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausfühnmgsbeispielen näher
erläutert.
-
In der F i g. 1 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
dargestellt. Zu beiden Seiten eines metallischen Schirmes 1 sind die Doppelleitungen
2 und 3 in einem mittleren Abstand d angeordnet. Die als Durchgangsleitung bezeichnete
Doppelleitung 2 besteht aus den zueinander parallel verlaufenden Leitern 4 und 5,
die als Nebenleitung bezeichnete Doppelleitung 3 aus den zueinander parallel verlaufenden
Leitern 6 und 7. Der metallische Schirm 1 ist über eine Strecke der Länge
D unterbrochen, und die Anordnung der Doppelleitungen 2 und 3 ist so gewählt, daß
sie innerhalb dieser Strecke zueinander parallel sind. Die Leiter 4 und 5 der Durchgangsleitung
2 sind in gleich großen Abständen l an den Punkten 8, 9 und 10 derart miteinander
gekreuzt, daß der Wellenwiderstand der Leitung nahezu nicht verändert wird. Hierzu
ist es zweckmäßig, die räumliche Ausdehnung der Kreuzungsstellen möglichst kurz
im Verhältnis zur Länge l zu wählen. Je zwei Kreuzungsabschnitte sind zu einer Kreuzungsperiode
derLänge h zusammengefaßt. Von einerSpannungsquelle 11 mit der Leerlaufspannung
Uo wird ein Strom 111 in die Durchgangsleitung 2 eingespeist, an deren Ausgang der
Strom 112 in den Abschlußwiderstand R12 fließt, so daß am Widerstand R12 die Spannung
U12 entsteht. Da der Schirm 1 über die Länge D = mlp unterbrochen ist, können
dort elektrische und. magnetische Feldlinien von der Durchgangsleitung 2 auf die
Nebenleitung 3 übergreifen, so daß sich beide Leitungen gegenseitig beeinflussen,
was durch die Kammer 12 angedeutet ist. Die gegenseitige Beeinflussung wird mathematisch
bekanntlich durch den relativen Kopplungsfaktor x berücksichtigt, dessen Größe vom
Abstand d zwischen den Leitungen abhängig ist und der zwischen den Werten 0 und
1 schwanken kann. Setzt man eine so hohe Frequenz voraus, daß wegen der Stromverdrängung
das magnetische Feld innerhalb der einzelnen Leiter zu vernachlässigen ist, dann
ist die kapazitive Kupplungswirkung gleich der magnetischen. Auf Grund dieser Verkopplung
fließt am Eingang der Nebenleitung 3 der Strom 121 und am Ausgang der Strom 122.
Die Nebenleitung ist am Eingang mit dem Widerstand R21 und am Ausgang mit dem Widerstand
R22 abgeschlossen. Am Widerstand R21 liegt die Spannung U21, am Widerstand R22 die
Spannung U22.
-
Für ein in der F i g.1 dargestelltes Leitungssystem läßt sich die
sogenannte Transmissionsmatrix aufstellen, mit deren Hilfe zwischen den Strömen
und Spannungen am Eingang und Ausgang der beiden Leitungen 2 und 3 ein lineares
Gleichungssystem erhalten wird, in dem das Zusammenspiel der elektrischen und magnetischen
Kopplungswirkungen exakt zum Ausdruck kommt. Macht man bei diesem linearen Gleichungssystem
noch die einschränkende Bedingung, daß der Abschlußwiderstand R12 der Durchgangsleitung
gleich ist dem am Eingang der Nebenleitung liegenden Widerstand R21, dann ergeben
sich für die Spannungen U12, U21 und U22 die folgenden Beziehungen:
In den Gleichungen (1) bis (3) sind zur besseren übersicht noch die folgenden Abkürzungen
eingeführt,
wenn Z den Wellenwiderstand der einen Leitung bei kurzgeschlossener Nachbarleitung
bedeutet.
C = cosh m g_ o, (5)
In den Gleichungen (5) bis (7) bedeutet noch m die Anzahl der Kreuzungsperioden
und g. das resultierende übertragungsmaß für eine Kreuzungsperiode lp; gp hängt
vom Kopplungsfaktor x ab und berechnet sich aus
worin g das übertragungsmaß für den Kreuzungsabstand l bei einem Kopplungsfaktor
x=0 bedeutet.
