WO2013149930A1 - Breitbandrichtkoppler - Google Patents

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WO2013149930A1
WO2013149930A1 PCT/EP2013/056664 EP2013056664W WO2013149930A1 WO 2013149930 A1 WO2013149930 A1 WO 2013149930A1 EP 2013056664 W EP2013056664 W EP 2013056664W WO 2013149930 A1 WO2013149930 A1 WO 2013149930A1
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resistor
housing
directional coupler
broadband directional
coupler according
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PCT/EP2013/056664
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Inventor
Michael Morgenstern
Dirk Fehse
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Rohde & Schwarz Gmbh & Co. Kg
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Publication date
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports
    • H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port
    • H01P5/18—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port consisting of two coupled guides, e.g. directional couplers
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    • H01P5/183—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port consisting of two coupled guides, e.g. directional couplers at least one of the guides being a coaxial line
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/08—Measuring resistance by measuring both voltage and current
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/14—Measuring resistance by measuring current or voltage obtained from a reference source

Definitions

  • the invention relates to a directional coupler for measuring a power of a leading on a coaxial high-frequency signal and / or a returning
  • High frequency signal in a wide frequency range, preferably from 9 kHz to 1 GHz.
  • Directional couplers are mainly on a
  • Power amplifier and a complex load preferably a transmitter antenna, used to mismatch based on the measurement of the leading high-frequency signal and the returning high-frequency signal
  • Such a directional coupler is known for example from DE 10 2010 009 227 AI.
  • the directional coupler is symmetrical in this case by separating the coaxial line for the leading high-frequency signal and for the returning high-frequency signal in each case at one point and in each case performs a measurement of the inner conductor voltage and a measurement of the inner conductor current.
  • the leading high-frequency signal the superimposed for the measurement of the inner conductor voltage and the
  • Inner conductor current respectively detected voltages additive, while in the case of the returning
  • High frequency signal subtractively superimpose the voltages respectively detected for the measurement of the inner conductor voltage and the inner conductor current.
  • the subtraction will be that for the inner conductor voltage and the center conductor current respectively detected voltages an ideal value of zero.
  • the voltage difference does not equal zero.
  • VSWR Voltage Standing Wave Ratio
  • German voltage standing wave ratio German voltage standing wave ratio
  • Such a directional coupler is less suitable for broadband use, as due to parasitic electromagnetic interference from the coaxial line in the individual measuring units - shunt resistor for measuring the inner conductor current, ohmic voltage divider for measuring the internal conductor voltage, measuring leads and
  • the object of the invention is therefore to provide a directional coupler over as wide as possible
  • Frequency range has a high directivity.
  • Patent claim 1 solved.
  • Advantageous technical Extensions of the invention are listed in each dependent claims.
  • Inner conductor current and the inner conductor voltage of a first resistor whose first terminal is preferably connected to the inner conductor of the coaxial line and the second terminal is preferably connected to a measuring unit and a first terminal of a second resistor, and a third resistor whose first terminal
  • an outer conductor of the coaxial line and the second terminal of the second resistor and the second terminal is preferably connected to a ground is inventively optimized in that the third resistor is on the one hand designed annular and on the other hand concentric to the inner conductor of
  • the third resistor which is the shunt resistor for measuring the outer conductor current and thus the inner conductor current, as a ring-shaped single resistor has this opposite one
  • Coaxial orthogonal oriented plane prevents electromagnetic induction of a stray voltage from the inner conductor of the coaxial line in the annular third resistor.
  • the annular allows Design of the third resistor a wider area and more uniform distribution of heat losses along the resistance ring. If the third resistor is additionally preferably of low resistance, the third resistor prevents in
  • Broadband directional coupler also in one
  • High-frequency link are used advantageously in the high-frequency signals are transmitted at a high power level.
  • the third resistor is preferably on a first side coated with a conductive layer
  • Resistance preferably in the axial direction has a smaller extent than in the radial direction, the third resistance facing end face of a
  • the ceramic disc additionally has in its center preferably a bore for a cylindrical first cavity for guiding the Inner conductor of the coaxial line on. This hole is not metallized.
  • Broadband coupler made of an electrically conductive material e.g. B. made of aluminum, is preferably secondarily in a second cavity, the concentric and at a certain distance from the first cavity in a third resistor facing the housing half
  • the ohmic portion of the third resistor is third, the ohmic portion of the third resistor is significantly lower than the resistance of the housing (with toroidal core) and further preferably has the ceramic disc in the area outside the annular third resistor an electrical
  • the preferred use of aluminum as the conductive material for the housing of the broadband directional coupler additionally achieves the best possible heat dissipation for coaxial conductor currents in the higher power range at low weight.
  • a conductive layer on the side of the ceramic disc, on which the third resistor is applied to the ceramic disc - hereinafter called the first side of the ceramic disc - exists
  • the electrical connection in the ceramic disc between the two adjacent halves of the housing is preferably over many vias
  • the voltage across the third resistor which corresponds to the outer conductor current and thus the inner conductor current of the coaxial line, is preferably connected to the second terminal of the second resistor via a wire, which is contacted with the conductive layer on the ceramic disc within the annular third resistor
  • the wire is in one of
  • the first resistor whose first terminal is connected to the inner conductor of the coaxial line, is preferably located in a third cavity of the housing of the broadband coupler which has only one slot to the first cavity for making the connection between the inner conductor of the coaxial line and the first
  • the first resistor is preferably realized as a resistance layer, which is printed on a ceramic substrate.
  • the first resistor is preferably in the region of its first and second terminals on a large area, z. B. made of aluminum, to the third cavity
  • the first resistance is above and below it
  • the measuring unit for determining the power of a
  • leading high-frequency signal is preferably galvanically separated from the measuring unit for determining the power of a returning high-frequency signal. In this way, a mutual galvanic coupling of the measuring signals is avoided.
  • annular groove whose diameter is slightly smaller than the outer diameter of the substantially rotationally symmetrical housing of the Breitbandrichtkopplers and in the special springs for electromagnetic
  • Shielding of the measuring arrangement of the Breitbandrichtkopplers are inserted against electromagnetic interference from the outside.
  • Fig. 1 is a circuit diagram with the inventive
  • Breitbandrichtkoppler 1 is a representation of a cross section and a plan view of a first housing half of a broadband directional coupler according to the invention with integrated shunt measuring resistor,
  • Ceramic disc with integrated shunt measuring resistor a three-dimensional representation of a
  • Voltage measuring resistor a representation of a plan view of a voltage-measuring resistor, a three-dimensional representation of an embodiment of the
  • Breitbandrichtkopplers a circuit diagram of a measuring unit for
  • High frequency signal a circuit diagram of a measuring unit for
  • High-frequency signal 8 is a schematic diagram of the course of the
  • Fig. 9 is a schematic representation of the courses
  • the basic measuring arrangement with the broadband directional coupler according to the invention which is essential for the understanding of the broadband directional coupler according to the invention, will be explained with reference to FIG.
  • Fig. 1 the measuring arrangement for measuring voltage and current of the inner conductor of a coaxial line
  • the coaxial line 1 consists of an inner conductor 2 and a concentric to the inner conductor 2 outer conductor 3. The outside of the
  • Outer conductor 3 is, as indicated in Fig. 1,
  • the inner conductor 2 is typically provided at its input-side terminal 4 with a broadband not shown in FIG.
  • explanatory measuring unit to be processed measuring voltage is designed. For a voltage difference between a voltage to be measured at the inner conductor and a measuring voltage to be processed in the measuring unit in the amount of 1000: 1 and for a kilowatt-range designed
  • Resistor 8 typically has a resistance of 50 k ⁇ , which is also high voltage resistant to an internal conductor voltage of approximately 1200 volts
  • the second terminal 9 of the first resistor 8 is connected via a node 10, on the one hand, to the first terminal 11 of a voltage divider associated second resistor 12 and on the other hand via a suitably dimensioned decoupling resistor 13 with the decoupling connection 14, to the still to be explained measuring unit connected, connected.
  • Resistor 12 is connected via a further node 16 to the first terminal 17 of a third resistor 18, which as a shunt measuring resistor to the inner conductor current
  • Coaxial line 1 measures, and on the other hand with the
  • Resistor 18 and positioned on the high voltage side of the voltage divider and serving as a voltage sense resistor first resistor. 8
  • Voltage divider positioned second resistor 12 and the decoupling resistor 13 are located within a still to be discussed measuring unit, which is provided with suitable electromagnetic shielding measures, and therefore need not by a separate
  • Resistor 18 which provides a voltage proportional to the current in the coaxial line, is described with reference to FIGS. 2A, 2B, 3, 6, 8 and 9.
