In einem vereinfachten Modell werden die Grundlagen koaxialer Richtkoppler mit einer Koppelschleife beschrieben. Das Prinzip ist im Wesentlichen das gleiche für die meisten anderen Richtkoppler.
Koaxiale Richtkoppler nutzen die Tatsache, dass die Richtung des elektrischen Feldes (E-Feldes) zwischen Innen- und Außenleiter für die Vorwärts- und die Rückwärtswelle gleich ist. Das Magnetfeld (H-Feld) hat jedoch mit der Richtung um den Innenleiter der Koaxialleitung eine entgegengesetzte Drehrichtung für die Vorwärts- und die Rückwärtswelle. Dies wird beispielhaft an einem Richtschleifenkoppler entsprechend Fig. 1.
Abb. 1
Die Hochfrequenzleistung, die vom Verstärker zur Last fließt, führt zu einem radialen elektrischen Feld vom Innenleiter zum Außenleiter (Masse) und einem kreisförmigen Magnetfeld zwischen Innen- und Außenleiter.
Ein kleiner Teil des elektrischen Feldes koppelt kapazitiv vom Innenleiter auf die Koppelplatte der Koppelschleife. Dies führt zu einer HF-Spannung dieser Platte gegen Masse und einem HF-Strom, der über die elektrisch führenden metallischen Abstandshalter gleichmäßig durch die beiden 50 Ohm Widerstände nach Masse fließt. Diese Spannung, die aufgrund der kapazitiven Kopplung der Vorwärtswelle entsteht, ist an beiden Ports gleich und positiv. Im Folgenden nennen wir diese Spannung +Vcap.
Wie bereits erwähnt, erzeugt die Vorwärtswelle auch ein kreisförmiges Magnetfeld, das vertikal und im Uhrzeigersinn zur Ausbreitungsrichtung ausgerichtet ist. Dieses Magnetfeld befindet sich um den Innenleiter herum und wird durch den Außenleiter begrenzt. Ein kleiner Teil dieses Magnetfeldes durchdringt die Kopplungsschleife. Die Koppelschleife, bestehend aus der Koppelplatte, den beiden metallischen Abstandshaltern, den beiden Widerständen und der Masse zwischen den Widerständen, bildet einen geschlossenen Stromkreis. Der sogenannte magnetische Fluss durch die Koppelschleife induziert in dieser geschlossenen Schleife einen Strom Iind. Dieser Strom erzeugt eine positive Spannung +Vind an Port 1, die durch den Widerstand an Port 1 fließt. Nach dem Passieren dieses Widerstandes fließt der induzierte Strom Iind entlang der Masse zum Widerstand an Port 2. Die Richtung dieses Stroms durch den Widerstand an Port 2 ist entgegengesetzt zu dem Strom durch den Widerstand an Port 1. Dies führt zu einer negativen Spannung -Vind an Port 2, bevor der Strom zur Koppelplatte zurückfließt.
Wenn man durch eine geeignete Geometrie erhalten kann, dass Vcap und Vind in Amplitude und Phase gleich sind, führt dies zu einer doppelten Spannung an Port 1, wobei V cap und V ind addiert werden, während das Hinzufügen von Vcap und –Vind an Port 2 zu einer Spannung von Null führt. In diesem Fall koppelt die Vorwärtswelle einen Teil der transportierten Leistung an Port 1, während nichts davon an Port 2 koppelt.
Für die umgekehrte Welle mit der gleichen Richtung des E-Feldes, aber entgegengesetzter Richtung des H-Feldes ist es umgekehrt. Hier addieren sich die kapazitive und induktive Kopplung an Port 2, während sie sich an Port 1 gegenseitig auslöschen.
An Port 1 misst man nur einen proportionalen Teil der Vorwärtswelle und an Port 2 nur einen proportionalen Teil der Rückwärtswelle. Somit kann der Richtkoppler die Vorwärts- und Rückwärtswelle getrennt messen.
In der Praxis werden Sie nie ideale Bedingungen finden, wie Sie gerade beschrieben wurden. Wenn Vcap und Vind nicht genau gleich sind, koppelt die Vorwärtswelle einen kleinen Teil der Vorwärtsleistung auch an Port 2 an. In ähnlicher Weise koppelt die Rückwärtswelle einen kleinen Teil an Port 1.
Koppelt beispielsweise die Vorwärtswelle ein Tausendstel der transportierten Leistung an Port 1 an, hat der Richtkoppler einen Koppelfaktor von -30 db. Betrachten Sie weiter ein Beispiel, wo man -65 dB auf Port 2 misst (anstelle von idealerweise -5 dB) wegen einer kleinen Diversität zwischen kapazitiver und induktiver Kopplung (auch bei einer idealen Anpassung der Hauptleitung ohne Rückwärtswelle). In diesem Fall gibt es einen Unterschied in der Kopplung von Port 1 und Port 2 von 35 dB. Dieser Faktor wird als Richtwirkung eines Richtkopplers bezeichnet, der in diesem Beispiel 35 dB beträgt.
Die Richtwirkung ist ein Maß dafür, wie gut kapazitive und induktive Kopplung eines Richtkopplers in Amplitude und Phase aufeinander abgestimmt sind. Wir empfehlen eine Richtwirkung von mindestens 30 dB, besser 35 bis 40 dB. Nach unseren Erläuterungen zu den beiden Spannungen Vcap und Vind oben kann man sich vorstellen, dass nicht nur die Geometrie der Koppelschleife, sondern auch die Güte und Gleichheit der beiden 50 Ohm Widerstände einen starken Einfluss auf die Richtwirkung des Richtkopplers haben.
Zusammenfassend haben wir gezeigt, wie ein Richtkoppler funktioniert und insbesondere, wie ein perfekter Richtkoppler die Vorwärts- und Rückwärtswelle getrennt messen kann. Zusätzlich wurde der Parameter Directivity eines Richtkopplers und dessen Anbindung an eine unsymmetrische Geometrie definiert.