Ringkoppler

Prinzipieller Aufbau eines Hybrid-Rings, unabhängig von der verwendeten Hochfrequenz-Leitung

Als Ringkoppler, Hybrid-Ring,<ref name=":0">{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref><ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref> Rat-Race<ref name=":1">{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref> oder 180°-Hybrid, bezeichnet eine bi-direktional nutzbare elektronische Schaltung in der Hochfrequenztechnik. Diese kann für folgende Zwecke genutzt werden

Als Combiner, zum Kombinieren von zwei an Port P1 und P3 anliegenden Signal-Quellen, die an Port P2 als überlagertes Summensignal ausgibt und/oder einem Differenzsignal des, aus an Port P1 und P3 anliegenden Signal-Quellen, die an Port P4 auszugeben werden.
Als Splitter zum Aufteilen eines an Port P2 anliegenden Signals auf die Ausgänge Port P1 und Port P3, die beide mit gleicher Phase, also 0° Phasenverschiebung an dem Ausgang anliegt und/oder einem Ausgangssignal, das in Bezug auf Ausgang 1 um 180° in der Phase verschoben ist.

Abhängig von der Anwendung können sowohl die Ports P1 und P3 als auch die Ports P2 und P4 als Ein- bzw. Ausgänge verwendet werden:

Bei Verwendung der Ports P1 und P3 als Ein- bzw. Ausgänge
Datei:-Hybrid-Ring-coax-cable.png
Prinzip-Bild eines Hybrid-Rings aus Koaxialkabeln
werden beide Eingangssignale um 90° in der Phase verschoben. Dabei liegt an Port P2 (Summenport Σ) das kombinierte Signal an, während an Port P4 das Signal von Port P3 um 90° und das Signal von Port 1 um 270° in der Phase verschoben anliegt. Daher kommt auch die Bezeichnung Differenzsignal (bzw. Differenz-Port Δ). Diese Funktion wird bei Interrogatoren von Sekundärradaren und Freund-Feind-Erkennungs-systemen (IFF) verwendet, die eine Monopulse-fähige Phased-Array-Antenne nutzen.
Bei Verwendung der Ports P3 als Ein- bzw. Ausgang liegt das Ein- bzw. Ausgangssignal an Port P3 um 90° in der Phase verschoben an, während es an Port P1 um 270° in der Phase verschoben anliegt. Dadurch liegen beide Signale an den Ein- bzw. Ausgängen P1 und P3 um 180° in der Phase verschoben an. Dies findet z. B. bei der, um 180° in der Phase verschobenen Speisung der Antennenelemente der AM-modulierten Double Side Band (DSB)- Signale der Phase-Array-Antenne von ILS-LLZ (Instrument Landing System- LokaLiZern) Anwendung.

Während zwischen den Ports P1, P2, und P3 nur eine λ/4 lange Hochfrequenz-Leitung verwendet wird und sich hiermit auf der Betriebsfrequenz eine Phasenverschiebung von 90° ergibt, ist die Hochfrequenzleitung zwischen P1 und P4 3/4λ lang. Dadurch ergibt sich bei dem Signal von Port 3 zu Port P4 eine Phasenverschiebung von 180°, bezogen auf das nur um 90° zwischen Port 1 und Port 4 verzögerte Signal.

Jeder Hybrid-Ring liefert zwischen den Ein- und Ausgängen eine ausreichend hohe Entkopplung zwischen den, an den Ports angeschlossenen Signal-Quellen oder -Senken. Dadurch können z. B. durch Nutzung eines Hybrid-Rings Verstärker parallel geschaltet werden, ohne dass diese sich gegenseitig beeinflussen oder die Impedanz merklich verändern.

Entwicklung

Datei:-Hybrid-Ring-ILS-AM-CDSB+AM-DSB-signal-generation.png

f}}</ref>

Bei Landekurssendern des Instrumentenlandesystems (engl. Instrument Landing System – Localizer, ILS-LLZ, Entwicklung um 1940) erfolgt die Erzeugung eines mit 90 Hz und 150 Hz modulierten AM-CDSB- und eines AM-DSB-Signals durch Kombination von jeweils einem mit 90 Hz und einem mit 150 Hz modulierten AM-CDSB Signalen in einem Hybrid-Ring (s. prinzipielle Darstellung).

Datei:-Hybrid-Ring-ILS-LLZ-0°+180°-phase-output.png

Ring-Hybrid mit 0°-/180°-Phasen-Verschiebung zur Speisung der Antennenelemente des Phased-Array-Antennen-Systems eines ILS-LLZ.

In Phased-Antennen-Arrays von ILS-LLZ werden bei 2-Frequenz-Landekurssendern (2f-ILS-LLZ) Hybrid-Rings zur Verkopplung von zwei bis vier AM-CDSB- und AM-DSB-Signalen auf jeweils zwei, paarweise angeordnete Antennenelemente der Phased-Array-Antenne des ILS-LLZ-Senders des Instrumentenlandesystems verwendet (s. prinzipielle Darstellung).