  • the third resistor 18 is, as is apparent from Fig. 1, at its first terminal 17 with the inner side 19 of the outer conductor 3 of the coaxial line 1, on which the
  • the coaxial line 1 is separated in a region of the Breitbandrichtkopplers and the outer conductor 3 of the coaxial line 1 by a
  • Housing 21 replaced, on the one hand a good electrical conductivity for guiding the outer conductor current and on the other hand a good thermal conductivity to
  • the housing 21 has like the
  • the housing 21 by a respective ceramic disk 22 is preferably made
  • Ceramic disc 22 and the associated housing halves 23i and 23 2 and 23 2 and 23 3 to reduce or completely eliminate, in one of the first side of the respective ceramic disc 22 opposite end face of a housing half 23i and 23 3 to the inner conductor 2 of
  • Coaxial line 1 concentrically arranged annular Senknuten 41 are provided, in each of which contact springs 24th for mechanical contacting between the housing halves 23i and 23 3 and the respective ceramic disc 22nd
  • Housing halves 23i and 23 2 and 23 2 and 23 3 are connected to each other via screws 43, which in axially aligned bores 44 at the end faces of
  • Housing halves 23i and 23 2 and 23 2 and 23 3 are performed. Which the coaxial lines 1 respectively facing
  • Housing halves 23i and 23 2 and 23 3 are likewise fastened to the coaxial lines 1 via screws 43 guided in axially aligned bores 44 of the housing halves 23i and 23 3 .
  • Resistor 18 with a conductive layer, preferably coated with silver palladium.
  • the rotationally symmetrical executed housing halves 23i, 23 2 and 23 3 each have an axial, as the first
  • Cavity 25 serving inner bore, in each of which the inner conductor 2 of the coaxial line 1 is guided.
  • Inner conductor 2 is in this case supported via a support plate 42 to the inside of the housing 21.
  • the first cavity 25 in the first side of the individual ceramic discs 22 respectively facing housing halves 23i and 23 3 is stepped, wherein the inner diameter of the first cavity 25 in the region of the ceramic disc 22 is smaller than the inner diameter of the first cavity 25 in the region of the terminal of the coaxial line 1 is executed and the Inner diameter of one in the ceramic disc 22nd
  • a second cavity 27 arranged concentrically to the first cavity 25 and annularly executed is provided at a certain distance from the first cavity 25, which is in direct contact with the respective ceramic disk 22 and in which a ring core 28 with a high permeability, preferably a nanocrystalline ring core with an inductance of 120 ⁇ , is inserted.
  • a ring core 28 with a high permeability preferably a nanocrystalline ring core with an inductance of 120 ⁇
  • respective housing halves 23i and 23 2 and 23 2 and 23 3 are embedded, electrically conductive with each other
  • the diameter of the annular Fräsnuten 30 is slightly smaller than the largest radial extent of the rotationally symmetrical housing 21 executed and serves on the one hand as electromagnetic shielding of the coaxial line 1 and the entire invention
  • the first side of a ceramic disc 22 is electrically connected via a plurality of plated-through holes 31 with the opposite second side of the ceramic disc 22.
  • the vias 31 are in a particular Angular grid according to the number of
  • annular third resistor 18 is.
  • Inner diameter of the annular third resistor 18 is larger than the outer diameter of the ring core 28, while the outer diameter of the annular third resistor 18 is made smaller than the diameter of the pitch circle of the plated-through holes.
  • the voltage applied to the node 16 voltage potential is applied to the electrically conductive coating on the
  • annular third resistor 18 located inside surface 33 of the first side of the ceramic disc 22 via a solder connection to a wire 32 and the second terminal 15 of the second resistor 12, which is located in a measuring unit to be described later. To electromagnetic interference on the wire 32 and thus a measured at the node 16
  • the wire 32 in a free of electromagnetic fields recess 34, preferably in one of
  • the outer conductor current is not on the inside of the annular third resistor 18
  • next housing half 23 2 continue to flow, but on the conductive coating on the inside surface 23 of the first side of the ceramic disc 22, the
  • annular third resistor 18 the conductive
  • Sheet resistance on the ceramic disc 33 applied annular third resistor 18 and passed only a small part of the outer conductor current as a parasitic outer conductor current to the exposed inner surfaces of the housing half 231 of the housing 21 on the annular third resistor 18.
  • the potential dissipated via a wire 32 to a measuring unit on the coated surface 33 of the first side of the first side of the third housing 18 located between the two housing halves 23 2 and 233 thus corresponds to the negative voltage drop of the outer conductor current at the third resistor 18 opposite to the ground potential outside of the housing 21 and is used to measure the returning high frequency signal.
  • the first resistor 8 for voltage division of the voltage of the inner conductor 2 of the coaxial line 1 to a suitable voltage level for the measuring unit 39 is, as shown in Fig. 1, at its first terminal 7 with the inner conductor 2 of the coaxial line 1 and with a second terminal. 9 connected to the node 10.
  • Resistor 8 is as a resistive layer on one
  • the first resistor 8 is for voltages up to maximum 1200 V effective and powers up to 8000 W
  • the first resistor 8 is shown in FIG. 8 in a third cavity 36 within the housing 21, preferably housed within the housing half 23 2 .
  • Resistance layer of the first resistor 8 is above and below the inner walls of the third
  • the first resistor 8 is shown in FIG. 5 in the area outside its first and second terminals 7 and 9 each mounted in a counter bearing 37. These abutments (bearing surfaces) 37 are dependent on the standing wave ratio,
  • thermal conductivity preferably made of aluminum, in order to optimally dissipate the heat generated in the resistance layer of the first resistor 8.
  • a power of 8000 W to be transmitted on the coaxial line 1 and a standing wave ratio of 10 approximately 25 W of heat must be dissipated by the first resistor 8.
  • Resistor 8 is shown in FIG. 4 and 8 separated only by a slot 38 from the first cavity 25.
  • the extent of the slot 38 corresponds to the cross section of
  • Broadband directional coupler i. from the inner conductor 2 of
  • Coaxial line 1 which is undesirable superimposed on the voltage drop across the first resistor 8, prevented.
  • the measured at the third resistor 18 at node 16 and passed over the wire 32 measuring voltage, which is proportional to the outer conductor of the coaxial coaxial line 1, and tapped at the node 10 measuring voltage, which detected at the inner conductor 2 of the coaxial line 1 through the first resistor 8 and divided Are voltage are used to measure the leading high-frequency signal and the returning high-frequency signal in each case a measuring unit 39 according to FIGS. 7A and 8 in the case of
  • the measuring voltages respectively detected at the two contacts 10 and 16 are supplied to the first terminal 11 and the second terminal 15 of the second resistor 12 in the measuring unit 39.
  • the second resistor 12 is in the illustration of Figures 7A and 7B by a
  • the voltage Ui dropping across the third resistor 18 is applied to the capacitor 44 which is connected between the node 16 and the ground, which voltage is proportional to the outer conductor current and thus to the inner conductor current of the coaxial line 1.
  • Equation (2) is applied to the capacitor 45, the difference U v -U 1 of the voltage dropping across the second resistor 12 and the voltage drop U v 3 at the third resistor 18 at.
  • the variable P Wirk represents the active power transmitted by the broadband directional coupler according to the present invention
  • the variable VSWR represents the voltage standing wave ratio of the coaxial line 1
  • the variable k represents a proportionality factor.
  • Filter circuit is realized as r-circuit and consists of the parallel connection of the capacitor 46 with a fixed capacitance and in terms of its
  • the filter circuit is connected via the output resistor 13 to the output 40 of the filter circuit and thus the measuring unit 39.
  • the output 40 realized as a coaxial conductor connection, typically as an SMP or SMA connection, a measuring voltage proportional to the leading high-frequency signal or the returning high-frequency signal can be tapped off.
