DE2146962A1

DE2146962A1 - Richtungskoppler

Info

Publication number: DE2146962A1
Application number: DE19712146962
Authority: DE
Inventors: Sven Lyckeby Ramström (Schweden)
Original assignee: Karlskronavarvet AB
Current assignee: Karlskronavarvet AB
Priority date: 1970-09-21
Filing date: 1971-09-20
Publication date: 1972-03-30
Also published as: SE346426B; GB1345750A; US3784911A

Description

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Richtim^skoppl er

Die Erfindung "bezieht sich auf einen Richtungskoppler zur Messung der fortschreitenden und reflektierten Leistung in einer Hochfrequenz-Speiseleitung mit einer Kopplungsschaltung zur Entnahme von Leistung aus der Speiseleitung und Weiterleitung an einen elektrischen Schaltkreis, der aus mehreren Bauteilen und zwei Ausgängen gebildet ist, an deren einem eine der fortschreitenden Leistung und an deren anderem eine der reflektierten Leistung entsprechende elektrische Größe abnehmbar ist, wobei diese Ausgange mit einem den Wert der elektrischen Größe angebenden Meßinstrument verbunden sind.

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Bei aer Messung der durch eine Speiseleitung an eine Last ge Hochfrequenz-Leistung ist es sehr wichtig, daß die Last an die Speiseleitung angepaßt ist, d.h., daß die Impedanz der Last mit der Impedanz der Speiseleitung übereinstimmt, so daß nur eine minimale Leistung von der Last aus zurück an den Hochfrequenz-Sender reflektiert wird. Diese reflektierte Leistung bedingt natürlich, daß nur ein Teil der von dem Sender erhältlichen Leistung in der Last verbraucht werden kann. Dieses Problem ist immer dann besonders wichtig, wenn die benutzte Last auf verschiedene Wellenlängen abstimmbar ist. Ist zum Beispiel die Anpassung zwischen einer Antenne und einer Speiseleitung schlecht, so ergibt sich ein hohes Stehwellenverhältnis, das wiederum einen schlechten Wirkungsgrad der Antenne bedingt, so daß nur ein Teil der am Sender zur Verfugung stehenden Leistung von der Antenne abgestrahlt wird.

Um jeder Zeit einwandfrei feststellen zu können, wie Last und Speiseleitung aneinander angepaßt sind, ist es während der Zuführung von Hochfrequenz-Leistung an die Last erforderlich, sowohl die fortschreitende Leistung vom Sender zur Last als auch die von der Last reflektierte Leistung zu messen. Bei richtiger Anpassung der Last hat die fortschreitende Leistung einen maximalen und die reflektierte Leistung einen minimalen Wert.

Verschiedene Arten solcher Richtungskoppler sind bereits bekannt. Uta diese Richtungskoppler meist für sehr hohe Frequenzen benutzt werden, sind die Erfordernisse an ihre elektrische und mechanische

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Stabilität π ehr hoch« Diese i/rfordernisse werden zusätzlich noch größer., v;enn die RIcIr¹JUr^CkOX)Pl or in Verbindung mit solchen Lasten benutzt v/erCon, wie sie vorzugsweise durch Radioantennen gegeben sind, die nichtstationär und beweglich und damit während ihres Betriebes erheblichon Kräften in Form von Stoßen und Schwingungen ausgesetzt sind und außerdem auch unter extremen Umweltsbedingungen, wie zum Beispiel auf See, einwandfrei arbeiten müssen.

Aufgabe doi· Erfindung ist es, einen neuen Richtungskoppler zu schaffen, der so\*ohl in elektrischer als auch mechanischer Hinsicht eine extrem stabile Konstruktion auf v/eist und damit während einer langen Lebensdauer auch starken Kräften und extremen Umwelt sbedingungen widerstehen kann.

Diese Aufgabe ist bei einem Richtungskoppler der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung gelöst durch einen metallenen Bauteil-Block, der mit die Bauteile des Schaltkreises aufnehmenden Bohrungen versehen ist.

