imported>Dk1909: Klammern korrigiert

2025-08-23T10:03:26Z

Klammern korrigiert

Neue Seite

[[Datei:Bsp Duplex.svg|mini|Schema]]
Ein '''Duplexer''' ist ein dreitoriges [[Netzwerk (Elektrotechnik)|Netzwerk]] ([[Dreitor]]), das abhängig von bestimmten Regeln einen der Eingänge mit einem Ausgang verbindet. Es besteht dabei kein oder nur ein unwesentlicher Frequenzunterschied zwischen den Signalen an den verschiedenen Eingängen. Die Verbindungsregeln sind meist als Zeitabhängigkeit aufgebaut. Duplexer werden genutzt, um einen Sender und einen Empfänger [[bidirektional]] (im sogenannten [[Duplex (Nachrichtentechnik)|Duplexbetrieb]]) über einen einzelnen Übertragungskanal (zum Beispiel eine [[Antennentechnik|Antenne]]) zu betreiben. Sie können als [[Filter (Elektrotechnik)|Filterbaugruppe]] oder als Netzwerk mit [[Schalterdiode]]n oder [[pin-Diode]]n aufgebaut werden.

Der Schaltvorgang in einem Duplexer kann entweder direkt und passiv (durch zeitliche Steuersignale) oder indirekt und aktiv (durch die [[Sendeleistung]] selbst ausgelöst) erfolgen. Die Zeitabhängigkeit wird meist nach der Regel formuliert: Solange der Sender arbeitet, muss dieser an den Übertragungskanal geschaltet sein; der eigene Empfänger muss von diesem Übertragungskanal derweil getrennt werden. Bei der aktiven Umschaltung (ausgelöst durch die Sendeleistung) verbleibt jedoch immer eine kleine Umschaltverzögerung, in der die volle Sendeleistung auf den empfindlichen Empfängereingang wirkt. Bei der passiven Steuerung können die Steuersignale zeitlich etwas größer als die Dauer des Sendesignals gewählt werden, welches eine unerwünschte Einwirkung auf den Empfänger verhindert.

Wenn über ein solches Netzwerk Signale mit derart unterschiedlichen Frequenzen geleitet werden, dass sie schon durch frequenzabhängige Filter getrennt werden können, dann ist diese Baugruppe kein Duplexer mehr, sondern ein [[Diplexer]]. Bei kleinen Sendeleistungen und geringem Isolationsbedarf zwischen den Anschlüssen des Duplexers kann dessen Funktion auch durch drei- oder mehrtorige [[Zirkulator|Ferritzirkulatoren]] ausgeführt werden, die richtungsabhängig die Signale von einem oder mehreren Eingängen zu einem oder mehreren Ausgängen leiten.

== Anwendung in der Kommunikationstechnik ==
In der Kommunikationstechnik werden Sender und Empfänger an der gleichen Antenne betrieben. Der Duplexer ist hier oft ein [[Koaxiales Relais]], das durch die Betätigung der Sprechtaste den Sender an die Antenne schaltet. Es ist auch möglich, einen Teil der Sendeleistung zu einer Schaltspannung zu verarbeiten, die dieses Relais auch unabhängig einer manuellen Betätigung der Sprechtaste schaltet.

Im Sprechfunk können Sender und Empfänger auch ständig an die Antenne geschaltet sein. Die empfangene Frequenz muss gleichzeitig nach der Verstärkung in der [[Funkrelaisstation|Relaisstation]] wieder abgestrahlt werden. Meist wird jedoch in einer anderen Frequenz gesendet als empfangen wird. Die [[Duplexweiche]] ist deswegen kein Duplexer, sondern ein Diplexer.

== Anwendung in der Radartechnik ==
Speziell in der [[Radar]]technik werden die Sende-Empfangs-Umschalter in monostatischen Radargeräten als ''Duplexer'' bezeichnet, die die Strahlungsdiagramme einer Antenne, z. B. ''Upper'' und ''Lower Beam'' (oberes und unteres [[Antennendiagramm]]) des Senders eines [[Airport Surveillance Radar]]s (ASR) und/oder die Σ-, Δ- und SLS-Strahlungsdiagramme der Antenne eines Monopuls-[[Sekundärradar]]s, wechselweise im Zeitmultiplexverfahren zwischen Sender und Empfänger umzuschalten.<ref>[https://www.radartutorial.eu/06.antennas/Sende-%20Empfangsweiche.de.html Radartutorial]: Beschreibung der Funktion eines Sende-/Empfangsumschalters bei Radargeräten</ref> Eine mechanische Umschaltung (zum Beispiel durch ein Relais) ist aufgrund der zu hohen '''''P'''ulse '''R'''epetion '''F'''requency'' (PRF, dt. Pulswiederholrate) mit der einzelne Pulse oder Pulsgruppen ausgesendet werden nicht möglich, die zwischen min. um die 120 Hz, z. B. bei [[SRE-M]]-Radaren, bis weit über 8 kHz, z. B. bei [[ASDE]]-Radaren liegen. Die Senderausgangs-Pulsspitzen-Leistungen von [[Impulsradar]]en können bei über 2,5 Megawatt liegen. Radar-Sender und -Empfänger sind nur abwechselnd an die Antenne angeschaltet, aber niemals gleichzeitig. Als Sonderfall tritt dieser Zustand auch bei [[Dauerstrichradar]]en (''FMCW-Radare'') auf.