  • the broadband directional coupler according to the invention is not limited to the illustrated embodiment. Of the

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Abstract

Ein Breitbandrichtkoppler zur Messung einer Leistung eines vorlaufenden oder eines rücklaufenden Hochfrequenzsignals auf einer Koaxialleitung (1) besteht aus einem Spannungsteiler aus einem ersten Widerstand (8), einem zweiten Widerstand (12) und einem dritten Widerstand (18). Der erste Anschluss (6) des ersten Widerstands (8) ist mit einem Innenleiter (2) der Koaxialleitung (1), der zweite Anschluss (9) des ersten Widerstands (8) und der erste Anschluss (11) des zweiten Widerstands (12) sind mit einer Messeinheit (39) verbunden. Der erste Anschluss (17) des dritten Widerstands (18) ist mit einem Außenleiter (19) der Koaxialleitung (1) und dem zweiten Anschluss (15) des zweiten Widerstands (12) verbunden. Der zweite Anschluss (20) des dritten Widerstands (18) ist mit einer Masse verbunden. Der dritte Widerstand (18) ist ringförmig und konzentrisch zum Innenleiter (2) in einer zum Innenleiter 82) orthogonal orientierten Ebene angeordnet.

Description

Breitbandrichtkoppler
Die Erfindung betrifft einen Richtkoppler zur Messung einer Leistung eines auf einer Koaxialleitung vorlaufenden Hochfrequenzsignals und/oder eines rücklaufenden
Hochfrequenzsignals in einem weiten Frequenzbereich, bevorzugt von 9 kHz bis 1 GHz.
Richtkoppler werden vor allem auf einer
Hochfrequenzstrecke zwischen einem breitbandigen
Leistungsverstärker und einer komplexen Last, bevorzugt einer Sender-Antenne, eingesetzt, um anhand der Messung des vorlaufenden Hochfrequenzsignals und des rücklaufenden Hochfrequenzsignals eine Fehlanpassung zwischen
Leistungsverstärker und komplexer Last zu identifizieren und beim Überschreiten eines Richtwertes für die
Fehlanpassung den Leistungsverstärker gezielt und rasch abzuschalten . Ein derartiger Richtkoppler ist beispielsweise aus der DE 10 2010 009 227 AI bekannt. Die Richtkoppler ist dabei symmetrisch aufgebaut, indem er die Koaxialleitung für das vorlaufende Hochfrequenzsignal und für das rücklaufende Hochfrequenzsignal jeweils an einer Stelle auftrennt und jeweils eine Messung der Innenleiter-Spannung und eine Messung des Innenleiter-Stroms durchführt. Für den Fall des vorlaufenden Hochfrequenzsignals überlagern sich die für die Messung der Innenleiter-Spannung und des
Innenleiter-Stroms jeweils erfassten Spannungen additiv, während sich für den Fall des rücklaufenden
Hochfrequenzsignals die für die Messung der Innenleiter- Spannung und des Innenleiter-Stroms jeweils erfassten Spannungen subtraktiv überlagern. Im Fall einer Anpassung ergibt die Subtraktion der für die Innenleiter-Spannung und den Innenleiter-Strom jeweils erfassten Spannungen einen Idealwert von null. Bei einer Fehlanpassung wird die Spannungsdifferenz ungleich null. Bei einem unendlichen VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) , deutsch Spannungs- Stehwellenverhältnis) sind die für das vorlaufenden
Hochfrequenzsignal und für das rücklaufende
Hochfrequenzsignal jeweils ermittelte überlagerte Spannung gleich groß. Ein derartiger Richtkoppler ist für einen breitbandigen Einsatz weniger geeignet, da aufgrund von parasitären elektromagnetischen Einstreuungen von der Koaxialleitung in die einzelnen Meßeinheiten - Shunt-Widerstand zur Messung des Innenleiterstroms , ohmscher Spannungsteiler zur Messung der Innenleiterspannung, Meßleitungen und
Messeschaltungen zur Addition bzw. Subtraktion der beiden Messespannungen - den einzelnen Messspannungen
Störspannungen überlagert werden, die gegenüber den
Messspannungen phasenversetzt und frequenzabhängig sind. Somit ergeben sich für das vorauslaufende
Hochfrequenzsignal und für das rücklaufende
Hochfrequenzsignal jeweils einerseits von der Frequenz abhängige und andererseits zueinander unterschiedliche Amplituden- und Phasengänge. Die Richtwirkung über einen weiten Frequenzbereich ist somit bei einem derartigen Richtkoppler nicht gegeben.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Richtkoppler zu schaffen, der über einen möglichst weiten
Frequenzbereich eine hohe Richtcharakteristik aufweist.
Die Aufgabe wird durch einen erfindungsgemäßen
Breitbandrichtkoppler mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte technische Erweiterungen der Erfindung sind in jeweils abhängigen Patentansprüchen aufgeführt.
Die erfindungsgemäße Meßanordnung zur Messung des
Innenleiterstromes und der Innenleiterspannung aus einem ersten Widerstand, dessen erster Anschluss bevorzugt mit dem Innenleiter der Koaxialleitung und dessen zweiter Anschluss bevorzugt mit einer Meßeinheit und einem ersten Anschluss eines zweiten Widerstandes verbunden ist, und einem dritten Widerstand, dessen erster Anschluss
bevorzugt mit einem Außenleiter der Koaxialleitung und dem zweiten Anschluss des zweiten Widerstandes und dessen zweiter Anschluss bevorzugt mit einer Masse verbunden ist, wird erfindungsgemäß dadurch optimiert, dass der dritte Widerstand einerseits ringförmig ausgeführt ist und andererseits konzentrisch zum Innenleiter der
Koaxialleitung in einer zum Innenleiter orthogonal
orientierten Ebene angeordnet ist. Aufgrund der Ausführung des dritten Widerstandes, der den Shunt-Widerstand zur Messung des Außenleiterstromes und damit des Innenleiterstromes darstellt, als ringförmiger Einzelwiderstand weist dieser gegenüber einer
Parallelschaltung einer Vielzahl von einzelnen, in einem Kreis angeordneten Widerständen nach dem obig genannten Stand der Technik eine vernachlässigbar kleine induktive Impedanz auf, die seriell zum ohmschen Anteil des dritten Widerstands geschaltet ist. Die vernachlässigbar kleine induktive Impedanz und die konzentrische Anordnung des dritten Widerstands in einer zum Innenleiter der
Koaxialleitung orthogonal orientierten Ebene verhindert eine elektromagnetische Induktion einer Streuspannung vom Innenleiter der Koaxialleitung im ringförmigen dritten Widerstand. Außerdem ermöglicht die ringförmige Ausgestaltung des dritten Widerstands eine weitflächigere und gleichmäßigere Verteilung der Wärmeverluste entlang des Widerstandringes. Ist der dritte Widerstand zusätzlich bevorzugt niederohmig ausgeführt, so verhindert der dritte Widerstand in
Kombination mit seiner vernachlässigbar kleinen induktiven Impedanz eine unerwünscht starke Dämpfung und
Phasenverzerrung des Hochfrequenzsignals in der
Hochfrequenzstrecke. Auf diese Weise kann der
erfindungsgemäße Breitbandrichtkoppler auch in einer
Hochfrequenzstrecke vorteilhaft zum Einsatz kommen, in der Hochfrequenzsignale mit hohem Leistungspegel übertragen werden .
Der dritte Widerstand ist bevorzugt auf einer mit einer leitfähigen Schicht beschichteten ersten Seite einer
Keramikscheibe aufgebracht, die spaltfrei zwischen zwei plangedrehten Stirnflächen von zwei Hälften eines im wesentlichen rotationssymmetrisch um den Innenleiter der Koaxialleitung angeordneten Gehäuses des
Breitbandrichtkoppler befestigt ist. Da der dritte
Widerstand bevorzugt in axialer Richtung eine kleinere Ausdehnung als in radialer Richtung aufweist, muss die dem dritten Widerstand zugewandte Stirnfläche einer
Gehäusehälfte im Bereich des dritten Widerstandes
lediglich eine Fräsrille mit geringer Tiefe aufweisen, um den dritten Widerstand darin einzuführen und gleichzeitig einen spaltfreien mechanischen Kontakt zwischen einer Gehäusehälfte und der Keramikscheibe im restlichen Bereich der Keramikscheibe zu verwirklichen. Die Keramikscheibe weist zusätzlich in ihrem Zentrum bevorzugt eine Bohrung für einen zylindrischen ersten Hohlraum zur Führung des Innenleiters der Koaxialleitung auf. Diese Bohrung ist nicht metallisiert.