Kit Hilfe eines solchen kompakt ausgebildeten Bauteil-Blocks, sind alle einzelnen und untereinander zum Beispiel elektrisch miteinander verbundenen Bauteile des Richtungskopplers in einer mechanisch festen und gegenseitig unverrückbaren Anordnung auch gegenüber jeglichen äußeren Einwirkungen wirksam zu schützen, wodurch eine besonders hohe Stabilität des erfindungsgemäßen Richtungskopplers sowohl in elektrischer als auch in mechanischer Hinsicht erzielbar ist.

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BAD ORfQINAL

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 den elektrischen Stromlaufplan eines Bichtungskopplers,

Pig. 2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Richtungskopplers in zerlegter Form,

Fig. 3 die Ansicht auf eine die in dem Richtungskoppler vorgesehenen Bauteile miteinander elektrisch verbindende Schaltungsplatte von der einen Seite und

Fig. 4 eine Ansicht auf die andere Seite einer zweiten Sehaltungsplatte zur elektrischen Verbindung der Bauteile.

Der in Fig. 1 dargestellte Stromlaufplan eines Richtungskopplers weist eine Speiseleitung 10 von einem Sender zu einer Last auf. Diese Speiseleitung ist vorzugsweise als Koaxialkabel ausgebildet. An Anschlußpunkten J2 und J3 ist das Koaxialkabel mit einem Leiter 11 verbunden, der als Primärwicklung eines Übertragers T2 wirkt, wobei eine Spule 12 die Sekundärwicklung des Übertragers bildet. An ihren beiden Enden 12a und 12b ist die Spule 12 über Widerstände R16 und R17 und Kondensatoren C5 und 04- jeweils mit Erde verbunden. Jedes Spulenende ist außerdem über jeweils einen in Durchlaßrichtung geschalteten Gleichrichter D1 und D2, über jeweils eine Drossel Dr1 und Dr2 und jeweils einen Widerstand R18 und R19 mit Ausgangsklemmen 13 und 14· verbunden, an denen die

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foi^techreitende und reflektierte Leistung der Hochfrequenz-Speiseleitung 10 abgenommen und über einen Schalter auf ein Meßinstrument M1 gegeben werden kann. Die nicht mit den Spulenenden verbundene:.:. Anschlüsse der Gleichrichter D1 und D2 sind über einstellbare Kondensatoren C1 und 02 mit dem als Primärwicklung wirkenden Leiter 11 und zusätzlich mit Entkopplungs-Kondensatören C5 und C5 verbunden, deren jeweils andere Anschlüsse in hier nicht näher dargestellter Weise mit Erde verbunden sind. In gleicher Weise sind die Ausgangsklemmen 13 und 14 über Kondensatoren C63 und C64 gegenüber Erde entkoppelt.

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel des gemäß der Erfindung' ausgebildeten Richtungskopplers dargestellt. Der Übertrager T2 weist eine Primärwicklung in Form einer versilberten Messingstange 21 auf, an deren Enden jeweils Koaxial-Verbindungsstücke 22 und 23 zur Verbindung der Primärwicklung mit der aus einem Koaxialkabel bestehenden Speiseleitung vorgesehen sind. Eine Sekundärwicklung 24- ist auf einem die Primärwicklung umfassenden Ferritkern 25 aufgebracht. Der Ferritkern 25 wird mit Hilfe eines Abstandshalters 26, der in der öffnung des Ferritkerns angeordnet und zusammen mit der Sekundärwicklung 24 von einer Kupfer-Abschirmung 25a umschlossen ist, gegenüber der Primärwicklung in einem geeigneten Abstand gehalten. Infolge der Übertragerkopplung zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung ist zwischen den Enden der Sekundärwicklung 24 eine Ausgangsspannung abnehmbar, die* der fortschreitenden und der reflektierten Leistung entspricht. Die in dem elektrischen Schaltkreis vorgesehenen Bauteile in Form von Widerständen, Kondensatoren, Drosseln und Gleichrichtern sind in einem

