Ringkoppler

Als Ringkoppler, Hybrid-Ring,^[1][2] Rat-Race^[3] oder 180°-Hybrid, bezeichnet eine bi-direktional nutzbare elektronische Schaltung in der Hochfrequenztechnik. Diese kann für folgende Zwecke genutzt werden

1. 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.
2. 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.

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

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

1. Bei Verwendung der Ports P1 und P3 als Ein- bzw. Ausgänge

   

   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.
2. 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

Erzeugung der Signale eines ILS-LLZ aus einem, mit 90 Hz und und einem mit 150 Hz modulierten AM-CDSB- sowie eines AM-DSBSC-Signals. Dabei werden jeweils ein mit 90 Hz und ein mit 150 Hz moduliertes AM-CDSB-Signal in einem Hybrid-Ring kombiniert.^[4]

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).

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.^[5]

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,^[1][3] 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

Trennung in Gleich- und Gegentaktanteil

Streumatrix eines Richtkopplers:

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

Nachteil des Ringkopplers, wie aller Koppler, die auf Lambda-Viertel-Leitungstransformationen beruhen, ist seine nur schmale nutzbare Bandbreite, die weniger als eine Oktave beträgt.^[6]

Literatur

• Kai Chang, Lung-Hwa Hsieh: Microwave Ring Circuits and Related Structures. 2. Auflage. Wiley-Interscience, 2004, ISBN 978-0-471-44474-9.
• 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)
• Bernd Geck: Die Anwendung des Homodyn-Prinzips zur Netzwerkanalyse im Millimeter-Wellen-Bereich. 1997, ISBN 3-662-12098-4, S. 89 ff., doi:10.15488/9442 (uni-hannover.de [PDF]).