Ist bevorzugt erstens das Gehäuse des
Breitbandrichtkoppler aus einem elektrischen leitfähigen Material, z. B. aus Aluminium, hergestellt, ist bevorzugt zweitens in einem zweiten Hohlraum, der konzentrisch und in einem bestimmten Abstand zum ersten Hohlraum in einer dem dritten Widerstand zugewandten Gehäusehälfte
angeordnet ist, ein hochpermeabler Ringkern eingefügt, ist weiter bevorzugt drittens der ohmsche Anteil des dritten Widerstandes deutlich geringer als der Widerstand des Gehäuses (mit Ringkern) und weist die Keramikscheibe weiter bevorzugt viertens im Bereich außerhalb des ringförmigen dritten Widerstandes eine elektrische
Verbindung zwischen den beiden Gehäusehälften auf, so fließt ein Großteil des Außenleiterstromes der
Koaxialleitung an der Innenseite des Gehäuses, d.h. im Bereich zwischen dem ersten und dem zweiten Hohlraum, über den auf der Keramikscheibe aufgebrachten dritten
Widerstand durch die elektrische Verbindung zur
Gehäusehälfte des Breitbandrichtkopplers , die dem dritten Widerstand abgewandt ist, und schließlich zur Innenseite der dem dritten Widerstand abgewandten Gehäusehälfte.
Die bevorzugte Verwendung von Aluminium als leitfähiges Material für das Gehäuse des Breitbandrichtkopplers erzielt zusätzlich eine möglichst gute Wärmeableitung bei Koaxialleiterströmen im höheren Leistungsbereich bei niedrigem Gewicht.
Der im zweiten Hohlraum vorzugsweise eingefügte
hochpermeable Ringkern, dessen mittlerer Durchmesser kleiner als der mittlere Durchmesser des ringförmigen dritten Widerstand ist, zwingt einen Großteil des
Außenleiterstromes der Koaxialleitung auf der Innenseite des Gehäuses im Bereich zwischen dem ersten und zweiten Hohlraum zu fließen.
Durch die bevorzugte spaltfreie Befestigung der
Keramikscheibe zwischen den beiden Hälften des Gehäuses besteht ein direkter mechanischer und elektrischer Kontakt zwischen den beiden Gehäusehälften und der Keramikscheibe. Durch die Aufbringung einer leitfähigen Schicht auf der Seite der Keramikscheibe, auf der der dritte Widerstand auf der Keramikscheibe aufgebracht ist - im folgenden erste Seite der Keramikscheibe genannt - , besteht
zusätzlich ein direkter elektrischer Kontakt zwischen der Gehäusehälfte des Breitbandrichtkopplers , in der der hochpermeable Ringkern angeordnet ist, und der ersten Seite der Keramikscheibe und damit dem auf der ersten Seite aufgebrachten dritten Widerstand. Die elektrische Verbindung in der Keramikscheibe zwischen den beiden angrenzenden Hälften des Gehäuses wird in bevorzugter Weise über viele Durchkontaktierungen
realisiert, die auf einem zum ringförmigen dritten
Widerstande konzentrischen und außerhalb des ringförmigen dritten Widerstandes befindlichen Kreis in einem
bestimmten Winkelraster angeordnet sein können.
Die Spannung am dritten Widerstand, die dem Außenleiter- Strom und damit dem Innenleiterstrom der Koaxialleitung entspricht, wird bevorzugt über einen Draht, der mit der leitenden Schicht auf der Keramikscheibe innerhalb des ringförmigen dritten Widerstandes kontaktiert wird, zum zweiten Anschluss des zweiten Widerstandes der
Meßanordnung geführt. Um eine unerwünschte elektromagnetische Einstreuung vom Innenleiter der
Koaxialleitung auf die Drahtverbindung und damit eine unerwünschte zusätzlich überlagerte Störspannung zu verhindern, wird der Draht in einem von
elektromagnetischen Feldern freien Kanal des Gehäuses zum zweiten Anschluss des zweiten Widerstands geführt.
Der erste Widerstand, dessen erster Anschluss mit dem Innenleiter der Koaxialleitung verbunden ist, befindet sich bevorzugt in einem dritten Hohlraum des Gehäuses des Breitbandrichtkopplers , der einzig einen Schlitz zum ersten Hohlraum zur Durchführung der Verbindung zwischen dem Innenleiter der Koaxialleitung und dem ersten
Anschluss des ersten Widerstandes aufweist. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass sich der erste Widerstand in einem vom elektrischen Feld des Innenleiters freien
Hohlraum befindet und keine unerwünschten Störspannungen zwischen erstem Widerstand und dem Gehäuse erzeugt werden. Der erste Widerstand ist bevorzugt als Widerstandschicht realisiert, die auf einem Keramiksubstrat aufgedruckt ist. Der erste Widerstand liegt bevorzugt im Bereich seiner ersten und zweiten Anschlüsse auf einem großflächigen, z. B. aus Aluminium bestehenden, zum dritten Hohlraum
gehörigen Gegenlager auf. Auf diese Weise ist eine
optimale Wärmeabfuhr vom ersten Widerstand möglich. Der erste Widerstand liegt oberhalb und unterhalb seiner
Widerstandschicht frei, wodurch gleichzeitig eine optimale elektrische Isolation und eine optimale Wärmeabstrahlung zum Gehäuse des Breitbandrichtkopplers verwirklicht werden und parasitäre Kapazitäten gegenüber dem Gehäuse minimiert werden . Die Meßeinheit zur Bestimmung der Leistung eines
vorlaufenden Hochfrequenzsignals oder eines rücklaufenden Hochfrequenzsignals ist bevorzugt in einem feldfreien vierten Hohlraum des Gehäuses oder in einem von
elektromagnetischen Feldern abgeschirmten und direkt mit dem Gehäuse des Breitbandrichtkopplers verbundenen
Zusatzgehäuse auf einer gedruckten Schaltung
untergebracht .
Die Meßeinheit zur Bestimmung der Leistung eines
vorlaufenden Hochfrequenzsignals ist bevorzugt galvanisch von der Messeinheit zur Bestimmung der Leistung eines rücklaufenden Hochfrequenzsignals getrennt. Auf diese Weise wird eine gegenseitige galvanische Verkoppelung der Meßsignale vermieden.
Schließlich weisen die Stirnflächen von jeweils gegenüber liegenden Gehäusehälften bevorzugt jeweils eine
kreisringförmige Rille auf, deren Durchmesser geringfügig kleiner als der Außendurchmesser des im wesentlichen rotationssymmetrischen Gehäuses des Breitbandrichtkopplers ist und in der Spezialfedern zur elektromagnetische
Abschirmung der Meßanordnung des Breitbandrichtkopplers gegen elektromagnetische Einstreuungen von außen eingefügt sind .
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen
Breitbandrichtkopplers werden im Folgenden anhand der Zeichnung im Detail beispielhaft erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein Schaltdiagramm mit dem erfindungsgemäßen
Breitbandrichtkoppler eine Darstellung eines Querschnitts und einer Draufsicht einer ersten Gehäusehälfte eines erfindungsgemäßen Breitbandrichtkopplers mit integrierten Shunt-Messwiderstand,
eine Darstellung eines Querschnitts und einer Draufsicht einer zweiten Gehäusehälfte eines erfindungsgemäßen Breitbandrichtkopplers mit integrierten Shunt-Messwiderstand, eine Darstellung einer Draufsicht einer
Keramikscheibe mit integrierten Shunt- Messwiderstand, eine dreidimensionale Darstellung einer
Gehäusehälfte eines Ausführungsbeispiels des Breitbandrichtkopplers mit integrierten
Spannung-Messwiderstand, eine Darstellung einer Draufsicht eines Spannungs-MesswiderStands , eine dreidimensionale Darstellung eines Ausführungsbeispiels des
Breitbandrichtkopplers , ein Schaltdiagramm einer Meßeinheit zur
Erfassung eines vorlaufenden
Hochfrequenzsignals , ein Schaltdiagramm einer Meßeinheit zur
Erfassung eines rücklaufenden
Hochfrequenzsignals , Fig. 8 eine prinzipielle Darstellung des Verlaufs des
Außenleiterstromes in einem erfindungsgemäßen Breitbandrichtkoppler und Fig. 9 eine prinzipielle Darstellung der Verläufe
aller in einem erfindungsgemäßen
Breitbandrichtkoppler auftretenden Ströme.