-
Wie der Gleichung (3) zu entnehmen ist, verschwindet die Spannung
U22 unabhängig von der Frequenz und von der Größe der Abschlußwiderstände R12, R21
und R22, wenn nur die Bedingung R12=R21 eingehalten wird, was sich physikalisch
durch einen Kompensationseffekt erklären läßt. Die Spannung U22 setzt sich nämlich
aus zwei Anteilen zusammen; der eine Anteil rührt von der Reflexion am Ende der-Durchgangsleitung
2 und der andere von der Reflexion am Anfang der Nebenleitung 3 her. Beide Anteile
sind zwar gleich groß, haben jedoch wegen der Kreuzungen auf der Leitung 2 (Umpolung)
entgegengesetzte Vorzeichen und heben sich infolgedessen auf. Dies steht im Gegensatz
zu den sonst üblichen Ausführungsformen von Richtungskopplern mit ungekreuzten Leitungen,
bei denen die Spannung U2, nur für ganz bestimmte Abschlußwiderstände verschwindet.
Für die Wirkungsweise einer Anordnung gemäß der F i g. 1 ist noch zu berücksichtigen,
daß bei einer exakten Einhaltung des Kreuzungsschemas an den Klemmen 13 und
14 der Durchgangsleitung 2
eine weitere Kreuzung vorgesehen sein müßte,
die physikalisch jedoch überflüssig ist, da sie keinerlei Beitrag zum Kopplungsmechanismus
der beiden Leitungen liefert. Da für die Ströme und Spannungen im allgemeinen die
Absolutbeträge interessant sind, wird dieser Umstand formal dadurch berücksichtigt,
daß der Strom 112 und die Spannung U12 mit einem negativen Vorzeichen versehen werden.
Durch geeignete Wahl des Abstandes d und damit des Kopplungsfaktors x läßt sich
die Spannung U12 mittels der Spannung U21 somit in einfacher Weise messen.
-
In analoger Weise arbeitet der Richtungskoppler gemäß der F i g. 1
auch dann, wenn die Kreuzungen an der Nebenleitung 3 vorgesehen sind oder wenn ein
Teil der Kreuzungen an der Durchgangsleitung 2 und ein Teil der Kreuzungen
an der Nebenleitung 3 angebracht sind.
-
Wählt man den Kreuzungsabstand l gleich einer Viertelwellenlänge,
d. h.
wenn A, die Wellenlänge einer mittleren zu übertragenden Betriebsfrequenz ist, dann
werden die in den Gleichungen (1) und (2) dargestellten Beziehungen für die Spannung
U12 und U21 besonders einfach. Unter Vernachlässigung der Leitungsdämpfung ergibt
sich aus Gleichung (6), daß die Größe S verschwindet. Die Faktoren C und K errechnen
sich aus den Gleichungen (5) und (7) wie folgt:
Daraus ergeben sich für die Spannungen U12, U21 und U22 die folgenden Beziehungen:
In den F i g. 2 und 3 sind die Absolutbeträge der aus den allgemeinen Beziehungen
(11) bis (13) abgeleiteten Spannungsverhältnisse
in Abhängigkeit vom Kopplungsfaktor x aufgetragen, und zwar in der F i g. 2 für
den Sonderfall einer Kreuzungsperiode (m =1) und in der F i g. 3 für den Sonderfall
zweier Kreuzungsperioden (m=2). Wie bereits erwähnt, sind die Spannungen nicht von
den Abschlußwiderständen abhängig, wenn nur die Bedingung gilt, daß der Abschlußwiderstand
R12 am Ausgang der Durchgangsleitung 2 und der Widerstand R21 am Eingang
der Nebenleitung 3 gleich groß sind. Mit wachsender Kopplung x nimmt die Spannung
' U121 monoton ab, während die Spannung 1 U21 1 von 0 aus wächst.