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zylindrischen, metallenen Bauteil-Block 27 angeordnet, der vorzugsweise aus Leichtmetall besteht und in dem mehrere Bohrungen 28 bis 31 vorgesehen sind. Der Bauteil-Block 27 weist eine zentrische Durcligangsbohrung 28, die den Durchgang der Primärwicklung ermöglicht, und mehrere um die zentrische Durchgangsbohrung angeordnete weitere Durchgangsbohrungen 29 bis 31 auf, in denen die Bauteile des Schaltkreises angeordnet werden können. Die Bohrungen des Bauteil-Blocks sind vorzugsweise parallel. Auf jeder Seite des Bauteil-Blocks ist eine Schaltungsplatte 32 und 33 vorgesehen, die die zur elektrischen Verbindung der Bauteile untereinander und nach außen erforderlichen elektrischen Verbindungen tragen. Diese Schaltungsplatten weisen eine vorzugsweise aus Glasfaser verstärktem Kunststoff bestehende isolierende Platte auf, auf der die unterschiedlichen elektrischen Verbindungen durch ein geeignetes Verfahren zur Herstellung gedruckter Schaltungen aufgebracht sind. Die in dem Schaltkreis vorgesehenen Bauteile sind daher zwischen den beiden Schaltungsplatten in geeigneter Weise elektrisch verbunden und in mechanischer Hinsicht innerhalb des Bauteil-Blocks geschützt angeordnet. Die unterschiedlichen Bauteile können dann mit enger Passung in die Bohrungen des Bauteil-Blocks hineingesteckt werden, mit diesem verschraubt oder aber in anderer Weise mit dem Bauteil-Block verbunden werden. Kleine und leichte Bauteile können auch durch Befestigung ihrer Anschlüsse an den elektrischen Leitern der Schaltungsplatten befestigt werden, so daß sich die Bauteile mit einem bestimmten Zwischenraum durch die Bohrungen des Bauteil-Blocks erstrecken. *

Die freien Anschlüsse der Kondensatoren C5,C6,C63 und C64- sind, wie in Fig. 1 gezeigt, mit dem Bauteil-Block verbunden und über diesen geerdet.

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Der Bauteil-Block 27 wird gegenüber der Primärwicklung 21 des "Übertragers mit einem Abstandsstück 34 in einem geeigneten Abstand gehalten.

Der Bauteil-Block 27 und die beiden Schaltungsplatten 32 und 33j die die Bauelemente in dem Bauteil-Block verbinden, und der Ferritkern 25 sind von einem aus Leichtmetall und zwei Teilen 35 und 36 gebildeten Gehäuse eingeschlossen. An den Enden des Gehäuses sind die Koaxial-Verbindungsstücke 22 und 23 zur Verbindung der Primärwicklung des Übertragers angeordnet. Das Gehäuse weist eine öffnung 37 auf, durch die die der fortschreitenden und der reflektierten Leistung entsprechenden Spannungen abgenommen werden können und einem geeigneten Meßinstrument M1 zugeführt werden«

In den Fig. 3 und 4 sind die Schaltungsplatten und die auf ihnen aufgebrachten elektrischen Leitungsverbindungen zur Verbindung der unterschiedlichen Bauelemente des elektrischen Schaltkreises untereinander und nach außen näher dargestellt. Die zentrische Bohrung in den Schaltungsplatten ist zur Aufnahme der Primärwicklung des Übertragers vorgesehen. Der Bauteil-Block 27 ist an beiden Enden mit axial vorstehenden Kanten 2?a an seinem Umfang versehen, die die Schaltungsplatten umgeben und diese in ihrer jeweiligen Lage halten. Außerdem kann ein Führungsstift an den Bauteil-Block vorgesehen sein, der in eine Bohrung oder öffnung der Schalungsplatte eingreift und diese noch sicherer in ihrer Lage hält und eine irrtümliche Befestigung verhindert. Wach ihrer Befestigung werden

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die Schalt\ingsplatten durch das Gehäuse 35 und 36 gegen den Bauteil-Block gedrückt.

Da in den Fig. 3 vinä. M- die Schaltungsplatten jeweils in der Ansicht von einem Ende des Bauteil-Blocks dargestellt sind, sind die dargestellten Bohrungen um die vertikale Achse der Darstellung spiegelbildlich angeordnet. Eine Bohrung die in einer der Fig„ 3 und M-also links der \^vertikalen Symmetrielinie dargestellt ist, erscheint daher auf der jeweils anderen Fig. rechts von dieser Symmetrielinie.