Bevor der erfindungsgemäße Breitbandrichtkoppler im Detail vorgestellt wird, wird die prinzipielle Meßanordnung mit dem erfindungsgemäßen Breitbandrichtkoppler, die für das Verständnis des erfindungsgemäßen Breitbandrichtkopplers wesentlich ist, anhand von Fig. 1 erläutert. In Fig. 1 ist die Meßanordnung zur Messung von Spannung und Strom des Innenleiters einer Koaxialleitung
dargestellt, die für die Messung eines vorlaufenden
Hochfrequenzsignals und eines rücklaufenden
Hochfrequenzsignals identisch ist. Die Koaxialleitung 1 besteht aus einem Innenleiter 2 und einem zum Innenleiter 2 konzentrischen Außenleiter 3. Die Außenseite des
Außenleiters 3 ist, wie in Fig. 1 angedeutet ist,
einseitig auf Massepotential gelegt. Der Innenleiter 2 ist an seinem eingangsseitigen Anschluss 4 typischerweise mit einem in Fig. 1 nicht dargestellten breitbandigen
Leistungsverstärker und an seinem ausgangsseitigen
Anschluss 5 mit einer in Fig. 1 nicht dargestellten komplexen Last, typischerweise einer Sende-Antenne, verbunden .
Eingangsseitig ist der Innenleiter 2 zur Messung der
Spannung des Innenleiters 2 an einem Knoten 6 mit dem ersten Anschluss 7 eines zu einem Spannungsteiler
gehörigen ersten Widerstandes 8 verbunden, der vergleichsweise hochohmig im Hinblick einen hohen
Teilungsfaktor zwischen der zu messenden Spannung am
Innenleiter 2 und einer von einer später noch zu
erklärenden Meßeinheit zu verarbeitenden Messspannung ausgelegt ist. Für einen Spannungsunterschied zwischen einer zu messenden Spannung am Innenleiter und einer in der Messeinheit zu verarbeitenden Messspannung in Höhe von 1000:1 und für einen im Kilowatt-Bereich ausgelegten
Breitbandrichtkoppler empfiehlt sich für den ersten
Widerstand 8 typischerweise ein Widerstandswert von 50 kQ , der zusätzlich auch hochspannungsfest gegenüber einer Innenleiter-Spannung von circa 1200 Volt effektiv
ausgelegt sein muss. Der zweite Anschluss 9 des ersten Widerstandes 8 ist über einen Knoten 10 einerseits mit dem ersten Anschluss 11 eines zum Spannungsteilern gehörigen zweiten Widerstandes 12 und andererseits über einen geeignet dimensionierten Auskoppel-Widerstand 13 mit dem Auskoppel-Anschluss 14, der an die noch zu erklärende Meßeinheit angeschlossen ist, verbunden. Der zweite Anschluss 15 des zweiten
Widerstands 12 ist über einen weiteren Knoten 16 mit dem ersten Anschluss 17 eines dritten Widerstands 18, der als Shunt-Messwiderstand den zum Innenleiterstrom
näherungsweise identischen Außenleiterstrom der
Koaxialleitung 1 misst, und andererseits mit der
Innenseite 19 des Außenleiters 3 der Koaxialleitung 1 verbunden. Der zweite Anschluss 20 des dritten Widerstands 18 ist an Masse geführt. Zusätzliche parasitäre
Kapazitäten, wie sie in einer derartigen Meßanordnung anzutreffen sind und in der DE 10 2010 009 227 AI
beschrieben sind, werden der Einfachheit halber in Fig. 1 nicht dargestellt. Um induktiv und kapazitiv in der Meßanordnung erzeugte Störspannungen zu verhindern und damit ein korrekteres Messergebnis zu erzielen, werden im Folgenden die dafür erforderlichen konstruktiven Ausführungen insbesondere des als Shunt-Strommesswiderstand dienenden dritten
Widerstands 18 und des auf der Hochspannungsseite des Spannungsteilers positionierten und als Spannungs- Messwiderstand dienenden ersten Widerstandes 8
vorgestellt. Der auf der Niederspannungsseite des
Spannungsteilers positionierte zweite Widerstand 12 und der Auskoppel-Widerstand 13 befinden sich innerhalb einer noch zu besprechenden Meßeinheit, die mit geeigneten elektromagnetischen Abschirmungsmaßnahmen versehen ist, und müssen deshalb nicht durch eine gesonderte
konstruktive Ausführung ausgelegt sein.
Zuerst wird die konstruktive Ausführung des dritten
Widerstands 18, der eine dem Strom in der Koaxialleitung proportionale Spannung liefert, anhand der Figuren 2A, 2B, 3, 6, 8 und 9 beschrieben.
Der dritte Widerstand 18 ist, wie aus Fig. 1 hervorgeht, an seinem ersten Anschluss 17 mit der Innenseite 19 des Außenleiters 3 der Koaxialleitung 1, auf der der zum
Innenleiter-Strom der Koaxialleitung 1 identische
Rückstrom fließt, und an seinem zweiten Anschluss 20 mit der Masse galvanisch verbunden. Um den Innenleiter-Strom der Koaxialleitung 1 zu erfassen, wird die Koaxialleitung 1 in einem Bereich des Breitbandrichtkopplers aufgetrennt und der Außenleiter 3 der Koaxialleitung 1 durch ein
Gehäuse 21 ersetzt, das einerseits eine gute elektrische Leitfähigkeit zur Führung des Außenleiterstromes und andererseits eine gute thermische Leitfähigkeit zur
Abführung der in den einzelnen Widerständen jeweils entstehenden Wärme besitzt und deshalb bevorzugt aus
Aluminium besteht. Das Gehäuse 21 weist wie der
Außenleiter 3 der Koaxialleitung 1 eine
rotationssymmetrische Form auf.
Für die Messung des Innenleiterstroms des vorlaufenden Hochfrequenzsignals und Innenleiterstroms des
rücklaufenden Hochfrequenzsignals ist das Gehäuse 21 durch jeweils eine Keramikscheibe 22 bevorzugt aus
Aluminiumnitrid mit einer vergleichsweise hohen
thermischen Leitfähigkeit von 180-190 W/m2K und einer Dielektrizitätszahl sr von 9,5 mit einem auf der ersten Seite der Keramikscheibe 22 aufgebrachten dritten
Widerstand 18 von bevorzugt 47 πιΩ unterbrochen, die jeweils zwischen zwei Hälften 23i und 232 bzw. 232 und 233 des Gehäuses 21 fest und spaltfrei fixiert ist.
Um eine spaltfreie Fixierung der beidseitig weitestgehend planen Keramikscheibe 22 innerhalb von jeweils zwei
Hälften 23i und 232 bzw. 232 und 233 des Gehäuses 21 zu realisieren, sind die Stirnfläche der einzelnen Hälften 23i und 232 bzw. 232 und 233 des Gehäuses 21 plangedreht. Um die Auswirkung von eventuell auftretenden Unebenheiten an den Planflächen der Keramikscheibe 22 und an den
Stirnflächen der Gehäusehälften 23i und 232 bzw. 232 und 233 auf die Spielfreiheit zwischen der jeweiligen
Keramikscheibe 22 und den zugehörigen Gehäusehälften 23i und 232 bzw. 232 und 233 zu verringern bzw. vollständig zu beseitigen, sind in einer der ersten Seite der jeweiligen Keramikscheibe 22 gegenüberliegenden Stirnseite einer Gehäusehälfte 23i bzw. 233 zum Innenleiter 2 der
Koaxialleitung 1 konzentrisch angeordnete, ringförmige Senknuten 41 vorgesehen, in denen jeweils Kontaktfedern 24 zur mechanischen Kontaktierung zwischen den Gehäusehälften 23i bzw. 233 und der jeweiligen Keramikscheibe 22
eingefügt sind. Die jeweils gegenüber liegenden
Gehäusehälften 23i und 232 bzw. 232 und 233 sind jeweils über Schrauben 43 miteinander verbunden, die in axialen ausgerichteten Bohrungen 44 an den Stirnflächen der
Gehäusehälften 23i und 232 bzw. 232 und 233 geführt sind. Die den Koaxialleitungen 1 jeweils zugewandten
Gehäusehälften 23i und 232 und 233 sind ebenfalls über in axialen ausgerichteten Bohrungen 44 der Gehäusehälften 23i und 233 geführten Schrauben 43 an die Koaxialleitungen 1 befestigt .