Für eine bestimmte Kopplung xo, die von von der Anzahl m der Kreuzungsperioden abhängt
und die sich aus Gleichung (10) für 1 K 1 =1 ergibt, werden die Beträge 1 U1,1 und
1 U,11 der beiden Spannungen gleich groß. Die am Ende der Durchgangsleitung
2 erscheinende Leistung ist somit gleich der am Eingang der Nebenleitung
3 erscheinenden Leistung, was dem Fall des 3-db-Kopplers entspricht. Wie den F i
g. 2 und 3 zu entnehmen ist, wird x. um so kleiner, je größer die Anzahl der Kreuzungsperioden
m ist. Vergleicht man hiermit die Verhältnisse bei Richtungskopplem mit ungekreuzten
Leitungen, dann ergibt sich daraus, daß bei diesen ein 3-db-Koppler erst bei einem
verhältnismäßig starken Kopplungsfaktor (xo -r7- 0,7) zu erreichen ist. Bei der
erfindungsgemäßen Anordnung ergibt sich der 3-db-Koppler bereits bei einer wesentlich
schwächeren Kopplung, und zwar bei xo 5:z-, 0,4 für eine Kreuzungsperiode (m =1;
s. F i g. 2) und bei xo,@ 0,22 für zwei Kreuzungsperioden (m = 2; s. F i g. 3).
Diese relativ kleinen Kopplungsfaktoren lassen sich bei Doppelleitungen, die aus
runden Drähten bestehen, in der Praxis einfach realisieren, da hierbei der Abstand
d wesentlich größer ist als bei Kopplern mit ungekreuzten Leitungen. Dadurch vermindern
sich auch die Anforderungen an die mechanische Genauigkeit im gleichen Verhältnis
zum wachsenden Abstand d.
-
Die F i g. 4 zeigt in schematischer Darstellung das Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen 3-db-
Richtungskopplers mit einer Kreuzungsperiode.
Zwei sich gegenüberliegende Seitenwände eines U-förmigen metallischen Gehäuses 20
sind mit den Nuten 21, 22, 23 und 24 versehen, in denen quaderförmige Balken 25,
26, 27 und 28 aus einem verlustarmen Material mit geringer Dielektrizitätskonstante
stirnseitig gleiten. Die Balken 25 und 26 dienen der Halterung einer parallelen
Doppelleitung, die aus den Leitern 29 und 30 besteht. Die aus den Leitern 31 und
32 bestehende gekreuzte Leitung wird durch die Balken 27 und 28 geführt und gehaltert.
In der oberen Begrenzungsfläche des Gehäuses 20 sind entlang den Nuten 21 und 22
die durch die Pfeile 33, 34, 35 und 36 angedeuteten Schrauben angebracht, durch
die die Balken 25, 26, 27 und 28 in ihrer Lage fixiert werden. Die Leiter 31 und
32 sind an der Kreuzungsstelle kreisbogenförmig aneinander vorbeigeführt, so daß
der Wellenwiderstand der Leitung möglichst erhalten bleibt. Der Abstand der Nuten
ist so gewählt, daß die Leitungen über eine Gesamtlänge 1p miteinander gekoppelt
sind, die sich aus zwei gleichen Längen
zusammensetzt, wenn l den Abstand der einander zugekehrten Seiten der Balken 27
und 28 vom Kreuzungspunkt bedeutet und A. die Wellenlänge einer mittleren zu übertragenden
Betriebsfrequenz. An den Stirnseiten 37 und 38 ist das Gehäuse mit einem in der
Zeichnung nicht näher dargestellten metallischen Deckel verschließbar, an dem vom
Metall isolierte Kontaktbuchsen angebracht sind, die einerseits der Aufnahme der
Leiter 29 bis 32 dienen und in die andererseits Zuführungsleitungen von außen her
einzustecken sind. Auf der Innenseite dieser Deckel ist ein metallischer, senkrecht
zum Deckel stehender Steg angeordnet, der bei geschlossenem Gehäuse in der Mitte
zwischen den Balken 25 und 27 bzw. zwischen den Balken 26 und 28 liegt und zu ihnen
parallel verläuft. Dadurch sind beide Doppelleitungen gegeneinander abgeschirmt
und nur über die Länge 1p miteinander gekoppelt. Um die Symmetrie der Anordnung
zu bewahren; ist auch die Gehäuselängsseite 39 und 40 mit einem in der Zeichnung
nicht näher dargestellten Deckel verschließbar. An seiner Außenseite ist eine Antriebsvorrichtung
vorgesehen, die es gestattet, den Abstand d zwischen den beiden Leitungen geringfügig
zu verändern. Auf diese Weise lassen sich die einwandfreie Funktion des 3-db-Kopplers
mittels üblicher Meßmethoden überwachen und Fertigungstoleranzen in einfacher Weise
ausgleichen.