In der Radartechnik werden mehrere verschiedene Bauformen von Duplexern verwendet:
* ''Branch-Duplexer'', welche Leitungsresonanzen ausnutzen,
* ''Balanced-Duplexer'', welche Phasenlaufzeiten zur Umschaltung nutzen, und
* ''[[Pin-Diode]]n-Duplexer'', die mit aktiven Schaltspannungen versorgt werden.

An Duplexer eines Radargerätes werden extreme Anforderungen gestellt. Er muss sehr hohe Sendeleistungen zur Antenne schalten (in der Größenordnung von vielen ''Megawatt''), wobei der Umschaltvorgang selbst nur wenige Nanosekunden dauern darf. Dazwischen muss er die extrem kleine Empfangsleistungen (in der Größenordnung von bis hinab zu einigen ''Pikowatt'') verlustarm zum Empfänger schalten und während der Sendezeit diesen empfindlichen Empfängereingang vor der hohen Sendeleistung schützen (kein [[Spannungsdurchschlag|Durchschlagen]]).

=== Branch-Duplexer ===
[[Datei:Duplexer1.png|mini|Prinzipielle Funktionsweise eines Parallel-Duplexers mit Koaxialleitungen]]
Der Branch-Duplexer arbeitet mit ''λ''/4-Leitungsabschnitten als Resonanzleitungen.
Wichtige Eigenschaft von ''λ''/4-Leitungsabschnitten ist die [[Leitungstheorie#λ/4-Leitung|Widerstandstransformation]], die hier ausgenutzt wird. Ein „Kurzschluss“ wird im Abstand von ''λ''/4 zu einem „unendlich hohen Widerstand“, also zu einer „offenen Leitung“, die „offene Leitung“ wird nach ''λ''/4 als „Kurzschluss“ erkannt.<ref>[https://www.radartutorial.eu/06.antennas/Branch%20Duplexer.de.html Radartutorial]: Beschreibung der Funktion eines Branch-Duplexers</ref>

Mit Hilfe von gezündeten [[Gasentladungsröhre]]n werden durch deren leitfähiges Plasma Kurzschlüsse in einem Leitungsabschnitt erzeugt (siehe nebenstehendes Bild). Dieser Kurzschluss wird nach ''λ''/4 in einen „unendlich hohen Widerstand“ transformiert und verhindert so, dass weitere Energie in diesen Leitungsabschnitt eingeleitet wird. Diese Gasentladungsröhren werden als ''TR-Röhren'' ('''T'''ransmit-'''R'''eceive-Tube: die Gasentladungsröhre in der nebenstehenden Grafik am Punkt D vor dem Empfänger) und ''ATR-Röhren'' ('''Anti'''-Transmit-Receive-Tube: die Gasentladungsröhre am Punkt C) bezeichnet. Während die ''ATR-Röhren'' [[Nullode]]n sein können, sind die ''TR-Röhren'' fremd-getriggert oder durch eine [[Glimmentladung]] vor-[[Ionisation|ionisiert]], um vom Sendepuls schneller ionisiert zu werden und den Empfänger eher absperren zu können.<ref>[http://www.rfcafe.com/references/electrical/NEETS-Modules/NEETS-Module-18-2-21-2-30.htm rfcafe.com]</ref>

==== Arbeitsweise ====
Zum Zeitpunkt des Sendens haben beide Gasentladungsröhren aufgrund der hohen Spannung des Sendesignals gezündet und verursachen somit einen Kurzschluss an den Punkten C und D. In einer Entfernung von einem Viertel der [[Wellenlänge]] (''λ''/4) wird dieser Kurzschluss an den Punkten A und B zu einem fast unendlichen Widerstand transformiert. Der Sendeenergie verbleibt nur der Weg zur Antenne und erreicht nicht die empfindliche Empfangsstufe.

[[Datei:ATR-switch.jpg|mini|TR-switch (9 GHz System)]]
Während der Empfangszeit sind beide Gasentladungsröhren erloschen, da das Echo eine sehr geringe Leistung hat. Die Gasentladungsröhren haben einen sehr hohen Innenwiderstand. Jetzt wirkt der konstruktive Kurzschluss am Punkt E: nach einem Dreiviertel der Wellenlänge wird am Punkt B wieder der unendliche Widerstand „gesehen“ und die Empfangsenergie wird zum Empfänger geleitet.