Um zusätzlich einen elektrischen Kontakt zwischen den Gehäusehälften 23i bzw. 233 und der ersten Seite der jeweiligen Keramikscheibe 22 zu erzielen, ist die
Keramikscheibe 22 auf ihrer ersten Seite innenseitig und außenseitig des ringförmig ausgeführten dritten
Widerstands 18 mit einer leitfähigen Schicht, bevorzugt mit Silberpalladium, beschichtet.
Die rotationssymmetrisch ausgeführten Gehäusehälften 23i, 232 und 233 weisen jeweils eine axiale, als erster
Hohlraum 25 dienende Innenbohrung auf, in der jeweils der Innenleiter 2 der Koaxialleitung 1 geführt ist. Der
Innenleiter 2 ist hierbei über eine Stützscheibe 42 zur Innenseite des Gehäuses 21 abgestützt. Der erste Hohlraum 25 in den der ersten Seite der einzelnen Keramikscheiben 22 jeweils zugewandten Gehäusehälften 23i und 233 ist gestuft ausgeführt, wobei der Innendurchmesser des ersten Hohlraums 25 im Bereich der Keramikscheibe 22 kleiner als der Innendurchmesser des ersten Hohlraum 25 im Bereich des Anschlusses der Koaxialleitung 1 ausgeführt ist und dem Innendurchmesser einer in der Keramikscheibe 22
vorgesehenen Innenbohrung 26 entspricht.
Im Bereich des geringeren Innendurchmessers des in den Gehäusehälften 23i und 233 jeweils eingelassenen ersten Hohlraums 25 ist in einem bestimmten Abstand zum ersten Hohlraum 25 ein zum ersten Hohlraum 25 konzentrisch angeordneter und ringförmig ausgeführter zweiter Hohlraum 27 vorgesehen, der im direkten Kontakt mit der jeweiligen Keramikscheibe 22 steht und in dem ein Ringkern 28 mit einer hohen Permeabilität, bevorzugt ein nanokristalliner Ringkern mit einer Induktivität von 120 μΗ , eingefügt ist . Jeweils zwei aneinander grenzende Gehäusehälften 23i und 232 bzw. 232 und 233 sind im Bereich der jeweiligen
Keramikscheibe 22 über mehrere Spezialfedern 29, die in ringförmigen Fräsnuten 30 an den Stirnflächen der
jeweiligen Gehäusehälften 23i und 232 bzw. 232 und 233 eingelassen sind, elektrisch leitend miteinander
verbunden. Der Durchmesser der ringförmigen Fräsnuten 30 ist geringfügig kleiner als die größte radiale Ausdehnung des rotationssymmetrischen Gehäuses 21 ausgeführt und dient einerseits als elektromagnetische Abschirmung der Koaxialleitung 1 und des gesamten erfindungsgemäßen
Breitbandrichtkopplers von externen elektromagnetischen Feldern und andererseits zur Führung von Mantelwellen, die an der Außenseite des Außenleiters 3 der Koaxialleitung 1 fließen .
Die erste Seite einer Keramikscheibe 22 ist über mehrere Durchkontaktierungen 31 mit der entgegengesetzten zweiten Seite der Keramikscheibe 22 elektrisch verbunden. Die Durchkontaktierungen 31 sind in einem bestimmten Winkelraster entsprechend der Anzahl von
Durchkontaktierungen auf einem Kreis angeordnet, dessen Durchmesser größer als der äußere Durchmesser des
ringförmigen dritten Widerstandes 18 ist. Der
Innendurchmesser des ringförmigen dritten Widerstandes 18 ist größer als der Außendurchmesser des Ringkerns 28, während der Außendurchmesser des ringförmigen dritten Widerstands 18 kleiner als der Durchmesser des Lochkreises der Durchkontaktierungen ausgeführt ist.
Das am Knoten 16 anliegenden Spannungspotenzial wird an der elektrisch leitenden Beschichtung auf der zum
ringförmigen dritten Widerstand 18 innenseitig gelegenen Fläche 33 der ersten Seite der Keramikscheibe 22 über eine Lötverbindung zu einem Draht 32 abgegriffen und dem zweiten Anschluss 15 des zweiten Widerstands 12 zugeführt, der sich in einer noch zu beschreibenden Meßeinheit befindet. Um elektromagnetische Einstreuungen auf dem Draht 32 und damit eine dem am Knoten 16 gemessenen
Spannungspotenzial überlagerte Störspannung zu verhindern, wird der Draht 32 in einer von elektromagnetischen Feldern freien Ausnehmung 34, bevorzugt in einem von
elektromagnetischen Feldern freien gefrästen Kanal, innerhalb des Gehäuses 21 geführt.
Die Messung des Innenleiterstroms der Koaxialleitung 1, die auf einer Messung des dem Innenleiterstrom
entsprechenden Außenleiterstromes der Koaxialleitung 1 basiert, wird im Folgenden anhand von Fig. 3, 8 und 9 erläutert. In Fig. 9 sind der Einfachheit halber die
Meßeinheit 39 und die Meßanordnung zur Messung der
Spannung am Innenleiter der Koaxialleitung nicht
dargestellt . Der Außenleiterstrom der Koaxialleitung 1, der aufgrund des Skin-Effekts entlang der Innenseite der Gehäusehälfte 23i des Gehäuses 21 fließt (siehe den mit Pfeilen
versehenen und eine durchgezogene Linie aufweisenden
Verlauf des Außenleiterstromes in den Figuren 8 und 9) , trifft auf die elektrisch leitende Beschichtung auf der zum ringförmigen dritten Widerstand 18 innenseitig
gelegenen Fläche 33 der ersten Seite der Keramikscheibe 22. Da die Impedanz des ringförmigen dritten Widerstands 18 um ein Vielfaches kleiner als die Impedanz des Gehäuses 21 (mit im Hohlraum 17 angeordneten Ringkern 28) ist, wird der Außenleiter-Strom nicht auf der Innenseite des
Gehäuses 21 im Bereich des ersten Hohlraums 25 zur
nächsten Gehäusehälfte 232 weiterfließen, sondern über die leitende Beschichtung auf der innenseitig gelegenen Fläche 23 der ersten Seite der Keramikscheibe 22, den
ringförmigen dritten Widerstand 18, die leitende
Beschichtung auf der zum ringförmigen dritten Widerstand 18 außenseitig gelegenen Fläche 35 der ersten Seite der Keramikscheibe 22, die Durchkontaktierungen 31 zwischen der ersten und der zweiten Seite der Keramikscheibe 22 und über die zweite Seite der Keramikscheibe 22 zurück zur Innenseite der Gehäusehälfte 232 des Gehäuses 21 im
Bereich des ersten Hohlraums 25.
Zusätzlich fließt ein sehr kleiner parasitärer
Außenleiterstrom - in Fig. 9 durch einen mit Pfeilen versehenen, gestrichelten Verlauf dargestellt - von der Innenseite der Gehäusehälfte 23i des Gehäuses 21 entlang der Stirnfläche der Gehäusehälfte 23i des Gehäuses 21 zum zweiten Hohlraum 27, entlang der Innenflächen des zweiten Hohlraums 27, der in der Stirnfläche der Gehäusehälfte 23i des Gehäuses 21 eingelassenen Senknut 41, über die in der Senknut 41 befindlichen Kontaktfeder 24, über die Durchkontaktierungen 31 zwischen der ersten und zweiten Seite der Keramikscheibe 22 und über die zweite Seite der Keramikscheibe 22 zurück zur Innenseite der Gehäusehälfte 232 des Gehäuses 21 im Bereich des ersten Hohlraums 25.
Aufgrund der Wirkung des Ringkerns 28 mit seiner hohen Permeabilitätszahl wird ein Großteil des auf der
Innenseite der Gehäusehälfte 23i des Gehäuses 21
fließenden Außenleiterstromes über die elektrische
Beschichtung der Keramikscheibe 23 und den als
Schichtwiderstand auf der Keramikscheibe 33 aufgebrachten ringförmigen dritten Widerstand 18 geführt und lediglich ein kleiner Teil des Außenleiterstromes als parasitärer Außenleiterstrom an den freiliegenden Innenflächen der Gehäusehälfte 231 des Gehäuses 21 am ringförmigen dritten Widerstand 18 vorbeigeführt.