Seit ca. 1947 werden Hybrid Rings aus Hohleiter-Elementen aufgebaut für die Nutzung in Radarsensoren gebaut, z. B. für Balance-Mixer oder Duplexer.<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref>

Aufbau

Jeder Port eines Hybrid-Rings ist bi-direktional und besitzt daher im Gegensatz zu Richtkopplern keine Richtwirkung, weshalb alle Ports sowohl als Ein- als auch als Ausgang verwendet werden können. Sie sind jedoch im Gegensatz zu Richtkopplern relativ schmalbandig und können nur in einem engen Frequenzbereich ober- und unterhalb der Betriebsfrequenz verwendet werden für den die verwendeten Hochfrequenz-Leitungen (Hohlleiter, Koaxialkabel, oder Bi- oder Triplate-Leitungen auf gedruckten Schaltungen) optimiert sind.

Zwischen dem Port P1, und P3 sowie dem Port P2, und P3 wird jeweils eine λ/4 lange Hochfrequenz-Leitung verwendet, wodurch sich im Betriebsfrequenz für den der Hybrid-Ring optimiert ist eine Phasenverschiebung von 90° ergibt. Demgegenüber ist die Hochfrequenz-Leitung zwischen Port P1 und P4 3/4 λ lang, wodurch sich bei dem Signal von Port 3 an Port P4 eine Phasenverschiebung von 270° ergibt. Bezogen auf das nur um 90° zwischen Port 1 und Port 4 verschobene Signal, ergibt sich somit an Port P4 für das an Port P4 angelegte Signal eine effektive Phasenverzögerung von 180° an Port 4.

Hybrid-Ringe können aus Hohlleitern,<ref name=":0" /><ref name=":1" /> Koaxialkabeln oder auch als Leiterbahnen auf kupferkaschierten Platinen aufgebaut werden. Sie bestehen aus drei im Kreis angeordneten λ/4 -Leitungstransformation und einer 3λ/4 langen Hochfrequenz-Leitung.

In einem Hybrid-Ring werden die Signale nur durch die Leitungsverluste auf der Betriebsfrequenz der jeweils verwendeten Hochfrequenzleitungen, z. B. Hohlleiter, Koaxial-Kabel oder Bi-, Tri-Plate-Leitungen gedämpft, und eignen sich daher auch für die Verkopplung von großen Leistungen, z. B. bei ILS-LLZ oder Monopulse Antennen-Arrays der Interrogatoren von Sekundärradar- und IFF-Systemen, und bis zu sehr große Leistungen bei Verwendung von Hohlleitern, z. B. Primärradar-Sensoren.

Anwendungen

Modulator: So erfolgt z. B. bei einem ILS-LLZ Sender die Aufsummierung von zwei phasenstarr aneinander gekoppelten AM-CDSB-Signalen, die an Port 1 (P1) und Port 3 (P3) anliegen an Port 2 (P2), oder Summensignal-Port (Σ). Da an Port 4 (P4) oder dem Differenz-Port (Δ) das Signal von Port 1 nur um 90°, das Signal von Port 3 (P3) jedoch um 270° verschoben wird, ist das Signal von Port 3 (P3) im Vergleich zum Port 1 (P1) um 180° phasen-verschoben. Hierdurch wird der Träger weitestgehend ausgelöscht und es entsteht ein AM-DSB-Signal.

Koppler: Anwendung finden Hybrid Richtkoppler häufig als Leistungsteiler und Kombinierer von einem auf zwei Ports. Diese finden Anwendung, z. B. in Endstufen, Mischerschaltungen.

Duplexer: Für die Verkopplung von Sendern und Empfängern, z. B. in Radarsensoren

Datei:Ratracecoupler-arithmetics.svg

Trennung in Gleich- und Gegentaktanteil

Streumatrix eines Richtkopplers:

<math>

 S = \frac{\mathrm{-j}}{\sqrt{2}}
 \begin{pmatrix}
   0 & 1 & 0 & -1 \\
   1 & 0 & 1 & 0 \\
   0 & 1 & 0 & 1 \\
   -1 & 0 & 1 & 0
 \end{pmatrix}

</math>

Nachteil des Ringkopplers, wie aller Koppler, die auf Lambda-Viertel-Leitungstransformationen beruhen, ist seine nur schmale nutzbare Bandbreite, die weniger als eine Oktave beträgt.<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref>

Literatur

{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}
Otto Zinke und Heinrich Brunswig: Lehrbuch der Hochfrequenztechnik. Springer, Berlin 1973 (2. Aufl.), ISBN 3-540-05974-1.
H. Meinke, F. W. Gundlach: Taschenbuch der Hochfrequenztechnik. Band 1: Grundlagen – Komponenten – Systeme. 4. Auflage. Springer Verlag, Berlin/Heidelberg 1986, ISBN 978-3-642-96895-2.

Weblinks

Hochfrequenztechnik II (abgerufen am 10. November 2017)
Breitbandig kompensierte Leitungskoppler hoher Richtwirkung (abgerufen am 10. November 2017)
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Einzelnachweise