Da die in der elektrischen Schaltung vorgesehenen Bauelemente in Hohlräumen eines Leichtmetallblocks untergebracht sind, der seinerseits wieder geerdet sein kann, wird eine außergewöhnlich stabile Konstruktion des Richtungskoppler sowohl in elektrischer als auch in mechanischer Hinsicht erzielt und zusätzlich noch eine ausgezeichnete elektrische Abschirmung der gesamten Anordnung erreicht.

Der beschriebene Richtungskoppler arbeitet in folgender Ueise. Die nachstehend angegebenen Spannungen sind in dem in Fig. 1 dargestellten Stromlaufplan eingezeichnet. Ein Strom I fließt durch die Speiseleitung 21 und damit durch das Zentrum der Ringspule 25. Die Leitung 21 bildet eine Primärwicklung und die Spule 2M- eine Sekundärwicklung des ringförmigen Übertragers T2. Der in der Sekundärwicklung induzierte Strom ist in der statischen Abschirmung 25a. Der in der Sekundärwicklung induzierte Strom erzeugt

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cine Spannung, die über die gleichen Widerstände E16 und RI7 in. zwei gleiche Teile aufgeteilt wird, so daß sich zwei gleiche Spannungen ΈΛ und E2 über den Widerständen ergeben. Da der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen E16 und RI7 geerdet ist, besitzen die Spannungen E1 und E2 entgegengesetzte Phasenlage und sind proportional dem Strom I. Die Spannung E auf der Speiseleitung wird über zwei kapazitive Spannungsteiler C1,C5 und C2,C6 in zwei einander gleiche Spannungen EJ und E4 mit gleicher Phasenlage aufgeteilt.

Ist die Speiseleitung nicht angepaßt, stellen die Spannungen E1 und E2 die Vektorsumme zweier Komponenten dar, von denen eine proportional dem Strom in fortschreitender Richtung und die andere proportional dem reflektierten Strom ist. Die Spannungen E3 und Erstellen die Vektorsumme zweier Komponenten der fortschreitenden und der reflektierten Welle dar. Die Kapazitäten C1 und C2 werden so abgeglichen, daß die Amplituden der Komponenten der fortschreitenden Spannung und des fortschreitenden Stromes einander gleich sind, so daß auch die reflektierenden Komponenten einander gleich sind.

Die Phasenbeziehung zwischen den verschiedenen Komponenten ist so, daß die Hochfrequenz-Spannung Ef über dem Gleichrichter D1 gleich der arithmetischen Summe der zwei gleichen fortschreitenden Komponenten ist, während die Hochfrequenz-Spannung Er über dem Gleichrichter D2 gleich der arithmetischen Summe der zwei reflektierenden Komponenten ist.

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Die Hochfrequenz-Spannungen E1 und E2 werden über die Gleichrichter D1,D2 gleichgerichtet und über die Kondensatoren C^ und C6 geglättet, um Gleichströme If und Ir durch das Meßinstrument 111 zu erzeugen. Der Meßbereich wird so eingestellt, daß der Strom TS eine der fortschreitenden Leistung entsprechende Anzeige bewirkt, während der Strom Ir eine der reflektierten Leistung entsprechende Anzeige bedingt. Die Widerstände R18 und R19 werden so ausgewählt, daß die Ströme If und Ir eine genaue Anzeige der Leistungsbereiche angeben. Die Genauigkeit des Hochfrequenz-Leistungsmessers wird über einen Frequenzbereich von 2 bis 30 MHz sowohl über induktiv als auch kapazitiv angekoppelte Bauteile erreicht. Bei induktiven Bauteilen wird die mit der Frequenz ansteigende induzierte Spannung durch den Spannungsabfall über die Ringspule infolge des Anwachsens der induktiven Reaktanz mit der Frequenz neutralisiert. Bei direkt angeschlossenen kapazitiven Bauteilen ist das Verhältnis zwischen der kapazitiven Reaktanz und dem Spannungsteiler konstant, sogar dann, wenn die Reaktanzen sich mit der Frequenz ändern. Die Kondensatoren C3 und C4- kompensieren die verbleibende Serieninduktanz in den Widerständen R16 und R17-