Das über den Draht 32 an eine Meßeinheit geführte
Potenzial auf der beschichteten, zum ringförmigen dritten Widerstand 18 innenseitig positionierten Fläche 33 der ersten Seite der Keramikscheibe 22 entspricht dem
positiven Spannungsabfall des Außenleiterstromes am dritten Widerstand 18 gegenüber der auf Massepotenzial liegenden Außenseite des Gehäuses 21 und dient zur Messung des vorlaufenden Hochfrequenzsignals.
Wie aus Fig. 8 ersichtlich ist, fließt der
Außenleiterstrom von der Innenseite der Gehäusehälfte 232 des Gehäuses 21 über die zweite Seite der zwischen den beiden Gehäusehälften 232 und 233 befindlichen weiteren Keramikscheibe 22, die Durchkontaktierungen 31 dieser Keramikscheibe 22, die zum ringförmigen dritten Widerstand 18 außenseitig positionierte Fläche 35 der ersten Seite der Keramikscheibe 22, den auf der Keramikscheibe 23 als Schichtwiderstand aufgebrachten ringförmigen dritten
Widerstand 18, die zum ringförmigen dritten Widerstand 18 innenseitige positionierte Fläche 35 der ersten Seite der Keramikscheibe 22 zur Innenseite der Gehäusehälfte 233 des Gehäuses 21.
Das über einen Draht 32 an eine Meßeinheit abgeführte Potenzial auf der beschichteten, zum ringförmigen dritten Widerstand 18 hin innenseitig positionierten Fläche 33 der ersten Seite der zwischen den beiden Gehäusehälften 232 und 233 befindlichen Keramikscheibe 22 entspricht somit dem negativen Spannungsabfall des Außenleiterstromes am dritten Widerstand 18 gegenüber der auf Massepotenzial liegenden Außenseite des Gehäuses 21 und dient zur Messung des rücklaufenden Hochfrequenzsignals.
Im Folgenden wird die konstruktive Ausführung des ersten Widerstands 8, der die Spannung am Innenleiter 2 der
Koaxialleitung 1 erfasst und auf eine niedrigere
Messspannung teilt, anhand der Figuren 4, 5 und 8
beschrieben .
Der erste Widerstand 8 zur Spannungsteilung der Spannung des Innenleiters 2 der Koaxialleitung 1 auf ein geeignetes Spannungsniveau für die Messeinheit 39 ist, wie in Fig. 1 dargestellt ist, an seinem ersten Anschluss 7 mit den Innenleiter 2 der Koaxialleitung 1 und mit einem zweiten Anschluss 9 mit dem Knoten 10 verbunden. Der erste
Widerstand 8 ist als Widerstandschicht auf einem
speziellen Keramiksubstrat, bevorzugt aus Aluminiumoxid
(AI2O3) - z. B. mit einer thermischen Leitfähigkeit von 26 W/m2K und einer Dielektrizitätszahl sr von 9,0 -,
realisiert. Der erste Widerstand 8 ist für Spannungen bis maximal 1200 V effektiv und Leistungen bis 8000 W
ausgelegt und weist typischerweise 50 kQ auf.
Der erste Widerstand 8 ist gemäß Fig. 8 in einem dritten Hohlraum 36 innerhalb des Gehäuses 21, bevorzugt innerhalb der Gehäusehälfte 232, untergebracht. Die
Widerstandschicht des ersten Widerstands 8 ist oberhalb und unterhalb gegenüber den Innenwänden des dritten
Hohlraums 36 freiliegend. Der erste Widerstand 8 ist gemäß Fig. 5 im Bereich außerhalb seines ersten und zweiten Anschlusses 7 und 9 jeweils in einem Gegenlager 37 gelagert. Diese Gegenlager (auflagenflächen) 37 sind aufgrund der vom Stehwellenverhältnis abhängigen,
teilweise sehr hohen thermischen Belastungen des ersten Widerstands 8 aus einem Material mit einer hohen
thermischen Leitfähigkeit, bevorzugt aus Aluminium, hergestellt, um die in der Widerstandschicht des ersten Widerstands 8 erzeugten Wärme optimal abzuführen. Bei einer auf der Koaxialleitung 1 zu übertragenenden Leistung von 8000 W und einem Stehwellenverhältnis von 10 müssen vom ersten Widerstand 8 ca. 25 W Wärme abgeführt werden. Der mittig im dritten Hohlraum 36 befindliche erste
Widerstand 8 ist gemäß Fig. 4 und 8 einzig durch einen Schlitz 38 vom ersten Hohlraum 25 getrennt. Die Ausdehnung des Schlitzes 38 entspricht dem Querschnitt der
Verbindungsleitung zwischen dem im ersten Hohlraum 25 befindlichen Innenleiter 2 der Koaxialleitung 1 und dem ersten Widerstand 8. Auf diese Weise wird der Aufbau einer kapazitiven Störspannung zwischen der Widerstandschicht des ersten Widerstands 8 und den Innenwänden des dritten Hohlraums 36 ausgehend von der Energieleitung des
Breitbandrichtkopplers , d.h. vom Innenleiter 2 der
Koaxialleitung 1, die sich dem Spannungsabfall am ersten Widerstands 8 unerwünscht überlagert, unterbunden. Die am dritten Widerstand 18 am Knoten 16 abgegriffene und über den Draht 32 weitergeleitete Messspannung, die proportional zum Außenleiterstrom der Koaxialleitung 1 ist, und die am Knoten 10 abgegriffene Messspannung, die die am Innenleiter 2 der Koaxialleitung 1 durch den ersten Widerstand 8 erfasste und geteilte Spannung darstellt, werden zur Messung des vorauslaufenden Hochfrequenzsignals und des rücklaufenden Hochfrequenzsignals jeweils einer Meßeinheit 39 gemäß der Fig. 7A und 8 für den Fall der
Messung des vorauslaufenden Hochfrequenzsignals und gemäß der Fig. 7B und 8 für den Fall der Messung des
rücklaufenden Hochfrequenzsignals zugeführt. Die an den beiden Kontakten 10 und 16 jeweils erfassten Messspannungen werden in der Meßeinheit 39 dem ersten Anschluss 11 und dem zweiten Anschluss 15 des zweiten Widerstandes 12 zugeführt. Der zweite Widerstand 12 ist in der Darstellung der Figuren 7A und 7B durch eine
Parallelschaltung eines Festwert-Widerstandes 12 und eines trimmbaren Widerstands 12' realisiert. Mit dem trimmbaren Widerstand 12' des zweiten Widerstands 12 kann der
Arbeitspunkt der Messspannung am Kontakt 10 eingestellt werden. Sie dienen vor allem dem Ausgleich der durch
Toleranzen der beiden Keramikwiderstände 16 und 8
verursachten Spannungsfehler.
Wie aus den Figuren 7A und 7B hervorgeht, liegt an dem Kondensator 44, der zwischen dem Knoten 16 und der Masse geschaltet ist, die am dritten Widerstand 18 abfallende Spannung Ui an, die proportional zum Außenleiterstrom und damit zum Innenleiterstrom der Koaxialleitung 1 ist.
Zwischen den Knoten 10 und 16 liegt die am zweiten
Widerstand 12 abfallende Spannung Uv an, die proportional zur Spannung am Innenleiter 2 der Koaxialleitung 1 ist. Somit liegt am Kondensator 45, der zwischen dem Knoten 10 und der Masse geschaltet ist, im Fall der Messung des vorauslaufenden Hochfrequenzsignals gemäß Fig. 7A und Gleichung (1) die Summe Uv+Uj der am zweiten Widerstand
12 abfallenden Spannung Uv und der am dritten Widerstand 18 abfallenden Spannung J an. Im Fall der Messung des rücklaufenden Hochfrequenzsignals gemäß Fig. 7B und
Gleichung (2) liegt am Kondensator 45 die Differenz Uv—U1 der am zweiten Widerstand 12 abfallenden Spannung Uv und der am dritten Widerstand 18 abfallenden Spannung U1 an.
(JVSWR +
Figure imgf000024_0001
In Gleichung (1) und (2) stellt die Variable PWirk die durch den erfindungsgemäßen Breitbandrichtkoppler übertragene Wirkleistung, die Variable VSWR das Spannungs- Stehwellenverhältnis der Koaxialleitung 1 und die Variable k einen Proportionalitätsfaktor dar.
