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Der Richtkoppler ist ein Bauteil der Hochfrequenztechnik und dient dazu, aus einer Leitung einen Teil der darin laufenden elektromagnetischen Wellen richtungsabhängig abzuzweigen[1].
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Mit einem Richtkoppler lassen sich Signale nach ihrer Ausbreitungsrichtung in einem Wellenleiter getrennt auskoppeln. Ein Richtkoppler hat immer vier Ports oder Tore. Die entscheidende Eigenschaft eines idealen Richtkopplers ist, dass eine Welle, die an einem Tor eingespeist wird, sich auf die zwei Tore der gegenüberliegenden Seite seiner Symmetrieachse im definierten Verhältnis aufteilt und am verbliebenen Tor auf der Seite der Einspeisung nicht ausgekoppelt wird. Diese Eigenschaft gilt für jedes Tor des Richtkopplers. Umgekehrt bedeutet dies, dass eine ausgekoppelte Welle an einem Tor eines Richtkopplers nur von einer einlaufenden Welle von der gegenüberliegenden Seite angeregt werden kann. Wird nun ein Richtkoppler so in eine Leitung eingekoppelt, dass zwei zur Symmetrieachse gegenüberliegende Tore die Verbindung herstellen, werden an den zwei übrigen Toren die Signale in der Leitung abhängig von ihrer Ausbreitungsrichtung in der Wellenleitung exklusiv ausgegeben.
Dabei gilt, dass die Leistung, die an einem Tor eingespeist wird, sich auf die zwei ausgebenden Tore aufteilt. Einen Sonderfall bilden dabei Richtkoppler, die eine gleichmäßige Aufteilung erzeugen. Da das Signal an beiden Ausgangstoren um 3 dB gedämpft erscheint, spricht man vom 3-dB-Richtkoppler oder Leistungsteiler.
Ein realer Richtkoppler unterscheidet sich von einem idealen darin, dass
Dazu wird bei einem Koaxkabel im Raum zwischen Innen- und Außenleiter ein paralleler Draht mitgeführt, dessen Länge λ/4 der zu messenden Wellenlänge nicht überschreiten darf. Es tritt sowohl induktive als auch kapazitive Kopplung auf, deren Stärke durch den Abstand bestimmt ist. Bei einem idealen Richtkoppler sind induktive und kapazitive Kopplung exakt gleich groß.
Ein Signal auf Leitung 1 (dargestellt durch den gerichteten Strompfeil I grün) hat auf Leitung 2
An jedem der beiden Messwiderstände addieren sich die Ströme phasenrichtig (konstruktive bzw. destruktive Interferenz) und erzeugen dazu proportionale Spannungen, die ein Maß für die fließende Leistung sind. Wenn die Wellenimpedanz des Koaxkabels mit der Impedanz der Antenne übereinstimmt (Stehwellenverhältnis = 1), erscheint am rechten Messausgang kein Ausgangssignal.
Der beidseitige Abschluss von Leitung 2 muss mit relativ geringen Widerständen (≈100 Ω) erfolgen, deren Wert von den geometrischen Maßen abhängt. Diese Belastung führt bei kurzen Leitungslängen zu recht geringen Messspannungen. Aus diesem Grund werden häufig zwei getrennte Ankopplungen (Leitungen 2a und Leitung 2b) verwendet, die am Messausgang nicht belastet sind und deshalb höhere Spannung liefern.
Mit der Wellenlänge (unteres Kurzwellengebiet) steigt auch die Koppellänge und führt zu unhandlichen Maßen. Deshalb verwendet man einen Aufbau aus Toroidspule und zwei einstellbaren Kondensatoren. Dieser Aufbau hat den Vorteil, in weitem Maße unabhängig von der Wellenlänge zu sein.
Die Energie eines Mikrowellensenders wird in einem Hohlleiter zum Verbraucher geführt. Zu Messzwecken wird dieser angebohrt, damit ein Teil der Energie in einen parallel laufenden Hohlleiter gelangen kann. Bei gewissen Abständen dieser Bohrungen kann sich die Energie darin wegen konstruktiver Interferenz nur in eine Richtung ausbreiten. In entgegengesetzter Richtung eingekoppelte Energie (wegen Fehlanpassung von der Antenne reflektiert) wird in einem Widerstandsmaterial in Wärme umgewandelt.
In der Mikrowellentechnik werden Richtkoppler für geringe Leistungen in Microstrip-Technologie gefertigt, da diese sehr kostengünstig sind. Hierbei existiert eine Vielzahl an Schaltungskonzepten wie
die je nach den Anforderungen der Anwendung gewählt werden. Besonders Tapered Line und Branch Line Coupler sind relativ einfach zu dimensionieren und zu simulieren. Nachteilig vor allem für die Branch Line Coupler ist der Platzverbrauch auf der Platine, der mit der Wellenlänge der Mittenfrequenz in allen Richtungen wächst.
Richtkoppler werden hierzu in die elektrische Leitung eingefügt und koppeln einen Teil der auf der Leitung laufenden Hochfrequenz-Leistung aus. Dabei kann der Anteil der vor- und rücklaufenden Welle selektiert und oft getrennt erfasst werden.
Richtkoppler haben einen oder zwei Ausgänge, oft ist einer der beiden Ausgänge mit einem reflexionsfreien Abschlusswiderstand geschlossen.
Die Kopplung erfolgt immer sowohl induktiv als auch kapazitiv, wobei die Phasenlage der ausgekoppelten Signale zur Richtungsselektion herangezogen wird.
Richtkoppler dienen zum Beispiel Kabelnetzen zum Anschluss eines Nutzerausganges. Auch eine impedanzrichtige additive Mischung mehrerer Signalquellen ist möglich.
Sind an den beiden Ausgängen eines Richtkopplers HF-Gleichrichter angebracht, kann die Leistung der vor- und rücklaufenden Wellen getrennt mit einem Gleichspannungsmessgerät bestimmt werden. Aus dem Verhältnis dieser Spannungen kann das sogenannte Stehwellenverhältnis, also das Verhältnis der vor- zur rücklaufenden Welle bestimmt werden. Daraus können zum Beispiel Rückschlüsse auf die Anpassung der Leitung an die Impedanz von Antenne und Sender gezogen werden. Solche Geräte nennt man Stehwellenmessgerät.
Ein den Richtkopplern verwandtes Bauelement ist der Zirkulator, dieser gibt die einlaufende Leistung eines Tors jeweils in einem festgelegten Drehsinn ausschließlich am benachbarten Anschluss aus. Sie dienen in Sende-/Empfangsanlagen wie zum Beispiel Radargeräten zum Trennen des von der Antenne gesendeten und empfangenen Signales (Diplexer).