==== Nachteile ====
* die Betriebsbandbreite beträgt nur 5 % (wegen der erforderlichen Leitungsresonanz eigentlich nur eine einzige Frequenz!)
* die durchschaltbare Sendeleistung ist begrenzt (die Dämpfung mit einer ''TR-Röhre'' beträgt „nur“ 30 dB), deshalb werden manchmal mehrere ''TR-Röhren'' im Abstand von jeweils ''λ''/2 verwendet.
* die Entkopplung zwischen Sende- und Empfangskanal ist geringer als bei anderen Duplexern, da doch immer soviel Sendeenergie in die unerwünschte Richtung zum Empfänger fließen muss, um die Gasentladungsröhren zu zünden bzw. gezündet zu halten.

=== Balanced Duplexer ===
[[Datei:Diplexer2 - 2.png|mini|Funktionsprinzip eines Balanced Duplexer]]
Hier sind die ''TR-Röhren'' in einem Hohlleiterabschnitt integriert. An dem bei der Zündung entstehenden Kurzschluss wird die Sendeenergie reflektiert und [[Interferenz (Physik)|phasengleich]] in Richtung Antenne, bzw. phasenungleich in Richtung Sender überlagert.<ref>[https://www.radartutorial.eu/06.antennas/Balanced%20Duplexer.de.html Radartutorial]: Beschreibung der Funktion eines Balanced-Duplexers</ref>

==== Arbeitsweise ====
Im Sendefall arbeitet der Balanced Duplexer nach folgendem Prinzip:
* Die Sendeenergie teilt sich im Schlitzkoppler auf;
* der Anteil, der den Schlitz passiert hat, erfährt eine [[Phasenverschiebung]] um 90°;
* beide Leistungsanteile bringen die ''Gasentladungs- (TR-) Röhre'' zum Zünden;
* an dieser durch Kurzschluss extremen Fehlanpassung wird die Sendeenergie reflektiert;
* wieder teilt sich die Energie im Schlitzkoppler auf;
* der Anteil, der den Schlitz passiert, erfährt eine nochmalige Phasenverschiebung um 90°;
* beide Anteile reflektiert in Richtung Sender haben nun einen Phasenunterschied von 180° und heben sich nahezu auf;
* beide Anteile reflektiert in Richtung Antenne sind gleichphasig und summieren sich zur vollen Leistung.

Während der Empfangszeit sind die ''TR-Röhren'' erloschen und beide Anteile des Empfangssignals addieren sich nach dem zweiten Schlitzkoppler wieder phasengleich zur ursprünglichen Signalstärke.

==== Vorteil ====
Der ''Balanced Duplexer'' ist sehr breitbandig und wird praktisch nur durch die Grenzfrequenzen der [[Hohlleiter]] begrenzt.

==== Nachteile ====
* Auch der Balanced Duplexer benötigt etwas Sendeenergie, um die TR-Röhren zu zünden. Sendeenergie unterhalb dieser Zündschwelle erreicht den Empfänger und kann dort Zerstörungen verursachen.
* Nach dem Sendeimpuls leuchtet die TR-Röhre noch etwas nach. Während dieser Erholzeit ist das Radar noch blind. Die Sendezeit und die Erholzeit bestimmen die minimal mögliche Ortungsentfernung eines Radargerätes.

=== Duplexer mit pin-Dioden ===
Duplexer in Halbleitertechnologie mit [[pin-Diode]]n wurden zu einer attraktiven Alternative durch eine gute Sperrisolation, einer schnellen Erholzeit und langer Lebensdauer. pin-Dioden haben einen von ihrer Vorspannung abhängigen Innenwiderstand und können so auch große Energien schalten. Ein Begrenzungsschaltung mit pin-Dioden und einer vernachlässigbarer Durchlassdämpfung begrenzt das Signal am Empfängereingang auf einen konstanten Pegel. Allerdings müssen die pin-Dioden für eine gute Sperrung der Sendeleistung bei geringen Verlusten im Empfangsweg aktiv geschaltet werden. Das verkompliziert die Schaltung und führt zu dem Risiko des Totalausfalls, wenn die Schaltspannungen infolge eines Defektes ausbleiben. Deswegen werden in der Praxis zur Sicherheit mehrere Schaltstufen hintereinander verwendet.<ref>[https://www.radartutorial.eu/06.antennas/Duplexer%20mit%20PIN-Dioden.de.html Radartutorial]: Beschreibung der Funktion eines Duplexers mit PIN-Dioden</ref>

==== Vorteile ====
* hohe Lebensdauer
* keine Schaltverzögerung
* schnelle Erholzeit

==== Nachteile ====
* erfordert aktive Schaltspannungen
* Fehlschaltungen können katastrophale Folgen haben
* hohe zu schaltende Leistungen erfordern zusätzliche Absicherung

pin-Dioden benötigen zum Schalten eine Steuerspannung, die meist durch den Synchronisator bereitgestellt wird.

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Radarbaugruppe]]
[[Kategorie:Funktechnik]]

Duplexer - Versionsgeschichte

imported>Dk1909: Klammern korrigiert