In die Spannungssumme bzw. in die Spannungsdifferenz gemäß Gleichung (1) und (2) geht der in Fig. 7A und 7B gestrichelt dargestellte parasitäre Spannungsabfall am dritten Widerstand 18 vom Innenleiter 2 der Koaxialleitung 1 nicht ein, da er vernachlässigbar klein ist.
Die am Kondensator 45 abfallende Spannungssumme oder
Spannungsdifferenz wird im Hinblick auf eine
Frequenzkompensation einer parallel zum zweiten Widerstand 12 geschalteten Filterschaltung zugeführt. Diese
Filterschaltung ist als r -Schaltung realisiert und besteht aus der Parallelschaltung des Kondensators 46 mit einer fixen Kapazität und des hinsichtlich seiner
Kapazität einstellbaren Kondensators 47, dem Widerstand 48 und der Parallelschaltung des Kondensators 50 mit einer fixen Kapazität und des hinsichtlich seiner Kapazität einstellbaren Kondensators 49. Die Filterschaltung ist über den Auskoppelwiderstand 13 mit dem Ausgang 40 der Filterschaltung und damit der Messeinheit 39 verbunden. Am als Koaxialleiteranschluss , typischerweise als SMP- oder SMA-Anschluss , realisierten Ausgang 40 kann eine dem vorauslaufenden Hochfrequenzsignal bzw. dem rücklaufenden Hochfrequenzsignal proportionale Messspannung abgegriffen werden.
Der erfindungsgemäße Breitbandrichtkoppler ist nicht auf die dargestellte Ausführungsform beschränkt. Von der
Erfindung sind insbesondere alle Kombinationen aller in den Patentansprüchen jeweils beanspruchten Merkmale, aller in der Beschreibung jeweils offenbarten Merkmale und aller in den Figuren der Zeichnung jeweils dargestellten
Merkmalen mit abgedeckt.

Claims

Ansprüche
1. Breitbandrichtkoppler zur Messung einer Leistung eines vorlaufenden oder eines rücklaufenden
Hochfrequenzsignals auf einer Koaxialleitung (1) mit einem Spannungsteiler aus einem ersten Widerstand (8) und einem zweiten Widerstand (12), wobei ein erster Anschluss (6) des ersten Widerstands (8) mit einem Innenleiter (2) der Koaxialleitung (1) verbunden ist, und mit einem dritten Widerstand (18),
dadurch gekennzeichnet,
dass der dritte Widerstand (18) ringförmig ist und
konzentrisch zum Innenleiter (2) in einer zum Innenleiter orthogonal orientierten Ebene angeordnet ist.
2. Bandrichtkoppler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der zweite Anschluss (9) des ersten Widerstands (8) und der erste Anschluss (11) des zweiten Widerstands (12) mit einer Messeinheit (39) verbunden ist, und/oder
dass ein erster Anschluss (17) des dritten Widerstands (18) mit einem Außenleiter (19) der Koaxialleitung (1) und dem zweiten Anschluss (15) des zweiten Widerstands (12) und der zweite Anschluss (20) des dritten Widerstands (18) mit einer Masse verbunden ist.
3. Breitbandrichtkoppler nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der dritte Widerstand (18) niederohmig ausgeführt ist und in axialer Richtung im Vergleich zur radialen Richtung eine vergleichsweise kleine Ausdehnung aufweist.
4. Breitbandrichtkoppler nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der dritte Widerstand (18) auf einer mit einer leitfähigen Schicht beschichteten ersten Seite einer
Keramikscheibe (22) aufgebracht ist, die spaltfrei zwischen zwei plangedrehten Stirnflächen von zwei Hälften (23i, 232, 233) eines im Wesentlichen rotationssymmetrisch um den Innenleiter (2) angeordnetes Gehäuses (21) des
Breitbandrichtkoppler befestigt ist und deren Zentrum eine Bohrung für einen zylindrischen ersten Hohlraum (25) zur Führung des Innenleiters (2) aufweist.
5. Breitbandrichtkoppler nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Gehäuse (21) aus einem elektrisch leitenden
Material, bevorzugt aus Aluminium, mit einer gegenüber der Leitfähigkeit des dritten Widerstands (18) geringeren Leitfähigkeit hergestellt ist.
6. Breitbandrichtkoppler nach einem der Ansprüche 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass in einem zweiten Hohlraum (27), der konzentrisch und in einem bestimmten Abstand zum ersten Hohlraum (25) in einer dem dritten Widerstand (18) zugewandten Hälfte
(23i, 233) des Gehäuses (21) angeordnet ist, ein
hochpermeabler Ringkern (28) angeordnet ist.
7. Breitbandrichtkoppler nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass der mittlere Durchmesser des Ringkerns (28) kleiner als der mittlere Durchmesser des ringförmigen dritten Widerstands (18) ist.
8. Breitbandrichtkoppler nach einem der Ansprüche 4 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Seite der Keramikscheibe (22) außerhalb des ringförmigen dritten Widerstands (18) über mehrere auf einen Kreis insbesondere in einem bestimmten Winkelraster, angeordneten Durchkontaktierungen (31) mit einer zweiten Seite der Keramikscheibe (22) leitend verbunden ist.
9. Breitbandrichtkoppler nach einem der Ansprüche 4 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die innerhalb des ringförmigen dritten Widerstands (22) befindliche leitfähige Schicht (33) der
Keramikscheibe (22) über einen Draht (32), der in einer von elektromagnetischen Feldern freien Ausnehmung (34) des Gehäuses geführt ist, mit einem zweiten Anschluss (15) des zweiten Widerstands (12) verbunden ist.
10. Breitbandrichtkoppler nach einem der Ansprüche 4 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die innere Außenleiterimpedanz des Gehäuses (21) des Breitbandkopplers um Größenordnungen größer als die
Impedanz des dritten Widerstands (18) ist.
11. Breitbandrichtkoppler nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Widerstand (8) eine auf einem
Keramiksubstrat aufgedruckte, niederohmige
Widerstandsschicht ist.
12. Breitbandrichtkoppler nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Widerstand (8) in einem von
elektromagnetischen Feldern freien dritten Hohlraum (36) in einem im Wesentlichen rotationssymmetrisch um den
Innenleiter (2) angeordneten Gehäuse (21) des
Breitbandrichtkopplers angeordnet ist.
13. Breitbandrichtkoppler nach Anspruch 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Widerstand (8) außerhalb seines ersten und zweiten Anschlusses (7,9) jeweils auf einem großflächigen aus Aluminium bestehenden Gegenlager (37) des dritten Hohlraums (36) zur Abführung der im ersten Widerstand (8) erzeugten thermischen Energie aufliegt.
14. Breitbandrichtkoppler nach einem der Ansprüche 11 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Widerstand (8) unter- und oberhalb der Widerstandsschicht hohl liegt.
15. Breitbandrichtkoppler nach Anspruch 4 und 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass der dritte Hohlraum (36) einen Schlitz (37) zum ersten Hohlraum (25) aufweist, der die Ausdehnung einer galvanischen Verbindung zwischen dem Innenleiter (2) und dem ersten Widerstand (8) besitzt.
16. Breitbandrichtkoppler nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Messeinheit (39) in einem von elektromagnetischen Feldern freien vierten Hohlraum in einem Gehäuse (21) des Breitbandrichtkopplers oder in einem mit dem Gehäuse (21) des Breitbandrichtkopplers direkt verbundenen und
elektromagnetische Felder abschirmenden Zusatzgehäuse angeordnet ist.
17. Breitbandrichtkoppler nach Anspruch 1 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Messeinheit (39) zur Messung einer Leistung eines vorlaufenden Hochfrequenzsignals von einer
Messeinheit (39) zur Messung eines rücklaufenden
Hochfrequenzsignals galvanisch getrennt ist.
18. Breitbandrichtkoppler nach einem der Ansprüche 4 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass in einer kreisringförmigen Nut (30) auf den
Stirnflächen der Hälften (23i, 232, 233) des Gehäuses (21) des Breitbandrichtkoppler, deren Durchmesser geringfügig kleiner als der Außendurchmesser des Gehäuses (21) ist, Federn (29) zur elektromagnetischen Abschirmung eingefügt sind .
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