Als tatsächliche Leistung wird die Ausgangsleistung des Senders bezeichnet. Ist eine Speiseleitung optimal angepaßt, so ist die reflektierte Leistung gleich Null und die tatsächliche Leistung ist gleich der fortschreitenden Leistung. Ist die Speiseleitung nicht angepaßt, so bewirkt die Phasenbeziehung zwischen 'den Komponenten der fortschreitenden und der reflektierten Welle einen Anstieg der scheinbaren fortschreitenden Leistung mit dem Wert der Amplitude

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der reflektierten Leistung» Da die reflektierte Leistung einem Teil der fortschreitenden Leistung entgegenwirkt, ist die tatsächliche Leistung gleich der Differenz zwischen der fortschreitenden und der reflektierten Leistung, d.h. tatsächliche Leistung =- fortschreitende Leistung - reflektierte Leistung.

Der in dem "beschriebenen Ausführungsbeispiel gezeigte Richtungskoppler ist in einer auf eine Koaxialleitung angepaßten Bauform dargestellt, obwohl selbstverständlich der Richtungskoppler auch in Verbindung mit Hochfrequenzleitungen anderer Art, zum Beispiel mit Wellenleitern, benutzt werden kann. Der Richtungskoppler kann auch in Verbindung mit Bandleitungen benutzt werden, jedoch muß dann die Verbindung zwischen der Speiseleitung und dem elektrischen Schaltkreis in geeigneter Weise abgeändert werden.

- Patentansprüche -

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BAD ORKSINAt

Claims

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Pat entansprüche

Richtungskoppler zur Messung der fortschreitenden und reflektierten Leistung in einer Hochfrequenz-Speiseleitung mit einer Kopplungsschaltung zur Entnahme von Leistung aus der Speiseleitung und Weiterleitung an einen elektrischen Schaltkreis, der aus mehreren Bauteilen und zwei Ausgängen gebildet ist, an deren einem eine der fortschreitenden Leistung und an deren anderem eine der reflektierten Leistung entsprechende elektrische Größe abnehmbar ist, wobei diese Ausgänge mit einem den Wert der elektrischen Größe abgebenden Meßinstrument verbunden sind., gekennzeichnet durch einen metallenen Bauteil-Block (27), der mit die Bauteile (z.B.fil,Dr1,D1) des Schaltkreises aufnehmenden Bohrungen (28 bis 31) versehen ist»
2. Richtungskoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Bauteil-Block (27) mit einer zentrischen Durchgangsbohrung (28) versehen ist, durch die sich die Speiseleitung (21) erstreckt, und mehrere, etwa parallel zur zentrischen Durchgangsbohrung verlaufende weitere Durchgangsbohrungen (29 bis 31) aufweist, die um die zentrische Durchgangsbohrung herum angeordnet sind und in denen die Bauteile unterbringbar sind.

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BAD OFWGINAL
3. Richtungskoppler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Bauteil-Block (27) durch ein Abstandsstück (34-) auf der Speiseleitung (21) konzentrisch gehalten ist.
4-, Richtungskoppler nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Bauteil-Block (27) zwischen zwei Schaltimgsplatten (32,33) angeordnet ist, die an zwei entgegengesetzten Seiten am Bauteil-Block anliegen und Leitungsverbindungen zur elektrischen Verbindung der Bauteile (z.B. R1,Dr1,Di) aufweisen.
5. Richtungskoppler nach Anspruch 4·, dadurch gekennzeichnet , daß der Bauteil-Block (27), die Schaltungsplatten (32,33) und die Kopplungsschaltung (21,24-,25) zur Leistungsentnahme aus dem Speiseleiter (21) von einem zweiteiligen, metallenen Abschirmgehäuse (35,36) umschlossen sind.
6„ Richtungskoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bauteil-Block (27) geerdet ist.
7. Richtungskoppler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß einige der Bauteilenden (C5,C6, ' C63,C64-) in dem Bauteil-Block (27) durch Schraubung mit diesem verbunden sind.

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