Ringkoppler
Bild 1: einfacher Ringkoppler mit vier Anschlüssen
Ringkoppler
Ein Ringkoppler (engl.: Rat-race coupler) ist eine sehr einfache Bauform eines Richtkopplers. Er kann als −3 dB Leistungsteiler zum Beispiel in Mischstufen, als Sende-/Empfangsumschalter oder als Transformator von differentiellen Ein- oder Ausgängen zu unsymmetrischen massebezogenen Pegeln eingesetzt werden.
Ein Ringkoppler kann in verschiedenen leitungsgebundenen Technologien aufgebaut werden. Es sind sowohl Lösungen aus Koaxialkabeln, aus Streifenleitung oder aus Hohlleiterabschnitten bekannt. Ein Ringkoppler aus Hohlleiterabschnitten besteht aus einem zu einen Kreis gebogenen rechteckigen Hohlleiter, dessen mittlerer Umfang genau 1,5 λ beträgt. Er hat vier Anschlüsse, die jeweils eine Viertel Wellenlänge voneinander entfernt um die eine Hälfte des Rings angeordnet sind (Bild 1). Sie bewirken eine Phasenverschiebung von 90° von einem Anschluss zum nächsten. Die andere Hälfte des Rings hat eine Länge von dreiviertel Wellenlängen. Sie bewirkt eine Phasenverschiebung von 270°.
Bild 2: Ringkoppler aus Streifenleitungen, hier für die Anpassung von dem differentiellem Ausgang eines 24-GHz-Radarchips zur Anpassung an eine Patchantenne.
Bild 2: Ringkoppler aus Streifenleitungen, hier für die Anpassung von dem differentiellem Ausgang eines 24-GHz-Radarchips zur Anpassung an eine Patchantenne.
Die Zuleitungen beim Hohlleiter sind Serienverzweigungen. Bei Kabelvarianten muss die Impedanz der Zuleitung sich im Ring für eine optimale Anpassung aufteilen. Der Ring sollte deshalb eine Impedanz mit einem Faktor von √2 im Vergleich zur Impedanz der Anschlusszuleitungen haben. Bei der für Funkamateure interessanten Lösung mit Koaxialkabelabschnitten kann das mit 75 Ω (Ring) und 50 Ω Kabeln (Zuleitungen) in ausreichender Genauigkeit angenähert werden.
Die Streuparameter eines Ringkopplers sind:
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Ein Signal, das im Anschluss 1 in den Ringkoppler eingespeist wird, teilt sich in zwei Teile auf, von denen ein Teil um 180° phasenverschoben ist. Ein Teil wandert im Uhrzeigersinn durch den Ring, der andere Teil entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn. Um in einem der Anschlüsse ein Ausgangssignal zu erhalten, müssen beide Leistungsanteile wieder so gegenphasig anliegen, wie sie eingespeist wurden. Bei dem gegenüberliegenden Anschluss 4 ist diese Bedingung automatisch erfüllt, weil beide Anteile die gleiche Leitungslänge absolviert haben.
Bild 3: Verhalten einer T-Verbindung bei gleich- und gegenphasigen Feldern
Beim Anschluss 2 hat der eine Anteil nur eine zusätzliche Phasenverschiebung von 90° erhalten, der andere Teil durch den Umweg von 5/4λ ebenfalls eine effektive Phasenverschiebung von 90°. Allerdings ist dieser Anschluss 2 vom Anschluss 4 genau λ/2 entfernt, so dass das Ausgangssignal invertiert ist.
Am Anschluss 3 sind die Phasenverhältnisse einmal λ/2 und der andere Teil auf dem längeren Weg 1λ, so dass auf den Umwegleitungen eine Phasendifferenz von ebenfalls 180° auftritt, welche den Phasenunterschied bei der Einspeisung egalisiert. Somit hat dieser Anschluss kein Ausgangssignal, muss aber trotzdem mit einen Abschlusswiderstand belegt werden für die Leitungsanpassung (in Bild 2 der R20).